Aufbau eines vernetzten Gewächshauses – Teil 1

Eine intelligente und steuerbare Wachstumsumgebung unter Verwendung des Intel Edison-Board

Vor Kurzem erhielten mein Kollege Andrew und ich den Auftrag, ein vernetztes Miniaturgewächshaus zu entwickeln, in dem Sensoren und Umweltkontrollsysteme integriert werden sollten. Es sollte gut aussehen und ein praktisches und überzeugendes Beispiel für eine Anwendung aus dem Bereich Internet of Things liefern Das Ergebnis sollte transporfähig sein, auf einigermaßen kleiner Fläche Platz finden und ein gewisses Maß an Interaktivität bieten.

Das Intel Edison-Board wurde ausgewählt, um eine integrierte Computerplattform bereitzustellen. Im Zusammenspiel mit dem Arduino-kompatiblen Edison Breakout Board bietet es Vorteile wie reichlich GPIO und ein integriertes drahtloses 2,4-GHz-Modul sowie eine vertraute Linux-Umgebung und Unterstützung über die Arduino-IDE.

In diesem ersten Beitrag werden der Gewächshausentwurf und der mechanische Aufbau besprochen, bevor ein zweiter Beitrag ausführlich auf die Software und die Vervollständigung der Elektronik eingeht.

Eine kontrollierte Umgebung

Gewächshaus IKEA SOCKER, Bild © IKEA

Es gibt viele verschiedene Variablen, die überwacht werden könnten, um es uns zu ermöglichen, die Bedingungen für das Pflanzenwachstum zu optimieren. Wir haben uns für die Überwachung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Licht entschieden, andere mögliche Variablen wären Feuchtigkeit des Bodens und pH-Wert sowie der Kohlendioxidanteil im umschlossenen Raum.

Da es sich in erster Linie um ein Modell handelt, dass innerhalb geschlossener Räume zum Einsatz kommt, hielten wir es nicht für notwendig, eine Heizung für die Temperatursteuerung vorzusehen. Allerdings dachten wir uns, es würde sich als vorteilhaft erweisen, die Luftfeuchtigkeit per Belüftung zu verringern und die Beleuchtungsstärke durch eine LED-Beleuchtung zu erhöhen.

Ein kompaktes Gewächshaus für Fensterbretter "von der Stange" bot uns eine großartige Grundlage, auf der wir aufbauen konnten. Dieses Gewächshaus wird flach verpackt ausgeliefert und besteht aus einem Stahlrahmen mit „Fensterscheiben“ aus Kunststoff. Auf den ersten Blick war klar, dass diese Scheiben durch lasergeschnittene Exemplare aus Acryl ersetzt werden müssten. Aber wir hatten eine kostengünstige und anpassungsfähige Plattform, mit der wir arbeiten konnten.

MDF-Testplatte zur Überprüfung der Passform im Gewächshausrahmen

Zwar sollten unsere Sensoren im Miniaturgewächshaus untergebracht werden, aber die Stromzufuhr und die Steuerelektronik wollten wir separat halten, um sie nicht der Feuchtigkeit und der Pflanzenerde auszusetzen, wie sie in der Gartenbauwirtschaft nun einmal vorkommen . Aus diesem Grund waren Gehäuse, Komponenten und Steckverbinder mit IP-Schutzarteinstufung gefragt.

Schutz vor den Elementen

Bild von Wikimedia Commons

Die IP-Schutzart, auch als internationale Schutzkennzeichnung oder Eindringschutzkennzeichnung bezeichnet, steht für die Klassifizierung eines bestimmten Produkts oder einer Komponente, mit der das Maß des Schutzes gegen Feststoffe und Flüssigkeiten bestimmt wird. Am häufigsten wird diese Kennzeichnung als IPXY angegeben, wobei X eine Zifferneinstufung für Feststoffe und Y eine Zifferneinstufung für Flüssigkeiten ist (manchmal werden auch weitere Zeichen für zusätzliche Schutzleistungseinstufungen hinzugefügt). In der Wikipedia und vielen anderen Informationsquellen können Sie mehr über dieses Thema nachlesen.

Angesichts der Tatsache, dass unser Gehäuse mit hoher Wahrscheinlichkeit Erde und Pflanzen aufnehmen wird, die überdies regelmäßig gegossen werden, haben wir uns, wo immer möglich, auf eine Schutzart IP64 als Minimum verlegt.

Sensoren und Aktuatoren

Ein DC-Lüfter übernimmt die Luftzirkulation im Gewächshaus. Er soll den Anteil der Feuchtigkeit in der Luft verringern, sofern die Feuchtigkeit der Außenluft geringer als im Gewächshaus ausfällt, was im Allgemeinen zu erwarten ist. Damit Luft auch bei geschlossener Abdeckung aus dem Gewächshaus entweichen kann, wurde ein Drehlüfter entwickelt. Dieser wird von einem DC-Getriebemotor in Bewegung versetzt und verfügt über Nocken zur Betätigung eines Mikroschalters, um den Ventilatorzustand zu ermitteln.

Auf einer oberen Platte sind zwei verschiedene Platinen montiert. Eine ist ein preiswertes Lichtsensormodul, bei dem der Sensor nach außen weist. Die zweite vereint in sich ein Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsmodul aus dem mikroBUS. 

Der zweiten Platte oben wurde eine Petunia-LED-Pflanzenlampe von ILS hinzugefügt. Das entsprechend ausgewählte Modell ist speziell für das Anregen von allgemeinem Pflanzenwachstum entwickelt, aber es gibt auch spezielle Saat- und Pflanzenwachstumsmodule mit anderen LED-Konfigurationen.

Weil das LED-Modul an einer Stelle untergebracht ist, an der es möglicherweise von Personen berührt wird, die das Demonstrationsmodell vorführen, wurde eine Halterung für einen Lüfter entwickelt, damit die Temperatur des Kühlkörpers verringert wird. Zwar geben derartige LEDs weitaus weniger Hitze als herkömmliche Pflanzenlampen ab, aber eine Wärmesteuerung ist dennoch erforderlich.

Die oben genannten Komponenten wurden mithilfe mehradriger Kabel verbunden, die Verkabelung wurde mit Kabelbindern befestigt und aus dem Gewächshaus herausgeleitet.

Vernetzung

Angesichts des eingeschränkt verfügbaren Platzes für unser Demonstrationsmodell lag die Herausforderung darin, kompakte, aber doch auch mit geeigneter IP-Schutzart gekennzeichnete Verbindungsstücke für die Gehäuseverbindung aufzutreiben. Die Binder-Serie 620 erwies sich als genau das Richtige, denn sie bietet eine breite Auswahl unterschiedlicher Stiftkonfigurationen.

Das Hinzufügen der Stecker und Buchsen war eine schnelle und einfache Angelegenheit und das Ergebnis war eine hochwertige und sichere Vernetzung. Jede plattenmontierte Buchse wurde mit einer lasergeschnittenen und gravierten Tafel beschriftet und die Gravur wurde mit Wachs ausgefüllt, damit sie dank hohem Kontrast besser abzulesen sein sollte. Darüber hinaus wurde jedes Kabel mit bedruckbarem Wärmeschrumpfschlauch etikettiert.

Externe Gehäuse

Neben dem Gewächshaus sind drei externe Gehäuse untergebracht. Erstens ist dort eine Box mit der elektronischen Steuerung, die Relais und eine Intel Edison-Platine aufnimmt. Zweitens gibt es ein Gehäuse für die 240-V-Hauptstromversorgung und die Stromversorgung für das Petunia-LED-Modul. Schließlich ist da noch eine Konsole, die Ablesewerte der Sensoren im Gewächshaus anzeigt und mit kapazitiven Touch-Schaltflächen ausgestattet ist, mit deren Hilfe Gebläse, Lüftung und Beleuchtung manuell gesteuert werden können.

Jede dieser Komponenten wird in einem Folgebeitrag noch ausführlich angesprochen, aber ich bin der Auffassung, dass einige Elemente der Konsole schon hier hervorgehoben werden sollten.

Die kapazitiven Touch-Schalter sind sowohl in der „rastenden“ als auch in der „tastenden“ Ausführung sowie in zwei Größen (20 mm und 35 mm) verfügbar und sie sind mit hellen RGB-LEDs ausgestattet. Sie sind selbstklebend, die Empfindlichkeit kann je nach Art und Stärke der Platte, auf der sie montiert werden, über DIP-Schalter auf der Rückseite der Einheit eingestellt werden (bis zu einer maximalen Stärke von 11 mm Glas oder 8 mm Akryl.

Eine weitere herausragende Funktion der Konsole sind die drei großen Displays mit je 7 Segmenten. Diese werden über I2C angesteuert (genau wie die Sensorplatinen im Gewächshaus), womit sie einfach mit dem Intel Edison im Gehäuse der Konsole verbunden werden können.

Cloud-Abdeckung

Da es sich um ein vernetztes Gewächshaus handelt, implementieren wir eine Steuerung über die Cloud. Allerdings können wir nicht sicher sein, ob stets eine Internetkonnektivität gegeben sein wird, und deshalb mussten wir eine „Private Cloud“ entwickeln. Im Wesentlichen handelt es sich um einen Intel NUC, der allerdings in einem wolkenförmigen Gehäuse für die Wandmontage untergebracht ist, um auf seinen Zweck hinzuweisen.

Zusammenfassung

Angefangen haben wir mit einem „Gewächshaus von der Stange“, einer Reihe von Komponenten und Gehäusen und haben jetzt die mechanische Konstruktion abgeschlossen. Was noch zu tun bleibt: Wir müssen Sensoren und Anzeigen miteinander verbinden, die Software schreiben, die auf den Intel Edison-Modulen ausgeführt werden soll, und das Steuersystem entwickeln, das in der Cloud ausgeführt werden soll. Diesen Dingen ist unser nächster Beitrag gewidmet.

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