DIY:HomeGarden

Aus Tatendrang
Wechseln zu: Navigation, Suche
HomeGarden Logo
Herzlich Willkommen auf der Wiki-Seite zum HomeGarden Projekt. Wenn du dich für Biologie und Pflanzenanbau interessierst, bist du bei uns genau richtig! Unser Ziel ist es durch das Prinzip der "Deep Water Cultivation" eine kostengünstige und effiziente Möglichkeit zu schaffen, Pflanzen zu züchten.

Konzept

Deep Water Cultivation

Wir wollen eine vollautomatische Box bauen, mit der man effizient zu Hause ertragreiche Pflanzen schnell und bequem züchten kann.

Dafür benutzen wir das Konzept der "Deep Water Cultivation", weil dieses am einfachsten umzusetzen ist. Grob gesagt wurzeln die Pflanzen nicht in Erde, sondern in einem Wasserbecken, welches der Pflanze gezielt Nährstoffe und Sauerstoff über ein System aus verschiedenen Pumpen zuführt. Dafür wachsen die Pflanzen über dem Behälter in Gitternetztöpfen, sodass die Wurzeln mit dem Substrat in Berührung kommen können. Diese Anbaumethode ergibt sehr große und schnelle Ernten.

Da die Box ein abgeschlossenes System sein soll, benötigen wir zudem neben Pumpen, Sensoren und Regelelementen auch Lichtquellen und ein Kühlsystem. Im folgenden werden die Bauteile aufgelistet, die wir in unserer Box eingebaut haben.

Bauteile

Beleuchtung

10x3 Watt LEDs

Wir haben uns für ein Paket aus zehn 3 Watt LEDs[1] entschieden, die das von uns gewählte Lichtspektrum umfassen, damit wir das Licht optimal an die jeweilige Pflanzenart anpassen können. Zur Regelung verwenden wir Relais, die wir am Arduino anschließen. Damit alles wie geplant funktionieren kann müssen wir noch das von den jeweiligen Pflanzen benötigte Lichtspektrum bestimmen. Die LEDs wollen wir im Kühlkörper einbauen.

Wir haben die LEDs an den Kühlkörper geklebt und diese Konstruktion oben in die Kiste gehangen. Alternativ hätte man sie auch mit Wärmeleitpaste/-tape oder mit einem Gerüst aus dem 3D-Drucker an dem Kühlkörper befestigen können.

Wir hatten noch überlegt die LEDs höhenverstellbar zu machen. Dafür war entweder ein einfaches mechanisches oder ein automatisiertes System angesetzt. Aufgrund des Zeitdrucks haben wir es nicht geschafft das umzusetzen.
Aluminium Kühlrippe 30 Watt

Kühlkörper

Bei der Wahl des Kühlkörpers[2] haben wir hauptsächlich darauf geachtet, dass er klein genug ist um in die Kiste am Ende hineinzupassen, aber gleichzeitig die Leistungsfähigkeit nicht unter der Größe leidet. Wir haben ein Modell für 30 Watt gewählt, weil die Spannungsanforderung mit der der zehn 3 Watt LEDs übereinstimmt.
pH-Sensor

pH-Sensor

Mit 64,99 € ist die H101-1 pH-Elektrode[3] das so ziemlich teuerste Stück Hardware der Box. Das liegt daran, dass alle preiswerteren Sensoren eine gezielte Wasserprobe brauchen und somit unheimlich schwer zu automatisieren sind. Im Gegensatz dazu, kann unser Sensor einfach die ganze Zeit im Wasser verweilen und kontinuierlich Messdaten senden, die auf etwa eine Kommastelle genau sind. Diese Daten werden über eine, über drei Pins verbundene, Schnittstelle direkt an den Arduino weitergeleitet.

Dosierpumpen

Peristaltikpumpen

Zur Versorgung mit der Nährstofflösung und den pH-Kontrolllösungen innerhalb des Plastik-Behälters haben wir vier kleine Peristaltikpumpen[4] verwendet. Der Vorteil an diesen ist, dass sie sehr langsam und genau laufen. Das ermöglicht es uns, die konzentrierte Nährlösung millilitergenau zu dosieren. Im Gegensatz zu Schaufelpumpen besteht zusätzlich eine wesentlich geringere Gefahr für Verstopfungen, weil die Flüssigkeit durch die Pumpen gepresst wird und nicht geschaufelt. Gesteuert werden die Dosierpumpen über das Relais.

Luftpumpe

Aquarium Pumpe
Datei:Blubbern.mp4
Beschreibung
In dem Wasserbehälter sind die Wurzeln dauerhaft in die Nährlösung getaucht und werden mit Sauerstoff versorgt. Da die Wurzeln aber so nicht atmen können und absterben würden, läuft während des gesamten Wachstumsprozesses der Pflanzen eine Luftpumpe[5], welche Luft auf die Wurzeln pustet. Wichtig ist es dabei, die Luft gleichmäßig im Tank zu verteilen. Wir verwenden dafür eine ursprünglich für Aquarien gedachte Pumpe, die die Luft über vier, mit einer Nadel perforierte Schläuche verteilt. Dabei produziert unsere Pumpe 10l Luft pro Stunde und Liter Wasser. Alternativ kann man auch Blubbersteine verwenden, jedoch hätten sie uns zusätzlich gekostet.
Gitternetztöpfe

Gitternetztöpfe

Die Pflanzen lassen wir in Gitternetztöpfen[6] aus Plastik wachsen. Bei allen Metallen würde das Problem der Oxidation bestehen. (Perlit?)

Ventilation

Für die Luftzirkulation verwenden wir zwei verschiedene Lüfter. Als primärer Lüfter fungiert der Schneckenlüfter (s. rechts), da er eine hohe Leistung bei geringer Drehzahl hervorbringt und entsprechend leise ist. Der CPU Lüfter dient nicht der Ventilation innerhalb der gesamten Box, sondern leitet die Luft direkt auf die Pflanzen, damit sie stabil wachsen.

Stromversorgung

Netzteil

Um den Arduino und den RasPi mit Strom zu versorgen, benu/tzen wir einen altes Computer Netzteil. Je nach Art und Stromverbrauch der technischen Komponenten muss dieser anders gewählt werden. Da viele Komponenten mehr Strom brauchen als ein Arduino zur Vergfügung stellen kann, schalten wir zum Ausgleich Relais zwischen.

Behälter

Behälter

Wir haben eine Polypropylen-Kiste[7] mit einem Volumen von 23 Litern ausgewählt, weil sie weiß, lichtundurchlässig und lebensmittelecht ist. Polypropylen war darüber hinaus billiger als Polyethylen und erfüllt denselben Zweck.

Holzbox

Der Aufbau der Holzbox hat sich erst im Laufe des Bauprozesses so richtig herauskristallisiert. Das Hauptgerüst besteht aus insgesamt vier langen und acht kurzen Holzstäben, die miteinander verbunden wurden. Dabei bilden die 4 langen Stäbe die Hauptpfeiler zwischen die oben und unten jeweils 4 kleine Stäbe angebracht werden. Oben und unten wurde noch eine Platte befestigt und das ganze Konstrukt auf vier Rollen gesetzt. Innerhalb der Kiste befindet sich noch eine Trennwand, die den vorderen Raum mit dem Plastikbehälter und den Ventilatoren von dem hinteren Bereich mit den Lösungen abtrennt. Damit in den hinteren Bereich mehr reinpasst, haben wir ihn in zwei Etagen unterteilt. Drei der Außenwände sind mit dünnen Holzplatten verkleidet und die vierte wird mit einer magnetischen Holztür verschlossen. Um alles im vorderen Berech luft- und wasserdicht zu machen haben wir jegliche Fugen mit Silikon gefüllt und die Tür rundherum mit Schaumdichtung umklebt. 

Link zum 3D-Modell: https://sketchfab.com/models/10e251d448c24d27a4e5b4688da4f908


IT

Zur präzisen Steuerung der vielen Bauelemente innerhalb der Box benutzen wir eine Kombination aus einem Wireless Raspberry Pi und einem Arduino Mega. Der Arduino sammelt die Daten von den Sensoren (z.B. dem pH-Sensor) und überträgt sie an den Raspberry Pi. Dieser verfügt über einen Datensatz über die idealen Wachstumsbedingungen der angebauten Pflanzen und sendet dem Arduino ein an die Messwerte angepasstes Protokoll zur Wachstumsoptimierung zurück. Dies geschieht in geregelten Abständen, sodass die Einstellungen im Arduino immer auf dem neuesten Stand bleiben. Der Vorteil zwei verschiedene Steuerungselemente einzubauen ist, dass, wenn der RasPi aus irgendeinem Grund ausfallen sollte, die Box nach wie vor funktioniert, weil sich der Arduino einfach an das letzte übermittelte Protokoll des RasPis hält. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit zu einem späteren Zeitpunkt, wenn wir mehrere Boxen gebaut haben, einen einzigen RasPi (der dann in keiner der Boxen fest verbaut ist) zur simultanen Steuerung mehrerer Arduinos zu verwenden.

Gesamtkosten und Ausblick

Durch den teuren pH Sensor und die weiteren neu gekauften Geräte dürften die Gesamtkosten für das gesamte Projekt ca. 150€ umfassen. Wenn man in betracht zieht, dass wir den Arduino und RasPi schon hatten und auch die Materialien zum Bauen der Holzkiste uns gestellt wurden könnten bei anderen Gruppen höhere Kosten entstehen. 

Insgesamt funktioniert aber der Aufbau so wie er geschildert ist und lohnt sich rein preislich auch bei höhereren Kosten mehr als die kommerziell verfügbaren Versionen einer Hydroponik-Anlage.

Wir hatten als Weiterentwicklung des Projekts auch überlegt, eine App zu programmieren, mit der man von überall aus auf seine Hydroponik Anlage zugreifen und z.B. den Wachstumsstatus seiner Pflanzen nachschauen oder spezielle Komponenten regeln kann.

Eine Demo-Version des App-Designs: https://xd.adobe.com/view/a4d9e840-c56a-4c0c-8644-e6b6f1555ee5  

Kaufliste

  1. LEDs, AliExpress, 5 Euro:
  2. Kühlkörper, Amazon, 14 Euro:
  3. pH-Sensor, AliExpress, 64,99€
  4. Peristaltikpumpe, AliExpress, 7 Euro:
  5. Aquarium Pumpe, eBay, ca. 14 Euro: https://www.ebay.de/itm/OSAGA-Belufter-MK-Serie-regelbar-Teich-Aquarium-Luftpumpe-Membranpumpe-Pumpe-/311778060438?var=&clk_rvr_id=1429256623108&utm_medium=cpc&utm_source=twenga&utm_campaign=twenga&utm_param=eyJlcyI6MCwicyI6NTMzODY0NywiY2kiOiIwNDNiZDViNzRlM2E3OWRhNmI4Nzg4NDMzMDYwNDE5MyIsImkiOiIzMTE3NzgwNjA0MzgiLCJ0cyI6MTUxNzQxMTAxMCwidiI6Mywic28iOjE1MDAsImMiOjEwMDM1MX0%3D&rmvSB=true
  6. Gitternetztopf, Amazon, 6 Euro:
  7. Polypropylen-Behälter, ..., 11 Euro: