Smarter Kräutergarten

Autoren: Frederik Markman, Henning Lütkemeier & Daniel Gosedopp
Betreuer: Prof. Schneider

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Einleitung

In diesem Projekt wird ein smarter Kräutergarten entwickelt, der die Pflanzen automatisch mit Wasser und Licht versorgt. Dieses Projekt ist Teil des GET-Fachpraktikums im Studiengang Mechatronik.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an den smarten Kräutergarten
ID	Anforderung	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Die Anlage muss abgedichtet sein, sodass kein Wasser austreten kann.	D. Gosedopp	27.10.2021	H. Lütkemeier	27.10.2021
2	Es muss das Umgebungslicht erkannt werden.	D. Gosedopp	27.10.2021	H. Lütkemeier	27.10.2021
3	Die Bodenfeuchtigkeit muss gemessen werden.	F. Markman	27.10.2021	H. Lütkemeier	27.10.2021
4	Der Füllstand des Wassertanks muss erfasst werden.	F. Markman	27.10.2021	H. Lütkemeier	27.10.2021
5	Wasser muss mit Hilfe einer Pumpe aus dem Tank in den Topf gefördert werden.	D. Gosedopp	27.10.2021	H. Lütkemeier	27.10.2021
6	Vollspektrum LED-Beleuchtung muss bei zu wenig Umgebungslicht eingeschaltet werden.	F. Markman	27.10.2021	H. Lütkemeier	27.10.2021
7	Auf einem Display muss der Füllstand des Wassertanks angezeigt werden.	F. Markman	27.10.2021	H. Lütkemeier	27.10.2021

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Zur Ermittlung der Bodenfeuchtigkeit wird ein Feuchtigkeitssensor eingesetzt. Welche gemessene Feuchtigkeit die richtige ist, soll vorab durch Tests ermittelt werden. Außerdem wird der Wasserstand des Tanks mit einem Wasserstandssensor und der Umgebungslichteinfall mit einem Fotowiderstand gemessen. Der Microcontroller filtert die Sensorsignale ggf. und wertet diese aus. Bei zu geringer Bodenfeuchtigkeit wird die Pumpe angesteuert, welche die Pflanzen bewässert. Dabei soll die Pumpe eine Zeit lang Wasser fördern (hier sollen auch Erfahrungswerte aus Tests herangezogen werden) und dann wieder abschalten. Außerdem wird sichergestellt, dass die Pflanzen bei geringem Lichteinfall beleuchtet werden. Dies könnte z.B. in Wintermonaten von Bedeutung sein, wenn die Tage kürzer sind. Als Licht soll ein Vollspektrumlicht (450nm-650nm Wellenlänge) in Form von LED-Streifen zum Einsatz kommen. Der Füllstand des Wassertanks wird auf einem LC-Display angezeigt. Der funktionale Systementwurf ist in Abbildung 2 dargestellt.

Komponentenspezifikation

Komponente	Beschreibung	Abbildung
Arduino UNO R3	Bei dem in diesem Projekt verwendeten Microcontroller handelt es sich um den Arduino Uno Rev3. Dieser besitzt neben 14 digitalen I/O Pins, von denen 6 als PWM Outputs genutzt werden können, auch 6 analoge Eingänge.^[1] Für dieses Projekt werden 4 digitale I/Os sowie 2 Analogeingänge benötigt.	Arduino Uno Board
Relais	Die Pumpe und die LED-Streifen werden durch eine externe Spannungsquelle versorgt. Zum Ein- und Ausschalten dieser Aktoren wird ein 2-Relais Modul verwendet.	2-Relais Modul
Feuchtigkeitssensor	Die Messung der Bodenfeuchte erfolgt mit Hilfe eines kapazitiven Bodenfeuchtigkeitssensors. Dieser misst die Änderung der Kapazität in Folge der Änderung des dielektrischen Kontrasts zwischen Wasser und Blumenerde. Das hat den Vorteil, dass die Metallelektroden keinen direkten Kontakt mit der Blumenerde haben und so vor Korrosion geschützt sind.	Feuchtigkeitssensor
Ultraschallsensor	Zum Erfassen des Wasserstandes im Tank wird der HC-SR04 Ultraschallsensor verwendet. Dieser sendet nach Anregung des Trigger-Pins mit einer steigenden Flanke acht kurze Rechteckwellen aus. Danach wird der Echo Pin auf High gesetzt. Wird ein reflektiertes Signal empfangen, wechselt der Echo-Pin auf Low. Die Zeit, in der der Echo-Pin ein High-Signal liefert (also die Laufzeit), kann mit dem Arduino gemessen werden. Daraus lässt sich die Entfernung zum Objekt berechnen.	Ultraschallsensor
Fotowiderstand (LDR)	Zur Ermittlung der ambienten Lichtstärke wird ein einfacher Fotowiderstand verwendet. Dieser basiert auf dem fotoelektrischen Effekt: Dabei geben Photonen vom einfallenden Licht ihre Energie vollständig an die Elektronen der Atomhüllen ab und regen diese energetisch an. Im Energiebändermodell entspricht dies einem Wechsel vom Valenz- ins Leitungsband, wodurch die elektrische Leitfähigkeit steigt und die abfallende Spannung am LDR sinkt.	Fotowiderstand
5V USB Mini Tauchpumpe	Um das Wasser aus dem Tank in den Blumentopf zu befördern, wird eine Tauchpumpe verwendet. Diese kann über USB betrieben werden. Zur Ansteuerung über das Relais wird das USB-Kabel durchtrennt und nur die Versorgungs- und Ground-Leitung verwendet.	Tauchpumpe
LED-Streifen	Die Photosynthese von Pflanzen ist besonders aktiv, wenn das Licht eine Wellenlänge um die 450nm (blau) oder um die 650nm (rot) besitzt.^[2] Daher kommt ein LED-Streifen zum Einsatz, der violettes Licht, also eine Mischung aus blau und rot, emittiert.	LED-Streifen
LC-Display	Der aktuelle Füllstand des Wassertanks wird auf einem LC-Display als Balken dargestellt. Genauer gesagt, handelt es sich um ein QAPASS 1602A^[3], welches über ein I²C-Modul (PCF8574 Port-Expander Chip^[4]) per I²C-Bus angesteuert werden kann.	LC-Display mit I²C-Modul
USB Ladegerät	Zur Spannungsversorgung der LED-Streifen, der Tauchpumpe und des Arduino kommt ein 30W USB-Ladegerät zum Einsatz.	Netzteil

Umsetzung (HW/SW)

Umsetzung der Hardware des Aufbaus

Damit die Umsetzung des Projektes realisierbar ist, haben wir uns dazu entschieden einen 3D Drucker zu nutzen. Dieser wurde verwendet, um den Wassertank und den Deckel des Tanks zu drucken. Außerdem wurde der Arm an einem gedruckten Ausgleichskeil befestigt, damit er senkrecht nach oben steht. Der Wassertank wird seitlich an den Blumentopf geklebt. Wie in Abb. 2 zu sehen ist, besitzt der Tank ein kleines Loch, wo der Wasserschlauch durchgeführt wird. Mittels 2-Komponenten-Kleber wurde der Tank an dieser Stelle abgedichtet, sodass kein Wasser austreten kann.

Um den Wassertankdeckel in seiner Position zu fixieren, wurde ein rechteckiger Steg an der Unterseite des Deckels angebracht. Außerdem besitzt der Deckel zwei mittig liegende Löcher, in die der Sender und der Empfänger des Ultraschallsensors eingesetzt werden (siehe Abb. 3).

Abb. 3: Wassertankdeckel (Ansicht von unten) ^[6]

In Abb. 4 ist ein Ausgleichskeil zu sehen. Dieser sorgt dafür, dass eine Seite des Blumentopfs rechtwinklig zum Boden steht und der Lichtarm dadurch sorgfältig angebracht werden kann.

Es wurden mit der Tauchpumpe kompatible Schläuche der Firma Festo mit einem Innendurchmesser von 4mm und einem Außendurchmesser von 6mm verwendet. Zur eigentlichen Bewässerung wurden am Schlauch Löcher mit einer heißen Nadel angebracht (siehe Abb. 5). Die Schlauchenden sind mit Heißkleber abgedichtet worden.

Umsetzung der Elektronik-Hardware

In Abbildung 6 ist der Verkabelungsplan der Sensoren und Aktoren mit dem Arduino zu sehen. Die LED steht stellvertretend für den LED-Streifen und der Gleichstrommotor für die Tauchpumpe, da beide Komponenten in Fritzing nicht enthalten sind. Abbildung 7 zeigt die Umsetzung der Verkabelung am smarten Kräutergarten.

Umsetzung der Software

Die Software ist folgendermaßen strukturiert:

Bibliotheken einbinden
Pinbelegung der Sensoren und Aktoren festlegen
Konstanten definieren
Funktionen deklarieren
Globale Variablen definieren
Setup-Funktion
- Serielle Schnittstelle initialisieren
- Digitale I/O setzen
- LC-Display initialisieren
Loop-Funktion
- Sensordaten auslesen
- Wasserstand auf LC-Display ausgeben
- Beleuchtungsstunden der Pflanzen zählen
- LED-Streifen ein-/ausschalten
- Pumpe ein-/ausschalten
Funktionsdefinitionen

Die LED-Streifen werden immer dann eingeschaltet, wenn ein in den Tests ermittelter Grenzwert für das Umgebungslicht unterschritten wird und die Beleuchtungszeit der Pflanzen pro Tag noch bei unter 16 Stunden liegt. Dies ist ein üblicher Wert bei Pflanzenzüchtern.^[8] Das Ausschalten der LED-Streifen erfolgt bei Überschreiten einer zweiten Schwelle. Es wurden bewusst zwei Schwellwerte gewählt (Hysterese), um ein schnelles Ein- und Ausschalten der LED-Streifen am Schwellwert zu verhindern.

Die Pumpe wird bei zu trockenem Boden für kurze Zeit eingeschaltet. Die Einschaltdauer für ausreichende Bewässerung wurde ebenfalls durch Tests ermittelt/bewertet und liegt bei 2,5 Sekunden. Danach wird 15 Sekunden gewartet, sodass das Wasser nachsickern kann.

Der Wasserstand im Wassertank wird auf dem LCD als Balken dargestellt.

Komponententest

Ultraschallsensor

Mit dem Ultraschallsensor soll der Wasserstand gemessen werden. Dazu wurde der Wassertank aufgefüllt, die Messung gestartet und dann für kurze Zeit die Pumpe eingeschaltet. Der Wasserstandsverlauf ist in Abb. 8 dargestellt.

Fotowiderstand

Um den Lichteinfall zu messen, wurde ein Fotowiderstand verbaut. Der ADC-Rohwert des Fotowiderstands im Testraum bei Tageslicht lag bei ca. 600. Bei Verdecken des Fotowiderstands fällt der Wert und bei Beleuchtung mit einer Taschenlampe steigt der Wert (siehe Abb. 9). Hier kann also mit einem Schwellwert gearbeitet werden. Sobald der ADC-Rohwert diesen Wert unterschreitet, wird der LED-Streifen eingeschaltet. Um am Schwellwert keine schnellen Ein-/Ausschaltvorgänge zu bekommen, wird mit einer Ausschalthysterese gearbeitet.

Kapazitiver Feuchtigkeitssensor

Es soll außerdem die Bodenfeuchtigkeit gemessen werden. Dazu wurde ein Kapazitiver Feuchtigkeitssensor verwendet. In Abb. 10 sind die Messwerte bei trockener Erde zu sehen, diese liegen bei ca. 400. Bei feuchter Erde sinken die Werte ab (siehe Abb. 11). Nach dem Bewässern erschien ein Wert von 250 optimal. Softwareseitig wird die Pumpe 2,5 Sekunden eingeschaltet, um diesen Wert bei zuvor trockenem Boden ungefähr zu erreichen.

Tauchpumpe, LED-Streifen und Relais

Zuletzt wurden die Aktoren getestet. Um die Pumpe zu testen, wurde der Tank mit Wasser aufgefüllt und leergepumpt. In Abb. 12 wird deutlich, dass die Pumpe seinen Zweck erfüllt. Außerdem ist hier das violette Licht erkennbar, die LED-Streifen funktionieren also auch einwandfrei. Da zur Ansteuerung die Relais verwendet wurden, ist gleichzeitig auch dessen Funktion sichergestellt.

Ergebnis

Der fertige Kräutergarten ist in der folgenden Abbildung zu sehen. Die zuvor definierten Anforderungen konnten allesamt erfüllt werden. Die Anforderungs-ID6 (Vollspektrum LED-Beleuchtung muss bei zu wenig Umgebungslicht eingeschaltet werden.) wurde außerdem um eine maximale Belichtungsdauer der Pflanzen von 16 Stunden pro Tag ergänzt.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Das Projekt hat uns gelehrt, ein System von der Projektplanung über die Konstruktion und Programmierung bis hin zu den Komponententests und dem Gesamttest zu entwickeln. Die bereits im Grundstudium gelernten Studieninhalte waren dabei eine große Hilfe. Als Lessons Learned sind folgende Punkte besonders hervorzuheben:

Notwendigkeit einer guten Projektplanung
Anforderungsorientiertes Arbeiten
Verlöten von Kabeln und Bauelementen
Umgang mit Microcontroller, Sensoren und Aktoren sowie dessen Auswahl
Schaltplanerstellung mit Fritzing
Workflow beim 3D-Druck

Projektunterlagen

Projektplan

Projektdurchführung

Nach Erstellung eines Projektplans erfolgte die Auswahl und Beschaffung der Sensoren und Aktoren sowie aller weiteren Bauelemente/Bauteile und des Blumentopfs. Die Einzelkomponenten konnten daraufhin auf ihre Funktion überprüft werden. Anschließend begann die Konstruktion nötiger Teile in SolidWorks, um diese mit einem 3D-Drucker herzustellen. Nach Zusammenbau des Setups konnte das Bewässerungssystem angebracht werden. Die Tauchpumpe wurde in dem Wassertank eingesetzt und das Wasser wird über einen Schlauch in den Blumentopf geführt. Hier erfolgt mittels T-Stück eine Abzweigung auf zwei durchlöcherte Schläuche, sodass die Pflanzen von beiden Seiten bewässert werden. Final wurde die Elektronik angebracht.

YouTube Video

Ein Video des fertigen Projektes kann hier angeschaut werden.

Literatur