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“Green Garden Project”

 Vor einem Jahr habe ich meinen Garten komplett umgestaltet und erneuert. Es ist eine neue Spielfläche für meine Kinder entstanden, dabei genoss ich auch den schönen Ausblick auf meinen neuen grünen Rasen. Mit der Gartenpumpe (Tauchpumpe) wurde der Rasen bis heute auf die übliche Weise, über einen langgezogenen Schlauch mittels eines Rasensprengers bewässert. Oft wurde der Schlauch über die Tage auf dem Rasen liegen gelassen und hinterließ sehr unschöne gelbe Streifen. Dabei kam ich auf eine Idee den Rasen mit meiner Gartenpumpe automatisch bewässern zu lassen. Ich muss zugeben, dass der Markt heutzutage schon fertige Lösungen anbietet. Da ich aber vieles gerne selbst in eigene Hände nehme, entschloss mich schnell ein an meinen Garten angepasstes System zu entwickeln.

  Der erste Gedanke war, die Rasenfeuchtigkeit zu messen und anhand der ausgewerteten Daten, die Gartenpumpe einzuschalten. Die kapazitiven Bodenfeuchtesensoren haben einen Nachteil, dass die Messkontakte nicht säureresistent sind, und darauffolgend in kurzer Zeit sich zersetzen und somit unbrauchbare Messergebnisse liefern. Nach einer Internetrecherche fiel die Auswahl auf einen Bodenfeuchtesensor des Herstellers Vegetronix aus den USA. Der Vegetronix VH400 hat folgende Merkmale:

hohe Genauigkeit

Langlebigkeit (kann noch nicht bestätigt werden, da der Sensor erst verbaut wurde)

salzresistent

sehr hohe Temperaturbandbreite (-40°C bis +85°C)

sehr geringe Leistungsaufnahme (<7mA)

 Der Preis von 68,97€ ist aus meiner Sicht ist zu hoch angesetzt, aber dürfte man nicht die Mehrwertsteuer und die Zollgebühren nicht außer Acht lassen. Mittlerweile vertreiben  deutschlandweit einige Distributoren (z.B. dvs-beregnung.de) den, unter dem Volk bereits sehr beliebten Bodenfeuchtesensor.

Bildquelle: dvs-beregnung.de

Anschlüsse:

- Rot:                    Spannungsversorgung  3,3-20V DC

- Schwarz:           GND

- Blank:                Analog OUT

Der Sensor liefert je nach Abhängigkeit des Wassergehalts eine Ausgangsspannung von etwa 0V bis 3V. Den Wert von 0V konnte ich nie erreichen, da in der Luft eine Restfeuchtigkeit immer vorhanden ist.

  Auf der Homepage des Herstellers sind einige interessante Messkurven hinterlegt.

                                       Grafikquelle: vegetronix.com

Im Verlauf der Bodenfeuchtigkeit mit einem 200g-befüllten Substrat eines Pflanzgefäßes, lässt sich gut erkennen, dass der prozentuelle Wasseranteil (VWC-volume water coefficient) ab einem Wert von etwa 10% proportional zur Spannung V-OUT ansteigt. Dies ist auch eine gute Voraussetzung für die Verwendung des Sensors.

 Nach dem der Sensor von mir getestet wurde, stellte ich zuerst einen Plan auf, wie das ganze Bewässerungssystem funktionieren soll.

Die Pumpe soll nicht nur für den Rasen aktiv sein, sondern bei Bedarf auch über den externen Wasserhahn mir Wasser spendieren können. Das heißt, dass die Rasenbewässerung vom externen Wasserhahn getrennt werden muss, für den Fall, wenn die Pumpe Wasser liefert, aber der Rasen dabei nicht gesprengt werden soll. Ein Magnetventil Hunter PGV-101G übernimmt jetzt diese Aufgabe. 

Bildquelle: dvs-beregnung.de 

 Der nächste Schritt war die Bewässerungszeit zu definieren. Im Sommer in der prallen Sonne den Rasen zu sprengen, ist keine gute Idee. In erster Linie, weil die auf den Rasen fallenden Tropfen, wie kleine Konvexlinsen (Sammellinsen) die Lichtstrahlen bündeln und somit den Rasen ausbrennen lassen. Außerdem verdunstet das Wasser bei hohen Temperaturen sehr schnell, was die Sprengung dann unwirtschaftlich macht.  Somit habe ich die Rasenbewässerung zwischen 9:00-11:00 Uhr und 21:00-23:00 Uhr festgelegt. Diese Zeit ist im späteren Sourcecode beliebig veränderbar.

Als Nächstes war eine manuelle Steuerung einzubauen, mit der die Pumpe samt Magnetventil drei Zustände beherrscht:

1.  Auto:                       automatische Überwachung und Sprengung des

                                      Rasens

2.  Pausenschalter:    die Steuerung soll die Pumpe auf Standby schalten

3.  Pumpe AN:             die Steuerung soll die Pumpe einschalten 

  Diese drei Zustände erlauben mir alle möglichen Situationen durchzuspielen. Zum Beispiel, wenn der Rasen gemäht wird, oder die Kinder drauf spielen, wird der Schalter auf „Pause“ gestellt. Die Stellung „AN“ erlaubt mir den Rasen jederzeit unabhängig vom Wert des Bodenfeuchtesensors zu sprengen, z.B. sofort nach dem Düngen. Die Stellung „Auto“ setzt die komplette Steuerung auf Automatik und ist gleichzeitig die Hauptstellung des Schalters. Der über amazon bestellte Knebelschalter bietet mir all diese „3“ Stellungen an. Das Gehäuse ist spritzwassergeschützt und erfüllt seinen Zweck vollkommen. Der Preis liegt bei etwa 15 €.

Bildquelle: amazon

  Nachdem die Rahmenbedingungen festgelegt waren, betrat ich die Welt des „Arduino“ zugegeben, zum ersten Mal. Ich habe zum Kennenlernen einen Arduino UNO bestellt und dann auch diesen verwendet. Für die nachfolgende Schaltung wird möglicherweise ein Arduino Nano oder Mikro ausreichen (habe diese nicht im Besitz und konnte somit keine Verwendbarkeit überprüfen). Dieses Board bietet die Möglichkeit den Spannungswert des VH400 für die weitere Auswertung am analogen Eingang einzulesen. Außerdem liefert es an zwei unterschiedlichen Ausgängen +3,3V und 5V Spannungen, die ich später als die möglichen Zustände für meinen Knebelschalter verwendet habe.

                 Bildquelle: arduino.cc

  Da das Magnetventil eine Wechselspannung von 24V benötigt und mein Arduino keine Wechselspannung liefert, verwendete ich somit ein Stecker Netzteil 230VAC/24VAC, welches in jedem Baumarkt zu finden ist und oft für die Spannungsversorgung der Weihnachtsbaumlichterketten verwendet wird. Dieses Netzteil soll über das Arduino-Board geschaltet werden. Dazu verwende ich ein auch für Testzwecke erworbenes 4 x Kanal Relaismodul. Davon werden zwei Kanäle, IN1 & IN2 verwendet (mit der Option auf eine mögliche Steuerungserweiterung, z.B. Sonne AN/AUS J), also es würde erstmal ein 2x Kanal Modul ausreichen. 

      Bildquelle: Amazon

Die Spannungsversorgung  der Pumpe von 230V wollte ich nicht über das Relais schalten lassen, da bei den Relaiskontakten bei einem hohen Strom durch die Gasionisation temperaturhohe Schaltlichtbögen entstehen und die Relaiskontakte thermisch zerstören können. Außerdem wird durch die Verwendung eines Halbleiterrelais (Solid State Relais) eine Trennung zwischen der Netz- und Steuerspannung realisiert. Eingangsseitig wird das SSR über das Relaismodul mit einer Steuerspannung von 12VDC (externes 12VDC Netzteil) geschaltet.   

      Bildquelle: Amazon 

Kehren wir einmal zur Zeitsteuerung zurück! 

  Eine Möglichkeit ist es, den Zeitstempel direkt aus dem Arduino abzufragen, indem man eine Zeitschleife einbaut (setTime(hr,min,sec,day,month,yr);), aber diese Lösung ist gerade nicht die Beste. Für die Jahreszeiten, an denen der Rasen nicht gesprengt werden soll, wird die Einheit vom Strom getrennt, würde aber mit sich ein Problem für die Zeitfunktion bringen. Die Zeitschleife wird dadurch unterbrochen, und müsste somit jedes Jahr beim erneuten Einschalten neu gesetzt werden. Als Abhilfe habe ich ein RTC-Modul DS1307 bestellt und miteingebaut. 

             Bildquelle:Amazon            

Dieses Modul erlaubt mittels eines eingebauten Quarzes über die 3V-Knopfzelle den Zeitstempel stromlos über lange Zeit laufen zu lassen. Somit ist gewährleistet, dass beim nächsten Einschalten, der Zeitstempel nicht neu gesetzt werden muss (vorausgesetzt: die Batterie ist geladen). 

 Somit wäre die Steuereinheit samt aller Spannungsversorgungen realisiert. Nachfolgend ist die Verdrahtung im Schaltbild veranschaulicht. Auf die einzelnen Signal-LEDs des Gehäuses, die für die Steuerüberwachung eingesetzt wurden, gehe ich hier nicht explizit ein, da diese selbsterklärend sind. (Die LED3-Blau wurde an der Diode D1 des Relais-Moduls angeschlossen)

                              Schaltplan_Green Garden Projekt

Programmcode

 Die Programmierung der Steuerung entnahm mir die meiste Zeit, diese fand ich aber auch sehr interessant. Den Ansatz zum Einlesen des Bodenfeuchtesensors habe ich von Michael Ewald genommen (https://gist.github.com/lx-88/413b48ced6b79300ea76)

Das Setzen und anschließende Einlesen des Zeitstempels wurde  mit freundlicher Unterstützung von Matthias Busse zur Verfügung gestellt (http://shelvin.de/die-uhrzeit-des-rtc3231-modul-vom-arduino-auslesen/)

Somit habe ich meine Steuerung mit den beiden codes erweitert. An den seriellen Monitor der Arduino Software werden die Sensorwerte prozentual, in Form eines Spannungswertes und die aktuelle Zeit übergeben. Damit ist es möglich den aktuellen Sensorwert nahezu verzögerungsfrei zu überwachen und die Daten für eine Auswertung der relativen Bodenfeuchte über einen größeren Zeitraum zu speichern.

Im folgenden Link ist der Programmcode zu finden: 

https://gist.github.com/jurijsegal/a2d4e9bd3f64f4e0d5b8b19552eebcfd

„Das Künstliche“

Die Auswahl von Sprühdüsen fiel auf die Hunter 17A. Diese Düse hat für mich drei Vorteile:

Wurfweite einstellbar bis 5,5m

Sprühwinkel einstellbar 0°-360°

3-fach höherer Niederschlagswert 37mm/h im Vergleich zu den wassersparsameren Düsen

Sprühdüsengehäuse HUNTER Pros 04

Es sieht nicht nur einfach gut aus, hat sondern auch beim Rasenmähen eine schützende Funktion, wenn die Düse vom Wasserdruck aus- und eingefahren wird.

                Grafik: Berechnung und Aufteilung der Düsen

Die Position des Sensors soll in Abhängigkeit von Sonneneinstrahlung, Schattens und Bewässerungsgleichmäßigkeit gewählt werden, somit wurde der VH400 in der Mitte der Rasenfläche in der vertikalen Position auf die Länge des Sensors eingesteckt.  

Nach einer viertägigen Umbaumaßnahme habe ich die Bewässerungsanlage in den Betrieb genommen. Durch die andauernden Regentage konnte ich in den letzten Tagen die Sensorgrenzwerte noch nicht richtig einstellen. Vielleicht kommt der Sommer noch dieses Jahr zurück.

Beim Bewässern ist es grundsätzlich wichtig, dass das Wasser mindestens 15 cm tief in den Boden eindringt, damit der Boden für die kommenden Tage ausreichend Wasser speichern kann.