Projekte:ChiliHydro

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Pflanzen ohne Erde? Nur Nährlösung, keine Sauerei und super Erträge bei relativ einfacher Pflege?! Klingt super und da wollte ich einfach mit auf den Zug der Hydroponik aufspringen! Warum gerade Chili? Ich bin mir nicht sicher, ich esse sie gerne, nicht jeder hat sie im Garen und es gab viele und gute Anleitungen zu dem Thema im Netz. Ich denke daher habe ich mich für Chili entschieden, vor allem weil sie den Tomaten sehr ähnlich sind, die ich noch lieber esse. D.h. es werden wohl auch die ein oder anderen Tomaten angebaut werden.

Vorher gibt es aber jede Menge zu tun, was genau und wie das verläuft erläutere ich unten. Ich habe dieses Projekt als kleines Intermezzo neben dem Quadrocopter-Projekt begonnen. Dafür gab es mehrere Gründe, zum Einen war die Arbeit an der Regelung an der ich mit einem Kollegen zusammen arbeite etwas eingeschlafen, zum anderen brauchte ich endlich mal wieder ein abgeschlossenes, ordentliches Projekt mit viel Spielerei, aber wenig Inhalt :-D

Hydroponik

Hydroponik ist ein sehr altes System, Pflanzen ohne Erde zu züchten. Die Pflanzen werden wie eine Hydrokultur nur in einem nährstoff-losen Substrat festgehalten und über das Wasser mit ausreichend Nährstoffen versorgt. Dies wussten auch schon die Menschen vor zig tausend Jahren und haben ihre Pflanzen auf Bast- oder Strohmatten in Bergseen gepflanzt und schwimmen lassen.

Es gibt mittlerweile verschiedene Systeme, z.B. das Ebbe und Flut System, welches ich verwende.

Für mehr Informationen hier der Wikipedia Artikel: Hydrokultur

Ebbe und Flut System

Bei einem Ebbe und Flut System stehen die Pflanzen in einer Art Becken, dass zyklisch (ca. alle 2 Std.) mit Nährlösung geflutet wird, um nach ein paar Minuten wieder leer zu laufen. So bekommen die Pflanzen regelmäßig Wasser und Nährstoffe, aber auch zwischendurch sehr viel Sauerstoff für die Wurzeln.

Für mich fiel die Entscheidung auf das System, weil es einerseits sehr einfach um zusetzten ist und andererseits den großen Vorteil besitzt, dass die verbrauchte Luft im Pflanzkasten durch das Wasser verdrängt wird und beim Ablaufen frische Luft nachströmt. So entfällt das aufwändige Wassersprudeln um genug Sauerstoff an die Wurzeln zu bekommen.

Hardware und Konstruktion

Elektronik

Olimex P107

Olimex P107 Board in geöffneten Gehäuse und X-Bee Modul.
Komplett Wasserdichtes (IP64) Gehäuse geschlossen und verschraubt.
Olimex P107 in geöffneten Gehäuse, fertig angeschlossen.
Fertig angeschlossene Elektronik kurz vor dem Einbau in den Pflanzkasten.

Zur Steuerung (oder später auch Regelung) des Systems habe ich mehrere Methoden abgewogen. Die erste und mit Sicherheit zuverlässigste Idee war eine Siemens Logo! zu verwenden. Diese hätte ich kaufen müssen und die Kosten mit deutlich über 100 Euro für die einfachste Variante war mir für die einfachen Aufgaben zu teuer.

Idee zwei war ein STM32 Discovery Board, welches ich noch hier herumliegen hatte und mich erstmal nichts gekostet hätte. Jedoch hätte ich dieses irgendwie auf eine Lochrasterplatine löten müssen, oder mit Headern verbinden. Dazu hätte ich nur noch ein 5 V Netzteil benötigt, am bessten mit USB-Anschluss, also ein Handy-Ladegerät. Bauteile wie Relais, Transistoren und andere Dinge die man zum Schalten von Lasten benötigt habe ich zu Hauf herumliegen. Also eine gute und günstige Lösung.... Problem ist nur, dass für die Magnetventile 12V benötigt werden, die schaltbar sein müssen. Ich hätte also 12V als Eingangsspannung noch auf die benötigten 5 V herunter wandeln müssen. Nicht das größte Problem, aber doch noch ein bischen Zusatzarbeit.

Nun stellte sich die Frage, wie die Elektronik bedient werden soll. Es sollen sich ja schließlich die Parameter auch ohne die Software neu zu flashen ändern lassen. Ein Display wäre möglich, jedoch müsste man dann dafür sorgen, dass die Elektronik zugänglich ist und die Taster sowie Sichtfenster für das Display müssten Wasserdicht sein... Das war nicht die Lösung, die mir auf Dauer gefiel, sodass ich auf die Idee kam, die Parameter über Ethernet veränderbar zu machen. Mit einer Ethernet-WLAN Bridge, die ich noch hier liegen habe, wäre die Bedienung mit einer kleinen C# Software direkt vom PC aus bequem möglich.

Da ich kein Eval-Board mit Ethernet mehr hatte, entschied ich mich das Olimex P107 zu bestellen. Es hat einen STM32F107 MCU und Ethernet-Schnittstelle. Der entscheidende Vorteil des Olimex Boards gegenüber des Discovery-Boards direkt von ST ist, dass es schon eine Lochrasterfläche mitbringt, auf der man eigene Komponenten unterbringen kann. Leider ist der Preisunterschied von 30 Euro sehr hoch, doch zum Glück habe ich auf EbayUK für nicht mal 30 Euro das Olimex P107 in einer alten Version bekommen, sodass der Preisunterschied nicht mehr so hoch war. Dein weiterer Vorteil des Olimex Boards ist, dass es bereits einen Spannungsregler integriert hat, den man mit 12 V betreiben kann (jaaa.. das ist außerhalb der Spec, aber es geht :-D).

Nun hätte einer Ethernet-Schnittstelle nichts mehr im Weg gestanden, doch dann kam ich eines Abends auf eine bestechend einfache Idee, die mir viel Arbeit spart. Statt den Ethernet-Stack in betrieb zu nehmen, mir ein Protokoll zu überlegen und noch eine C# Software zu schreiben, könnte ich auch einfach eine Terminal-Verbindung über X-Bee Module aufbauen. Diese hatte ich durch mein Quadrocopter Projekt sowieso hier liegen und bereits getestet. Gesagt getan, die Schnittstelle sollte ein serielles Terminal werden.

X-Bee Modul

X-Bee Modul auf PC-Link Adapterplatine.

X-Bee Module sind kleine Funkmodule, die eine serielle Funkverbindung über das Zig-Bee Protokoll aufbauen. Im Prinziep stellt diese Verbindung eine einfache RS232 Verbindung dar, die über 2,4 GHz Funk funktioniert. Die Module lassen sich vorher am PC über USB für die Verbindung konfigurieren, später hat man quasi ein echtes W-LAN-RS232 Kabel :-) Mehr über die X-Bee Module habe ich hier bei meinem Quadrocopter Projekt geschrieben [[Projekte:Quadrocopter#X-Bee]X-Bee]

Relais und MOSFETS

Um später alle Geräte schalten zu können, habe ich das Olimex-Board mit einigen MOSFETS und einem Relais bestückt. Das potentialfreie Relais wird später die 230V Wasserpumpe ein- und ausschalten. Die MOSFETS liefern schaltbare 12V für die Magnetventile und sind gegen Induktive Lasten (Spule des Relais) gesichert worden. Da ich keine Logic-Level MOSFETS hier hatte, die bereits ab 3.3V voll durchschalten, habe ich den MOSFETS eine Transistor-Vorstufe mit BC 547 spendiert, die das Gate mit 12 V versorgen, statt mit 3.3 V.

Software

Um möglichst wenig Software schreiben zu müssen, habe ich das Betriebssystem ChibiOS mit HAL verwendet, dass bereits auf meinem Quadrocopter läuft. So musste ich wirklich nur noch die Schaltlogik programmieren.

Ein Thread der Software fragt zyklisch den Seriellen Buffer ab und wartet auf ein Return Zeichen. Nach erfolgreichem Empfang von Return wird der gesamte Buffer geparst und mit den vordefinierten Befehlen verglichen. Wurde ein Befehl erkannt, wird dieser Abgearbeitet und der Buffer geleert. Ansonsten wird ein Fehler gesendet und der Buffer wird ebefalls wieder geleert.

So konnte ich innerhalb weniger Stunden eine Terminal-Kommunikation zwischen dem Board und dem PC aufbauen. Bestechender vorteil ist, dass ich auf dem PC nur ein Terminal-Client Programm benötige. So kann ich auch vom Handy oder vom Tablet auf die Steuerung zugreifen.

Die Firmware erlaubt mir nun das Senden folgender Befehle:

list Listet alle "Gießzeiten" auf (max. 10)
add x HH:MM Fügt eine Gießzeit an Stelle x hinzu oder überschreibt diese.
rem x Löscht die Gießzeit an Stelle x.
sett HH:MM Stellt die Zeit des RTC ein.
stat Gibt den aktuellen Status der Relais, MOSFETS und die RTC Zeit aus.
tr1 Toggelt das Relais 1
tm1 Toggelt den MOSFET 1
tm2 Toggelt den MOSFET 2
setd Set Duration: Setzt die Dauer der Gießzeiten (wie lang die Pumpe aktiv ist).


Mehr Befehle benötige ich nicht, um alle Einstellungen nun auch von der Ferne aus vornehmen zu können. Später kann man diese Befehle noch um Statusbefehle von Sensoren usw. erweitern.

Ein weiterer Thread vergleicht 1x pro Sekunde ein das Array mit Gießzeiten mit der aktuellen RTC Zeit des Controllers. Sobald der Vergleich Positiv ist (es also Zeit zu gießen wird), schalte ich die Relais und Ventile in die Richtige Position um das Gießen zu beginnen. Nun warte ich die voreingestellte Dauer in einem Warte-Thread, bevor ich die Ventile und das Relais wieder zurückstelle.

Dank des Betriebssystems umfasst der Code nur wenige hundert Zeilen und die Software war an 2 Abenden fertig geschrieben. Nach einigen Tests auf dem Labortisch war schon alles fertig.

Anzucht

Verschiedene Chili Sämlinge unter Pflanzenlampe mit Heizung.

Zur Anzucht der Sämlinge im Februar benötigt man Pflanzenlicht, da es in dieser Jahreszeit auch am Fenster noch zu dunkel für die Kleinen ist. Ein normales Pflanzenlicht ist zwar sehr unkompliziert und einfach, jedoch nicht besonders sparsam. Daher entschied ich mich, auf die neumodischen LED-Pflanzenlampen zu setzen. Diese strahlen nur das Licht ab, welches die Pflanzen auch verarbeiten. Auf diese Weise und weil LEDs sowieso etwas besser vom Wirkungsgrad sind, spart man Energie.

Nach einer umfangreichen Suche im Netz ist mir aufgefallen, dass man erstmal ganz schön tief in den Geldbeutel greifen muss, bevor man Energie sparen kann :-D. Nicht besonders wirtschaftlich also. Nach einem Blick in Ebay habe ich gesehen, dass man High-Power LEDs in allen Farbspektren günstig direkt aus Hong Kong bekommt. Also wird hier halt auch selbst gebaut.

Auf Wikipedia unter Spektrale Eigenschaften von Chlorophylle findet man die spektralen Eigenschaften des Chlorophylles. Ich entschied mich also die hälfte der LEDs in der Wellenlänge 450 nm (UV/blau) und die andere Hälfte in der Wellenlänge 650 nm (tief rot) zu bestellen. Mit ein paar LED Stromquellen, die ich noch rumliegen hatte, wurden die LEDs zu einem Array verschaltet und mit einer einfachen, mechanischen Zeituhr im Handumdrehen zur Pflanzenlampe zusammengebaut. Mit etwas dünnem Holz habe ich das Ganze noch eingefasst und fertig war die selbstgebaute Pflanzenlampe. Kostenpunkt LEDs: 35 Euro, Holz 3 Euro, Zeitschaltuhr 2,50 aus dem Wühlfach im Baumarkt.

Die Mischung aus den beiden Farben gibt eine bizarre Mischung, die alles in ein seltsames Licht taucht. Auf dem Foto bekommt man eine grobe Ahnung davon, was ich meine. Jedenfalls hat es (wie auch auf dem Foto zu sehen) den Sämlingen und später den Keimlingen sehr gefallen und sie entwickelten sich prächtig unter dem Licht.

Mechanik

Magnetventil (NO) zum schließen der Drainage beim Bewässern.

Um den Gießvorgang zu steuern, habe ich zwei Magnetventile vorgesehen. Ein NO (normaly open) Ventil, dass Regenwasser ableiten soll, solange nicht gegossen wird. Ein NC (normaly closed) nach der Wasserpumpe um das Regenwasser nicht zurück fließen zu lassen in den Tank und um das Wasser ein paar Minuten zu stauen, nachdem es eingepumpt wurde.

Die Pumpe habe ich von der Durchflussmenge so gewählt, dass der Tank in ca. 10 Minuten voll laufen sollte. Mit entsprechenden Gewinde-Adaptern habe ich alles an meinem oberen Holzkasten angeflanscht.

Während der ersten Tests stellen sich jedoch leider einige unschöne Dinge heraus, die ich nicht bedacht hatte. Das NO Magnetventil lässt im geöffneten Zustand erst ab 0,1 Bar Druck (gemeint ist der Differenzdruck) das Wasser hindurch. Bei einer Stauhöhe von ca. 10 cm im Tank bekomme ich nur einen Druck von max. 0,01 Bar. Es stellte sich heraus, dass nicht ein Tropfen Wasser das NO Ventil passiert um ggf. aufgestautes Regenwasser abzuleiten.

Des weiteren ging ich davon aus, dass die Teichpumpe nach dem Abschalten das Wasser zurück in den Tank fließen lässt. Dass diese also nicht "dicht" ist, wenn sie ausgeschaltet ist. Es stellte sich jedoch heraus, dass durch die ausgeschaltete Pumpe so gut wie gar kein Wasser zurück in den Tank läuft. Es fehlte also noch an einem Ablauf.

Ventile, die ab 0 Bar Differenzdruck Wasser fließen lassen, kosten weit über 100 Euro das Stück! Das würde natürlich meinen ganzen Kostenplan zerstören, an dem ich bis jetzt so schön gespart habe. Nach einiger Zeit überlegen habe ich die Probleme folgendermaßen gelöst:

Es gibt einen dauerhaften Abfluss. Ein kleines Loch zurück in den Tank lässt das Wasser dauerhaft abfließen. Die Lochgröße wurde so berrechnet, dass die Durchflussmenge bei voller Staumenge die Hälfte des Durchsatzes der Wasserpumpe entspricht. So schafft es die Pumpe auf jeden Fall, das Becken voll zu Pumpen (nur eben erst nach längerer Zeit) und es läuft nach dem Abschalten von ganz alleine wieder ab.

Da es nun einen dauerhaften Abfluss gibt, kann das Regenwasser nicht mehr abgeleitet werden. Ich hab mich schweren Herzens dazu entschlossen das trotzdem so zu lassen. Jetzt fließt das Regenwasser in den Tank zurück. Eine Bohrung im Wasserstands-Schlauch sorgt dafür, dass das Becken nicht überlaufen kann, sollte es je so viel Regnen. Problem ist naütrlich, dass jetzt die Nährlösung verwässert wird, wenn es viel regnet. Dies muss ich nun 1-2 mal die Woche kontrollieren, wenn es viel regnet.

Pflanz-Box

Erster Holzwinkel für den Pflanzenbehälter(Oberteil).
Grundgerüst für Unterteil (Tank, Aufbewahrung, Elektronik).
Fertig vertäfeltes Unterteil, mit ausgeschnittener Tür. Oberteil provisorisch aufgesetzt und zum Teil gestrichen.
Wasser Zulauf mit Gardena-Schlauchanschluss, Ablauf mit Kugelventil und Wasserstandsanzeiger in Schlauch mit Überlaufschutz.
Feriger, frisch bepflanzter Kasten.
Fertiger, frisch bepflanzter Kasten aus anderem Winkel.

Um die Pflanzen aufzunehmen, habe ich mir eine Holzkonstruktion überlegt. Die Idee war, die Pflanzen auf Hüfthöhe zu bringen, damit man leichter daran arbeiten kann. Der Platz unter den Pflanzen kann als Ablage/Stauraum verwendet werden, bzw. als Wassertank dienen.

Der obere Teil sollte so gut wie möglich abnehmbar und zerlegbar sein, dass man die Pflanzen leicht austauschen kann, der untere Teil sollte durch eine Tür erreichbar bleiben, damit das Oberteil nicht ständig abgenommen werden muss. Ich entschied mich dazu erst ein stabiles Holzgerippe zu bauen, dass ich später mit Nut- und Feder-Profilholz verkleiden werde. Der obere Teil wird aus Leimholzplatten gesägt. Leider bekam ich gelinde gesagt einen Schock, was Holz im Baumarkt kosten soll, dass für den Außenbereich geeignet ist. Da ich nicht wusste, ob alles wirklich so klappt, wie ich es mir vorgestellt habe, entschied ich mich für das günstigste Holz, das es gab... Fichtenholz. Dieses ist natürlich gar nicht für den Außenbereich geeignet und muss unbedingt lasiert werden.

Ergebnis