Sensore colore Spettrofotometro Idroponica con Arduino

Tutorial sensore qualità della luce e colore con Arduino, per spettofotometro, Coltura Idroponica e analisi bioChimica.

Adatto per Esperimenti di: Biologia, Analisi bioChimica, Botanica, Elettronica, Fisica o Coltura Idroponica Indoor.

In questo articolo trovi i sensori di luce e colore RGB che puoi usare nei tuoi esperimenti insieme alla scheda e piattaforma IDE di programmazione Arduino.

Questi sensori di analisi della componente di colore, e spettro luminoso della luce, sono un importante strumento per indagare, e studiare, l’affascinante mondo delle piante, come la clorofilla converte la luce del sole in energia e produce zucchero, ma anche come la qualità e quantità della luce influisce sulla salute dell’uomo. Viene usata anche nella misura del grado di depurazione delle acque reflue.

Cos’è e a cosa serve un sensore di colore ?

Un sensore di colore analogico converte una luce in una tensione o frequenza proporzionale all’intensità luminosa ed al tipo di colore che forma il suo spettro luminoso.

Un sensore di colore digitale converte il raggio che lo illumina in uno o più numeri proporzionali all’intensità dei colori che lo compongono. Con questo tipo di sensore si deve usare una scheda a mricrocontrollore per convertire il numero digitale in informazione numerica.

Con il famoso esperimento del prisma attraversato dalla luce bianca, che viene trasformata in tanti colori, si capisce bene come il colore del fascio luminoso (detto temperatura di colore) sia una somma di più colori primari. I moderni televisori e smartphone utilizzano L.E.D. a tre colori (RGB Rosso Verde Blu) e miscelandoli formano il colore che vedi.

Sensore colore digitale RGB con trasmissione I2C

E’ un sensore che converte la luce che lo illumina in numeri digitali proporzionali alla quantità di Rosso, Verde e Blu presenti nello spettro di luce da analizzare.

Ha la particolarità di scambiare i dati con il protocollo di comunicazione I2C che deve utilizzare una scheda Arduino compatibile.

Spettro della luce composizione del colore

La luce del sole è composta da molte componenti di colore, che tutte insieme formano uno spettro. Ogni colore ha una frequnza e lunghezza d’onda, come le onde radio per intenderci, e segue le regole dell’elettromagnetismo.

Ogni lunghezza d’onda trasporta una quantità di energia, che aumenta con la frequenza. Quando questa luce incontra la pelle di un corpo, o le folgie di una pianta trasferisce l’energia che trasporta.

La lunghezza d’onda è inversamente proporzionale alla frequenza del colore specifico.

Il colore Rosso, RED, ha una lunghezza d’onda maggiore, tra i 750 e i 625 nm (nano metri, 10^(-9) metri) e una “potenza luminosa” minore del Viola, VIOLET, che ha una lunghezza d’onda compresa tra i 430 e i 380 nm.

La cosa interessante che, malgrado queste affermazioni, quando vogliamo scaldarci ci avviciniamo a fonti di emissione Infrarossi (lampade ad infrarossi).

Invece se vogliamo abbronzarci andiamo a farci la “lampada UV”, cioè a ultravioletti (ULTRAVIOLET). Se stiamo troppo sotto la lampada ci bruciamo la pelle 🙁

Possiamo così affermare, che anche a livello sperimentale, la regione del rosso è meno potente e per scaldarti devi esporti per più tempo. Al contrario la luce a frequenze UV è molto potente e in poco tempo ti bruci la pelle.

Le lampade UV una volta si chiamavano “lampade di Wood” ed erano utilizzate in discoteca per far diventare viola le magliette di colore bianco quando spegnevi la luce e rimanevi al buio.

Queste lampade UV hanno svariati usi, dalla sanificazione delle acque di piscine, alla ricostruzione delle unghie, dalle stampanti 3D a resina agli inchiostri a indurimento UV.

Sensore RGB + Gesture APDS9960

Questo sensore oltre a rilevare i vari livelli RGB, ha un driver per alimentare un LED e 4 sensori per riconoscere il movimento di una persona che sta di fronte al sensore (Gesture Recognition). Trasmette i dati con il protocollo I2C. Oltre ai colori misura anche l’intensità di luce ambientale.

Qui metto il link al datasheet:

Link Datasheet sensore di colore RGB Avago APDS9960

Sotto il link al prezzo e dove acquistare questo sensore che ha una libreria Arduino già pronta, open source sviluppata da Adafruit.

Link Prezzo Prestazioni Sensore Colore RGB Arduino APDS 9960

E’ direttamente disponibile dalla IDE di Arduino la libreria per usare questo sensore.

Il link a come usare questa libreria te lo riporto sotto:

Link come usare libreria Arduino sensore colore RGB APDS 9960

Puoi anche caricare la libreria Adafruit semplicemente cercandola nella IDE di Arduino nel menu Sketch, come vedi nelle immagini sotto.

Sensore digitale luce solare OPT3002

Questo chip della Texas Instruments è un sensore di luce ad ampio spettro (dai 300nm ai 750nm utili, e fino ai 1000nm), come puoi vedere dalla immagine che riporto:

Dal diagramma di funzionamento si vede che la misura viene trasmessa con il protocollo digitale I2C. Il sensore misura la corrente prodotta dal fotodiodo interno e la converte in numero binario con un convertitore ADC.

Questo chip ha una sensibilità di 23 bit, cioè può misurare intensità luminose che variano da un minimo di 12 nW/cm2 a 10 mW/cm2 (se non sbaglio a fare i conti dovrebbe essere 100 Watt/m2, mentre il sole pieno può arrivare a 1000 Watt/m2 a livello del mare).

Sensore Colore Spettrometro AS7262

Il chip AS7262 è in grado di discriminare fino a 6 colori differenti, e può comandare Led bianchi per illuminare l’oggetto, se necessario.

I dati vengono trasferiti tramite la comunicazione I2C (indirizzo 0x49) adatta per schede Arduino compatibili.

Link Prezzo Caratteristiche Sensore Colore RGB Arduino AS7262

Il datasheet lo trovi al link di seguito:

Link datasheet sensore colore RGB Arduino AS7262

Sensore Colore Arduino AS7431

Questo è un sensore di colore RGB esteso che può misurare fino ad 11 bande di colori diversi e trasmette i dati con la comunicazione I2C.

Qui in basso:

Link Prezzo e Caratteristiche Sensore Colore RGB Arduino AS7431

Qui riporto il link al tutorial di Adafruit:

Link Tutorial Sensore Colore RGB Arduino AS7431

E’ già pronta una libreria per schede Arduino compatibile che puoi scaricare direttamente dalla IDE di Arduino con la procedura che ti ho mostrato nel sensore APDS9960. Al posto di cercare quel sensore cerca il sensore AS7431. La libreria è fornita di esempi pronti all’uso.

Sensore Colore TCS230 – TCS3200

Questo sensore genera una frequenza proporzionale ad ogni colore RGB ed anche il colore bianco. E’ formato da 16 micro LED disposti a matrice, come vedi nella foto sotto, per ogni banda di colore che misura.

Su AudioValvole trovi un bel progetto per Arduino, completo di programma, che utilizza il sensore di colore TCS230. Questo progetto viene usato per misurare il grado di maturazione della birra fai da te. Di seguito ti metto il link:

Link Progetto Fotometro Sensore Colore RGB per Arduino

Puoi acquistare una scheda già pronta cliccando sul link:

Prezzo Caratteristiche Scheda Sensore Colore RGB per Arduino TCS230

Sensore Luce Solare TSL2591

E’ un sensore di luce prodotto dalla Austriaca AMS che ti permette di misurare la quantità di luce solare. La sensibilità minima è di 188 micro Lux, mentre la luminosità massima misurabile è di 88’000 Lux.

Scambia i dati tramite comunicazione I2C ed è Arduino compatibile. Sotto riporto il diagramma di funzionamento.

Riporto il Datasheet del chip TSL2591:

Le librerie per Arduino si trovano facilmente anche sul sito Adafruit, dove trovi una descrizione e tutorial su questo sensore. La IDE di Arduino contiene, nel menu Gestione Librerie, una serie di librerie specifiche e pronte per questo sensore.

Ti riporto il link dove puoi acquistare questo sensore:

Prezzo e Prestazioni Sensore Luminosità TSL2591 Arduino BreakOut Board

Questo sensore è dotato di due fotodiodi chiamati CH0 e CH1 che misurano uno spettro luminoso compreso tra i 400 e i 1000 nm. Ti riporto il grafico dello spettro misurabile con questo sensore di luce solare.

Unità di misura Intensità della luce

Il sole illumina la superficie terrestre, al livello del mare, con un flusso luminoso massimo di 1000 Watt/m2, una potenza enorme.

L’intesità luminosa è la potenza irradiata da una fonte di luce puntiforme.

Per calcolare la intensità luminosa ad una certa distanza da una fonte di luce puntiforme si usa la seguente formula:

I = Po / 4 * PiGrego * r * r

dove

I è Intensità luminosa misurata in Watt

PiGreco = 3,1415

r è la distanza dal centro di emissione luminosa al punto in cui si misura la potenza (questa formula è valida quando il punto luminoso si dirama in modo sferico).

Facciamo un esempio pratico:

Una faretto da 500 Watt di potenza elettrica (cioè il suo consumo) che abbia un efficienza luminosa del 20% produce un Intensità Luminosa di 0,2 * 500W = 100 Watt luminosi. Se misuriamo la sua potenza luminosa ad 1 metro di distanza otteniamo

100W / 4 * 3,1415 * ( 1m * 1m) = 7,96 W/m2 (Watt su metro quadrato).

Il Lumen (lm) è l’equivalente fotometrico del Watt pesato secondo la risposta standard dell’occhio umano (cioè la potenza viene concentrata in una piccola zona dello spettro luminoso, quella in cui l’occhio umano è più sensibile).

1 Watt = 683 Lumen (lm) a 555 nm.

La Candela corrisponde ad un intensità luminosa di 1/683 Watt (con luce concentrata nello spettro dei 555nm dove l’occhio è più sensibile).

Irragiamento

1 Watt/m2 = 683 Lux (lx) a 555nm

Illuminamento

1 lux = 1 Lumen/m2 = 1 (cd * sr) / m2 (dove sr è 1 steraradiante).

Spettro Sole Lampade Led e Idroponica

Nella grafica sotto puoi vedere come lo spettro del sole viene riprodotto, più o meno fedelmente, da varie fonti luminose artificiali.

Trovi altre informazioni interessanti al link da cui è stata tratta l’immagine (Credits):

https://bauarchitecture.com/research.daylightleds.shtml

nell’idroponica indoor, dove le piante vengono coltivate con l’uso di acqua e nutrienti senza bisogno di terra coltivabile, è importante dosare la quantità di luce, il suo ciclo giorno-notte e quali frequenze utilizzare per le varie fasi della crescita vegetativa.

Così LED ad ampio spettro luminoso e sensori di luce sono importanti in questo settore di coltivazione idroponica indoor.

Un dettaglio che viene “poco sottolineato” è l’importanza dei micronutrienti presenti nelle piante che concorrono alla salute dell’uomo. Per cui l’idroponica fatta con “soluzioni chimiche” di crescita non so fino a che punto produce verdure e frutti salutari, o almeno nutritivi in modo completo.

Un altro settore dove la qualità e spettro della luce incominciano a giocare un ruolo importante sono nella “cura e riduzione” dell’acne. Non so dirti se questa terapia a base di luce rossa funziona. Considerando che le piante si sviluppano con la luce, per analogia, non sarebbe così strano pensare che anche l’uomo abbia benefici dalla luce.

Nel mio articolo sulla miopia ho trovato che recenti studi affermano che è importante, per non peggiorare la miopia, stare all’aria aperta ed al sole per tutto il tempo possibile.

La luce Ultra infrarossa potrebbe giocare un ruolo importante in questo tipo di relazione tra salute dell’uomo e onde luminose. Nei Link alla fine dell’articolo ho selezionato alcuni studi su questo argomento da cui partire per avere un informazione più ampia.

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Questo è un interessante libro sulla fisiologia delle piante e di come la luce migliora il loro stato vegetativo e la crescita:

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Si può risolvere l’Acne con una cura a base di Luce Rossa ?

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