Die Pflanzengesundheit hängt von einer Vielzahl von äußeren Faktoren ab. Dazu gehören Licht, Temperatur, Feuchtigkeit des Bodens und pH-Werte. Pflanzen reagieren sowohl auf die Gesamtheit dieser verschiedenen Faktoren als auch auf bestimmte Kennwerte jedes einzelnen dieser Faktoren.

Eckdaten

Im professionellen Gartenbau optimieren Elektronikbauteile die Ernte. Um ein ausgeklügeltes System zu entwickeln, sind allerdings eine Vielzahl von Komponenten notwendig. Sensoren überprüfen etwa die Umgebungsbedingungen, wohingegen LEDs für die richtige Beleuchtung sorgen. Die Auswahl der richtigen Komponenten und Plattformen kann zeit- und kostenaufwendig sein. Mit einer Kombination aus Board- und Bausteinlösungen von Cypress, Sparkfun Electronics und Würth Elektronik und weiteren Komponenten lässt sich das reduzieren. Diese vereinfachen den Entwicklungsprozess und erlauben gleichzeitig die schnelle Entwicklung von ausgeklügelten Steuerungssystemen für Treibhäuser.

Heutzutage sind die im Handel verfügbaren Boards und spezielle Gartenbau-LEDs eine einfache Alternative. Mit Boards auf Grundlage des PSoC-Mikrocontrollers von Cypress Semiconductor, speziellen Gartenbau-LEDs von Würth Elektronik und einer Erweiterungskarte von Sparkfun Electronics lässt sich recht einfach ein ausgeklügeltes Automatisierungssystem für Gewächshäuser zusammenstellen. Die Erweiterungskarte bindet die für diese Systeme benötigten Sensoren und Aktoren ein.

Hochleistungsplattform als Basis

In die für eingebettete Anwendungen bestimmte PSoC-Produktfamilie von Mikrocontrollern von Cypress sind ein Arm-Cortex-M0- oder -Cortex-M3-Core sowie programmierbare Analogblöcke und als UDBs (Universelle Digitalblöcke) bezeichnete programmierbare Digitalblöcke integriert. Mithilfe der Peripherietreiber-Bibliothek (Peripheral Driver Library, PDL) lassen sich mit den UDBs eine Vielzahl von Funktionen implementieren. Ebenso ist es möglich, mit den als Smart-I/O bezeichneten programmierbaren I/O-Blöcken logische Operationen mit Signalen auszuführen, die über die GPIO-Pins laufen, auch wenn sich die Cores in einem stromsparenden Tiefschlaf befinden.

Der neueste PSoC-Baustein, der PSoC 6, erweitert die Produktfamilie um Dual-Core-Bausteine, die die Rechenleistung eines Cortex-M4-Core mit den Energiespareigenschaften eines Cortex-M0+-Core vereinigen. Neben dem 1 MB Flash-Speicher, den 288 kB SRAM und den 128 kB ROM der PSoC-62-Bausteine verfügen die PSoC-63-Bausteine über zusätzliche Fähigkeiten.

In den PSoC-63-Bausteinen ist ein komplettes Bluetooth-5.0-Subsystem einschließlich Hardware- und Verbindungs-Layern, Protokoll-Stack mit Zugriff über eine API auf den GATT- (General Attribute Profile) und den GAP-Dienst (Generic Access Profile) im Zentrum des Bluetooth-Protokolls integriert. Innerhalb jeder der Serien umfassen Bausteine wie der CY8C6347FMI-BLD53 dedizierte Hardware-Kryptobeschleuniger.

Zu den umfangreichen Fähigkeiten der PSoC-6-Mikrocontroller gehört die Unterstützung der Leistungsanforderungen einer neuen Klasse von komplexen Embedded-Anwendungen. Gleichzeitig sind die Bausteine aufgrund ihrer Energieeffizienz in der Lage, die für diese Anwendungsklasse typischen knappen Energiebudgets zu erfüllen. Mit seiner vom Benutzer einstellbaren Versorgungsspannung für den Core von 0,9 oder 1,1 V ist der Stromverbrauch des Mikrocontrollers PSoC 6 minimal. Er liegt bei 22 μA pro MHz für den Cortex-M4-Core und bei 15 μA/MHz für den Cortex-M0+-Core.

Hardwareerweiterungen integrieren

Grundlage des Sensorsystems ist das IoT-Add-on-Shield Pioneer von Digi-Key und Sparkfun.

Grundlage des Sensorsystems ist das IoT-Add-on-Shield Pioneer von Digi-Key und Sparkfun. Digi-Key

Die Verwendung der Pioneer-Boards von Cypress zur Entwicklung von Prozesssteuerungsanwendungen wird durch Erweiterungskarten erleichtert, die Sparkfun Electronics zusammen mit Digi-Key Electronics entwickelte. Das IoT-Add-on-Shield Pioneer ist ein Arduino-R3-kompatibles Shield mit Qwiic- und Xbee-kompatiblen Steckverbindungen. Die Erweiterungskarte (Add-on-Shield) wird in ein PSoC-Pioneer-Board eingesteckt und ermöglicht dann eine einfache Erweiterung des Boards durch Bausteine wie Sensoren zur Überwachung der Luft- und Bodenqualität in einem Gewächshaus.

Zur Überwachung der Umgebungsbedingungen in einem Gewächshaus kommen ein Qwiic-kompatibles Board wie das Environmental Combo Breakout-Board SEN-14348 von Sparkfun, Sensoren wie der BME280 von Bosch Sensortec und der CCS811 von AMS zum Sammeln von Daten für verschiedene Umgebungsvariablen zum Einsatz.

Die Überwachung des ph-Wertes durch Sensoren ist notwendig, da sich bereits kleine Veränderungen sich auf das Pflanzenwachstum auswirkt.

Die Überwachung des ph-Wertes durch Sensoren ist notwendig, da sich bereits kleine Veränderungen auf das Pflanzenwachstum auswirken. Digi-Key

Der BME280 von Bosch enthält einen Satz von digitalen Sensoren, die genaue Messungen von Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit liefern und bei einer Aktualisierungsfrequenz von 1 Hz nur 3,6 μA verbrauchen. Der CCS811 von AMS liefert Messungen von CO2-Äquivalenten und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC).

Gas-Sensoren wie der CCS811 müssen zur Durchführung von Messungen eine interne Heizplatte erwärmen, wodurch die Leistungsaufnahme entsprechend ansteigt und im Betriebsmodus 1 bei einer Versorgungsspannung von 1,8 V einen Wert von 26 mW erreicht. In diesem Modus ist die Aktualisierungsfrequenz mit 1 Hz am höchsten. Es lassen sich jedoch auch andere Aktualisierungsfrequenzen einstellen wie etwa den Modus 3, der eine Messung pro Minute durchführt und damit die Leistungsaufnahme auf 1,2 mW reduziert.

Das Combo-Board können Entwickler direkt mit einem Qwiic-Kabel mit der Erweiterungskarte verbinden, damit sie die Sensoren BME280 von Bosch und CCS811B von AMS mithilfe der Softwarebeispiele aus der Github-Repo von Sparkfun programmieren können.

Bodenqualität kontrollieren

Neben den Umgebungsbedingungen sind in einem Gewächshaus der pH-Wert und die Feuchtigkeit des Bodens für das Wachstum der Pflanzen entscheidend. Die Pflanzen benötigen einen Boden mit einem neutralen oder leicht sauren pH-Wert, aber der optimale pH-Bereich kann stark schwanken. Kartoffeln gedeihen beispielsweise in leicht sauren Böden mit einem pH-Wert von etwa 5,5 am besten, wogegen dieser Wert für Pflanzen wie Spinat, die leicht alkalische Böden bevorzugen, schädlich sein kann.

Mit dem Qwicc-Adapter DEV-14352 von Sparkfun lassen sich noch zusätzliche Komponenten in das System integrieren.

Mit dem Qwicc-Adapter DEV-14352 von Sparkfun lassen sich noch zusätzliche Komponenten in das System integrieren. Digi-Key

Auch können kleine Änderungen des pH-Werts, selbst innerhalb des optimalen Bereichs, die Verfügbarkeit von Nährstoffen zur Erhaltung des Wachstums unmittelbar beeinflussen.

Mit dem pH-Sensor-Kit SEN-10972 von Sparkfun Electronics lassen sich im Gewächshaussystem zusätzlich pH-Werte messen. Zum Kit gehören eine pH-Sonde, eine Schnittstellenkarte und Pufferlösungen zur Kalibrierung. Die Kommunikation mit dem PSoC-Mikrocontroller erfolgt über den Standard-UART-Ausgang auf dem pH-Board.

Zudem können Entwickler das pH-Sensorboard auch im I2C-Modus verwenden, indem sie es über den I2C-Qwiic-Adapter DEV-14495 von Sparkfun anschließen. Der Qwiic-Adapter von Sparkfun führt die I2C-Pins aus den Qwiic-Steckverbindern heraus und stellt Lötpunkte zur Verfügung, sodass sich vorhandene I2C-Bausteine einfach mit dem Qwiic-Steckverbindersystem nutzen lassen.

Die Messung der Feuchtigkeit des Bodens ist genauso einfach. Der Bodenfeuchtigkeits-Sensor SEN-13322 von Sparkfun führt zwei Pads heraus, die direkt im Boden als variabler Widerstand zwischen angelegter Spannung und Masse fungieren. Je höher die Feuchtigkeit ist, desto höher ist die Leitfähigkeit zwischen den Pads. Dies führt zu einem geringeren Widerstand und einer höheren Ausgangsspannung.

Würth Elektroniks Keramik-LEDs liefern eine Beleuchtung mit bestimmten Wellenlängen von dunkelblau bis hellrot.

Würth Elektroniks Keramik-LEDs liefern eine Beleuchtung mit bestimmten Wellenlängen von dunkelblau bis hellrot. Digi-Key

Für diesen Sensor kann der im PSoC-Mikrocontroller integrierte Digital-Analog-Wandler (DAC) als Spannungsquelle dienen, und ein Analog-Digital-Wandler mit SAR (Successive Approximation Register) digitalisiert den der Bodenfeuchtigkeit entsprechend. Außerdem können Entwickler die internen Operationsverstärker des Mikrocontrollers zum Puffern des DAC-Ausgangs und des ADC-Eingangs verwenden.

Mithilfe desselben Ansatzes lässt sich das Boden-Management des Systems ausweiten. Der PSoC-6-Mikrocontroller unterstützt beispielsweise mehrere Kanäle für den DAC-Eingang und für den ADC-Eingang, sodass es möglich ist, mehrere pH-Sensoren zu betreiben. Außerdem benötigen manche Anwendungen möglicherweise Messungen mit höherer Auflösung, für die eine Spannung jenseits der analogen Versorgungsspannung VDDA von maximal 3,6 V erforderlich ist. Für derartige Fälle besteht die Lösung darin, zusätzliche Operationsverstärker als Puffer und einen Spannungsregler einzusetzen.

Außer für die Messung der Feuchtigkeit des Bodens könnten ehrgeizige Entwickler diesen Ansatz zur automatischen Bewässerung mithilfe der GPIOs des PSoC und seiner Fähigkeit zur Pulsweitenmodulation (PWM) einsetzen und eine Wasserpumpe FIT0563 von DF-Robot mit einer Treiberkarte DRI0044-A von DF-Robot steuern. Für zusätzliche Komponenten wie diese könnten sie beispielsweise den Qwiic-Adapter DEV-14352 von Sparkfun verwenden. Dieser stellt Qwiic-Steckverbinder und einen großen Prototyping-Bereich zur Verfügung.

Da der Qwiic-Adapter mit dem Layout des Arduino-R3-Shields kompatibel ist, können Entwickler auch eigene Erweiterungen über die Anschlussklemmen zwischen dem Pioneer-Kit-Board und der IoT-Pioneer-Erweiterungskarte von Sparkfun einstecken.

Gewächshäuser mit LEDs beleuchten

Wie bereits erwähnt, hängt das gesunde Wachstum von Pflanzen von einer Beleuchtung mit bestimmten Wellenlängen ab. Die Fortschritte bei der LED-Beleuchtung haben zwar zu Lösungen für industrielle Beleuchtung, Fahrzeugscheinwerfer und mehr geführt, aber herkömmlichen LEDs fehlt das für die Photosynthese erforderliche spezifische Spektrum. Die Serie WL-SMDC von einfarbigen Keramik-LEDs von Würth Elektronik erfüllt den Bedarf für Beleuchtung mit bestimmten Wellenlängen von dunkelblau bis hellrot.

Aufgrund einer Dimm-Funktion sowie einer analogen Spannung sind nur wenige zusätzliche Komponenten möglich, um den LED-Treiber zu implementieren.

Aufgrund einer Dimm-Funktion sowie einer analogen Spannung sind nur wenige zusätzliche Komponenten möglich, um den LED-Treiber zu implementieren. Digi-Key

In Kombination liefert die Serie SL-SMDC Wellenlängen, die verschiedene Aspekte des Pflanzenwachstums abdecken: Zur Ansteuerung von LED-Strings gibt es verschiedene mögliche LED-Treiber wie etwa den Magi3C 171032401 von Würth oder den ALT80800 von Allegro Microsystems. Viele dieser Bausteine unterstützen eine Dimm-Funktion per PWM sowie eine analoge Spannung, sodass nur wenige zusätzliche Komponenten erforderlich sind, um den LED-Treiber zu implementieren.

Jedoch sollten Entwickler, wenn sie die Dimmfunktion planen, sehr plötzliche Änderungen der Beleuchtungsstärke vermeiden. Bei hohen PWM-Frequenzen reagiert die menschliche Pupille möglicherweise nur auf eine mittlere Lichtintensität, sodass schädliche Lichtimpulse auf die Netzhaut gelangen können. Durch den Einsatz von LED-Treibern mit konstanter Stromstärke wie dem ALT80800 Allegro lässt sich dieser Effekt abmildern.

Fazit

Für automatische Steuerungssysteme für Gewächshäuser waren früher industrielle Controller erforderlich, an die komplexe Beleuchtungssysteme, Sensoren und Aktoren angeschlossen waren. Wie oben ausgeführt, können Entwickler heute mithilfe von kostengünstigen Mikrocontroller-Boards und Erweiterungskarten kosteneffiziente Plattformen aufbauen, mit denen sich ein breites Spektrum von lieferbaren Sensoren und Aktoren betreiben lässt.

Zusammen mit dem IoT und der Verfügbarkeit von speziellen Gartenbau-LEDs stehen sämtliche Komponenten für die Umsetzung von ausgeklügelten Anwendungen zur Verfügung, mit denen viele der mit dem gesunden Wachstum und der Entwicklung von Pflanzen zusammenhängenden Faktoren per Fernbedienung überwacht und gesteuert werden können.