LeafySan - ein vollautomatisiertes Gewächshaus gesteuert und überwacht durch einen FPGA-Chip. Dieses Projekt wurde im Zuge des bundesweiten Nachwuchswettbewerbes "Invent a Chip" im Jahr 2017 erstellt. Das Wettbewerbsprojekt wurde mit dem mit 2000€ dotierten Sonderpreis des Bundesministerium für Bildung und Forschung ausgezeichnet und kam bei den GreenTec Awards 2018 unter die TOP 10 in der Kategorie "Galileo Wissenspreis".
Mithilfe der Hardwarebeschreibungssprache VHDL und einem DE2-Board von Altera wurde das Auslesen der Sensoren und Steuern der Aktoren umgesetzt. Des Weiteren werden Sensordaten an einen Raspberry Pi gesendet, welcher diese Daten speichert. Die Daten können auf mobilen Geräten, wie Tablets oder Smartphones sowie Laptops, im Browser graphisch dargestellt werden.
FPGA Entwicklungsboard:
verwendete Sensoren:
- digitaler Helligkeitssensor (I²C)
- digitaler Feuchte-Sensor (I²C)
- analoger Temperatursensor (PT1000 Thermistor)
- CO2 Infrarot Sensor (0~5000 ppm)
verwendete Aktoren:
- Lüfter (12V, 40x40mm)
- Wasserpumpe
- 2x Heizung (12V, 12W, 77x110mm)
- 2x LED-Streifen (jeweils 25cm Länge)
- Creative Factory GmbH Großenhain
- Taupitz Laser- und Umformtechnik Großenhain
- Sebastian Fischer, MdL (CDU)
- Martin Eichler, Möbeltischler
Die Elektronik wurde auf einer Holzplatte mit Schrauben und Stelzen befestigt, damit bei einem Wasserleck nicht die sich auf dem Boden befindliche Elektronik beschädigt wird. Um die Funktionsweise der einzelnen Sensoren und Aktoren zu demonstrieren, wurde ein "Gewächshaus" angefertigt, das aus einem Aluminiumboden und einer Acrylglas-Haube besteht. Darin befindet sich Blumenerde, die von einem kleinen Schlauchsystem bewässert wird, sowie der Bodenfeuchte-Sensor, der die Feuchtigkeit des Boden nicht-kapazitiv misst. Außerdem wurde die Beleuchtung und Belüftungsmechanik (ein Elektromagnet öffnet/schließt eine Klappe, um den Gasaustausch mit der Außenluft zu ermöglichen) im Gewächshaus verbaut. Damit das Gewächshaus erwärmt werden kann, steht es auf einer Aluminiumplatte, welche durch zwei kleine 12V Heizplatten erwärmt werden kann.
Die noch notwendige Mess- und Steuerelektronik befindet sich auf einer Lochrasterplatine unterhalb des DE2-Boards, wo sich auch eine Relaiskarte mit vier steuerbaren Relais sowie der Mikrocomputer namens Raspberry Pi befinden.
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Damit das DE2-Entwicklerboard von Altera, sowie der Raspberry Pi 3 und die Aktoren mit ausreichend Strom versorgt werden, wurde ein altes ATX Computer-Netzteil modifiziert, um die Stromversorgung zu garantieren. Damit man die Versorgungsspannungen 3,3 V, 5 V und 12 V nutzen kann, musste jedoch die "Power Supply On" (Violett) Leitung mit Ground (Schwarz) verbunden werden, damit die 3,3 V (Orange), 5 V (Rot) und 12 V (Gelb) Schienen aktiv sind. Außerdem wurde ein 11W Leistungswiderstand mit 4,7 Ohm direkt innerhalb des Netzteilgehäuses fixiert und mit Ground und 5 V verbunden, damit eine Grundbelastung von ca. 1 A vorherrscht. Dies wird empfohlen, um das Netzteil richtig zu nutzen. Welche Kabelfarben des ATX-Formates wofür stehen, kann man hier einsehen.
Für folgende Komponenten wurden die benannten Versorgungsspannungen benötigt:
| 3,3 V | 5 V | 12 V |
|---|---|---|
| Temperatursensor | Raspberry Pi 3 | LED-Beleuchtung |
| Feuchte-Sensor | Relais | Belüftung (Lüfter + Elektromagnet) |
| Helligkeitssensor | CO2-Sensor | Bewässerungspumpe |
| Relaisansteuerung | Heizung |
Teilweise wurden die 3,3 V auch vom DE2-Board abgegriffen. Dieses wird wiederum vom Netzteil mit 12V betrieben.
Das DE2-Board sendet über USB die aktuellen Sensorwerte an den Raspberry Pi 3. Der Mikrocomputer speichert aller fünf Sekunden die Sensorwerte des aktuellen Tages in einer CSV-Datei. Somit dient der Raspberry Pi als "Archiv" der Standortbedingungen der Pflanze und soll dem Nutzer darüber Aufschluss geben. Damit man diese Werte einsehen kann und auch Archiv-Daten graphisch in einem Diagramm darstellen kann, wurde folgende Einstellungen an dem Raspberry Pi vorgenommen: link
An dieser Stelle großen Dank an Phil Martins Tutorial "Using your new Raspberry Pi 3 as a WiFi Access Point"
Nachdem der Pi als Access Point eingerichtet wurde, muss der Javascript Code des Servers mithilfe von NodeJS ausgeführt werden, damit das Frontend über den Pi erreichbar ist. Wenn alles richtig eingestellt und ausgeführt wurde, ist die Seite nach Verbinden mit dem Access Point des Pi's unter http://leafy.san aufrufbar. Mehr zur Umsetzung und zum Ausführen der Server Applikation
Das Design der Seite wurde auch für mobile Geräte, wie z. B. Tablets oder Smartphone jeglicher Bildschirmgrößen, optimiert. Diese Vorschaubilder wurden mithilfe von device.css erstellt.
Zusammenfassend kann man sagen, dass das Projekt in der Lage ist, eine Gewächshaus zu automatisieren und Pflanzen eine optimale Umgebung zu schaffen im Hinblick auf Wärme, Licht und Feuchte. In wie weit das Wachstum im Vergleich zu „normal“ angebauten Pflanzen aus dem Garten ist, konnte leider nicht getestet werden aufgrund der mangelnden Zeit. Außerdem ist der Stromverbrauch des Netzteiles noch zu hoch, als dass man langfristig das Projekt angeschaltet lassen könnte. Dieses Problem entsteht jedoch aufgrund des eher ungeeigneten Computer-Netzteils und kann problemlos durch effizientere Netzteile ersetzt werden.
Trotz Einbindung eines CO2-Sensors, welcher sehr aufwändig und teuer ist, sind die Projektkosten relativ gering ausgefallen, was positiv anzumerken ist. Außerdem ist auch die Ressourcennutzung innerhalb des FPGA äußerst gering, weshalb man bei einer Produktion einen deutlich kleineren Chip als der auf dem DE2-Board verbaute verwenden kann.