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Forschungsprojekt
„Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme“
Leitung des Projektes
• Projektleitung LLD Gerd Sander (LWG) Prof. Dr. Heike Mempel (HSWT)
• Projektbetreuung Dr. Michael Beck (HSWT) LOR Andreas Schmitt (AELF Fürth)
• Bearbeiter Dr. Harald Hackl (LWG) Feldversuche Knoblauchsland
Dipl.-Ing. (FH) Christoph Mühlmann (HSWT) Entwicklung der Benutzeroberfläche
Ausführende Institutionen
• Bayerische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau, Veitshöchheim
• Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Freising
• Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, Fürth
Beteiligte Institutionen und Firmen • Firma AgrarSystem GmbH
• Erzeugerring Knoblauchsland
• Wasserverband Knoblauchsland
• Gemüsebaubetrieb Jürgen Lösel
• Gemüsebaubetrieb Herbert Hofer
• Gemüsebaubetrieb Hans Brunner
Laufzeit des Projektes
01.11.2011 – 31.10.2013
Finanzierung durch:
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Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ................................................................................................................. 7
1.1 Gegenwärtiges und zukünftiges Bewässerungsmanagement ........................... 7
1.2 Stand der Technik ............................................................................................. 8
1.3 Gemüseanbaugebiet Knoblauchsland ............................................................ 11
1.4 Wasserverband Knoblauchsland .................................................................... 11
1.5 Freilandbewässerung im Knoblauchsland ....................................................... 12
2 Initiierung und Ziele des Projektes „Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme“ .................................................................. 14
2.1 Ziele des Forschungsprojektes ....................................................................... 14
3 Material, Methoden, Technik, Umsetzung ............................................................. 16
3.1 Entwickelte Technik ........................................................................................ 16
3.1.1 Funknetzwerk ........................................................................................... 16
3.2 Verwendete und angepasste Technik ............................................................. 22
3.2.1 Energieversorgung ................................................................................... 22
3.2.2 Ergänzende Bewässerungssteuerungskomponenten .............................. 24
3.3 Technische Umsetzung ................................................................................... 29
3.3.1 Vorgehensweise ....................................................................................... 29
3.3.2 Arbeitsprogramm der einzelnen Projektpartner und die Versuchsstandorte .......................................................................................................................... 29
4 Ergebnisse der Freiland- und Gewächshausversuche .......................................... 33
4.1 Feldversuchsphase 2012 ................................................................................ 33
4.1.1 Magnetventiltest ....................................................................................... 33
4.1.2 Funkreichweiten ....................................................................................... 33
4.1.3 Erkennung von Leckagen und Rohrbrüchen ............................................ 34
4.1.4 Systemüberwachung ................................................................................ 38
4.2 Gewächshausversuchsphase 2012/2013 ....................................................... 38
4.3 Feldversuchsphase 2013 ................................................................................ 39
4.3.1 Adaptierung der Software ......................................................................... 43
4.3.2 Adaptierung der Hardware ....................................................................... 49
5 Ausblick ................................................................................................................. 56
6 Zusammenfassung ................................................................................................ 58
3
Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: a) Rainbird Vor-Ort Steuercomputer WP 1; b) Wassermengenventil
Arad ............................................................................................................................ 8
Abbildung 2: Kabelgebundene iMETOS Bewässerungssteuerung ............................. 9
Abbildung 3: Gemüseanbaugebiet Knoblauchsland in der Mitte des Städte-Dreiecks
Nürnberg-Fürth-Erlangen.......................................................................................... 11
Abbildung 4: Beregnungswasserhochbehälter mit Pumpenhäuschen ...................... 12
Abbildung 5: Ebenen des Funknetzwerks ................................................................ 16
Abbildung 6: a) Geöffnete Basisstation mit Funk- und GPRS-Modul, Funk- und
GPRS-Antenne, Trizepsplatine und abgehende Anschlussmöglichkeiten für
Wasserzähler und Wettersensoren; b) Geschlossene Basisstation (LxBxH:
24x16x12) ................................................................................................................. 17
Abbildung 7: a) Geöffneter Funkknoten mit 4 Sensor- und 2 Aktor-
Anschlussmöglichkeiten, Energieversorgung und Funkantenne; b) Geschlossener
Funkknoten (LxBxH: 17x12x8) ................................................................................. 18
Abbildung 8: Energieversorgungsmöglichkeiten der Funkknoten a)
Batterieversorgung; b) Solarstromversorgung bestehend aus Solarmodul,
Lithiumionenakku und Laderegler; c) Kombinierte Energieversorgung des
Funkknotens mit Batterie oder Solar ........................................................................ 23
Abbildung 9: Magnetventiltypen a) Baccara; b) Dorot; c) RainBird; d) Bermad; e)
Aquanet Plus ............................................................................................................ 24
Abbildung 10: Kapazitive Sensoren a) 10HS; b) VH400 ........................................... 25
Abbildung 11: Bodenwasserspannungssensoren a) Watermark 200 SS-V; b)
Tensiometer mit CVR-Kopf; c) TensioMark .............................................................. 27
Abbildung 12: MTK-N - Mehrstrahlzähler ................................................................. 28
Abbildung 13: Wasserdrucksensoren a) CTE / CTU7000; b) EPT3100-01000-B-3-A
................................................................................................................................. 28
Abbildung 14: a) Vorversuchsfläche im Knoblauchsland bei Ronhof; b)
Versuchsflächen der drei Partnerbetriebe im Knoblauchsland ................................. 30
Abbildung 15: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus beim
Gemüsebaubetrieb Hans Brunner. Die Bewässerungssteuerungskomponenten bei
4
den Betrieben Jürgen Lösel und Herbert Hofer waren ähnlich angeordnet, jedoch
war nur jeweils nach einem Magnetventile ein Wasser ............................................ 31
Abbildung 16: Ergebnis des Funkreichweitentests am 31.5.2012 ............................ 33
Abbildung 17: Simulation von Leckagen auf der Vorversuchsfläche im
Knoblauchsland. a) Große Leckage; b) Mittelgroße Leckage; c) Kleine Leckage ... 34
Abbildung 18: Beregnungsmenge und Wasserdruck abhängig von der
Kreisregneranzahl ohne Leckage ............................................................................. 35
Abbildung 19: Beregnungsmenge abhängig vom Wasserdruck und der
Kreisregneranzahl ohne Leckage ............................................................................. 35
Abbildung 20: Beregnungsmenge und Wasserdruck bei großer und mittelgroßer
Leckage .................................................................................................................... 36
Abbildung 21: Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen anhand der
Beregnungsmenge ................................................................................................... 36
Abbildung 22: Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen anhand des
Wasserdrucks ........................................................................................................... 37
Abbildung 23: Gewächshausversuchsaufbau mit Funkknoten, die kabelgebunden mit
Magnetventilen und Tensiometern verbunden waren ............................................... 39
Abbildung 24: Basisstation mit nach außen geleiteter GPRS-Antenne,
Stromversorgung über Autobatterie .......................................................................... 40
Abbildung 25: Versuchsfeld des Betriebes Hans Brunner mit solarversorgten
Funkknoten und der auf dem Pumpenhäuschen stehenden Basisstation mit
verlängerter Funkantenne......................................................................................... 41
Abbildung 26: Software „PCFunkMonitor“ mit verschiedenen Einstellmöglichkeiten
und den angezeigten binären Code der Sende- und Empfangsmeldung ................. 45
Abbildung 27: Software „AmberTest“ mit der Möglichkeit bestimmte Funkknoten
anzusprechen und sich die Daten zu Bodenfeuchte, Magnetventilschaltungen und
Energiestatus der Funkknoten graphisch anzeigen zu lassen .................................. 46
Abbildung 28: Irrigation Manager .............................................................................. 47
Abbildung 29: Gravimetrischer Wassergehalt (Säulen) und Wasserspannungsverlauf
(Punkte mit Datenlinien) der digitalen Tensiometer an den Messpunkten 3, 5 und 7
im Boden mit Bewässerungsintervallen (blaue senkrechte Linien) ........................... 51
5
Abbildung 30: a) Funkknoten ohne Funkantennenverlängerung und Solarversorgung
auf ca. 1,5 m langem, und fixem Metallknotensteher; b) Funkknoten ohne
Funkantennenverlängerung und Solarversorgung auf kurzem, bodennahem und
fixem Metallknotensteher; c) und d) Funkknote ........................................................ 52
Abbildung 31: Funkknoten mit Funkantennenverlängerung auf kurzem
Kippknotensteher mit Variationsmöglichkeiten in der Anbringung des Solarmoduls 52
6
Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Solarstromversorgte Funkknoten mit verschiedenen Kombinationen von
Solarmodul- und Lithium-Ionen-Akku-Typen ............................................................ 22
Tabelle 2: Solarmodultypen mit unterschiedlichen Konfigurationen und Größen ..... 23
Tabelle 3: Lithium-Ionen-Akkus mit unterschiedlichen Konfigurationen und Größen 23
Tabelle 4: Ergebnisse der Konfigurationsabstimmung mit Kondensatorschaltung für
die Magnetventile ermittelt anhand von Versuchen mit variabler
Versorgungsspannung, Wasserdruck und Leckagensituation .................................. 50
7
1 Einleitung
1.1 Gegenwärtiges und zukünftiges Bewässerungsma-nagement Aufgrund des Klimawandels mit den zu erwartenden mittleren Jahrestemperatur-
erhöhung und der Verlagerung des mittleren Jahresniederschlages aus der
Hauptvegetationszeit heraus ist in den kommenden Jahrzehnten in Bayern bei der
gartenbaulichen Produktion mit einem erhöhten Bewässerungsbedarf zu rechnen.
Die zusätzlich verstärkt und häufiger auftretenden Dürreperioden und Extrem-
wetterereignisse werden einen großen Einfluss auf die Produktivität der Land-
wirtschaft und auf die verfügbaren Wassermengen haben.
Vor allem im Freilandgemüsebau wird bereits heute ein erheblicher Arbeitsaufwand
betrieben, um eine ertragsoptimierte Bewässerung, bei möglichst geringem
Arbeitseinsatz zu gewährleisten und die notwendigen Qualitäten und Erträge
erzielen zu können. Vor allem bei größeren Gemüsebetrieben und bei weit entfernt
liegenden Schlägen ist ein enormer Arbeits- und Zeitaufwand notwendig nur um die
Ventile zu betätigen und die Beregnungsanlagen zu kontrollieren. Die Vielfalt der
angebauten Kulturen und die Satzstaffelung im kleinstrukturierten Gemüsebau
stellen dabei besondere Anforderungen an die Bewässerungssteuerung.
Eine zusätzliche Belastung entsteht in der heißen Jahreszeit, in der zur
Verdunstungsminimierung und kulturabhängigen Vermeidung von Beschädigungen
des Pflanzenbestandes empfohlenen nächtlichen Beregnung. Da dieser Aufwand
die Betriebe witterungsabhängig kosten- und zeitmäßig negativ belasten kann, sind
vor allem größere Betriebe auf der Suche nach effizienten, kostengünstigen und an
den Freilandgemüsebau angepassten Bewässerungssteuerungsmöglichkeiten. Der
je nach Witterung bedingte für die Pflanzenproduktion notwendige teilweise hohe
Wasserverbrauch steht allerdings in dem sich verschärfenden Konflikt zwischen
Umweltschutz und Pflanzenproduktion. In der EU-Wasserrahmenrichtlinie
(2000/60/EG) ist unter anderem die nachhaltige Bewirtschaftung von Wasser-
ressourcen vorgeschrieben um nachteilige Auswirkungen auf das Schutzgut Wasser
zu vermeiden oder möglichst gering zu halten.
8
Damit eine Bewässerung über den notwendigen Pflanzenbedarf hinaus vermieden
werden kann, sind abhängig vom Boden, der angebauten Kultur und den
klimatischen Verhältnissen objektive Kriterien zum bedarfsgerechten Wassereinsatz
im Freilandgemüseanbau heranzuziehen.
Derzeit werden automatische Systeme zur kostengünstigen und arbeitssparenden
Magnetventilsteuerung jedoch ohne Berücksichtigung von Bodenfeuchte oder
Wetterbilanzen in der Feldbewässerung nur in wenigen Betrieben eingesetzt. Die
Gründe für ein bedarfsgerechtes Bewässerungssteuerungssystem liegen zum einen
in den teilweise hohen Investitionskosten der aktuell angebotenen Technik. Zum
anderen wird für den Freilandgemüsebau noch kein optimales Bewässerungs-
steuerungssystem angeboten.
Zusätzlich zur Wahl der richtigen, wassersparenden und an die jeweiligen Kulturen
angepassten Bewässerungstechnik werden automatische und möglichst drahtlose
Systeme zur bodenfeuchte- oder klimatisch gesteuerten Bewässerung und zur
Überwachung der Bewässerungsanlage in der Landwirtschaft in Zukunft an
Bedeutung gewinnen. Damit kann der Wasserverbrauch je produzierter Einheit
Lebensmittel minimiert und der ökologisch und ökonomisch sinnvolle Einsatz der
Ressource Wasser gerechtfertigt und nachgewiesen werden.
1.2 Stand der Technik Zurzeit werden im kleinstrukturierten Gemüsebau vereinzelt stationäre
Zeitsteuerungen mit Vor-Ort-Bedienung (z.B.: GARDENA Bewässerungscomputer
C2030 duo plus www.gardena.com; WP 1; STP Plus 4, 6 oder 9 www.rainbird.de;
AquaPro Plus www.netafim.com; uvm.) oder Mengenventile (z.B. Bermadon
Wassermengenventil 900-50 AMV 80 2“; Wassermengenventil Arad oder Ginon;
uvm.) (Abbildung 1), die immer direkt vor Ort eingestellt werden müssen, eingesetzt.
Abbildung 1: a) Rainbird Vor-Ort Steuercomputer WP 1; b) Wassermengenventil Arad
9
Die angebotenen Zeitsteuersysteme sind meist nur mit den vom Hersteller des
Bewässerungsautomaten angebotenen Ventilen kompatibel. Des Weiteren ist es bei
vielen Systemen nicht möglich, Bodenfeuchte- oder andere klimatische Sensoren
anzuschließen und deren gemessenen Daten in der Bewässerungssteuerung zu
berücksichtigen. Diese Systeme werden von Praktikern auch als sehr arbeits-
aufwändig, bezüglich kurzfristiger Bewässerungsentscheidungen als unflexibel und
zur Leckagenerkennung als nicht geeignet angesehen. Die Entscheidung für eine
Bewässerung erfolgt meist aus gärtnerischer Intuition und Erfahrung. Werden
Sensorsysteme oder komplexere Bewässerungssteuerungen verwendet, so sind
diese zumeist kabelgebunden, z.B. die ICA Station bzw. iMETOS-Station der Fa.
Pessl (www.metos.at) (Abbildung 2). Durch die Kabelbindung zwischen Knoten und
Basisstation führt dies einerseits zu Reichweiteneinschränkungen und andererseits
insbesondere bei den verschiedenen pflanzenbaulichen Maßnahmen im Gemüse-
bau zu Problemen, Behinderungen und oftmals zu Beschädigungen (Kabeldurch-
trennungen).
Im Bereich der funkbasierten Steuer- und Regelsysteme wurden in den letzten
Jahren in den Bereichen der Überwachung von Industrieanlagen, der Heim-
automatisierung sowie im Umweltmonitoring, insbesondere auch in der
Landwirtschaft, verstärkt Anstrengungen unternommen, drahtlose Systeme zu
etablieren. Neben Forschungsprojekten, die drahtlose Sensor-Aktor-Netzwerke
entwickeln (Intelligente Funkbasierte Bewässerung, IFuB; Wireless Sensor Actor
Networks, WSANs) werden bereits am Markt befindliche Systeme in der Regel nur
zur Bestandsüberwachung eingesetzt (Drahtlose Sensor-Netzwerke/Wireless
Sensor Networks, WSN). Bereits am Markt erhältliche funkbasierte Systeme können
Abbildung 2: Kabelgebundene iMETOS Bewässerungssteuerung
10
bislang nicht die Erfordernisse speziell im Freilandgemüsebau erfüllen, da entweder
die Reichweite, die Kompatibilität mit bereits bei den Gemüsebaubetrieben
vorhandenen Sensoren und Magnetventilen oder die erwünschte Kombination aus
Ventilschaltungen, Feuchte- und Klimasensorauslesungen und das zuverlässige
Erfassen von Leckagen nicht erfüllt werden (A753 addWAVE GPRS RTU; A724
addSWITCH Series 4 Valve Controller www.adcon.at).
Für die Bedingungen des Freilandgemüsebaus sind bisher keine funkbasierten
Steuersysteme erhältlich, die eine gemeinsame Nutzung der zugrunde liegenden
Funk-Infrastruktur von mehreren Betrieben ermöglichen. Als Nachteil der bisher am
Markt erhältlichen Systeme sind erstens die teilweise hohen Anschaffungskosten,
zweitens die größtenteils kabelgebundene Infrastruktur, drittens die fehlende oder
unzureichende Möglichkeit Ventile zu schalten und viertens die mangelnde
Flexibilität, die verschiedenen im Gartenbau gebräuchlichen Boden- und Klima-
Sensoren anzubinden, zu nennen. Die Kompatibilität zu verschiedensten
Komponenten ist ein wesentlicher Punkt für die Akzeptanz in der Praxis. Obwohl die
Anzahl der Hersteller für Sensoren und Aktoren begrenzt ist, so besteht ein weiterer
notwendiger Test- und Anpassungsbedarf an bereits erhältliche Systeme oder in der
Entwicklung befindliche Bewässerungssteuerungen. Eine möglichst große
Kompatibilität mit Sensoren und Aktoren würde die Akzeptanz der
Funkbewässerungssteuerung steigern.
Die aktuellen Systeme bieten bisher keine oder nur eingeschränkte Möglichkeiten
der Fernbedienung und –überwachung. Eine Leckagenerkennung oder
Systemüberwachung zur Erkennung fehlerhafter Magnetventilschaltungen ist
üblicherweise (Ausnahme: Durchflusserkennung bei IRRIWISETM von Netafim,
www.netafim.com/product-search/IrriWise; Durchflusserkennung bei A757
addPULSE GPRS www.adcon.at) nicht vorhanden. Die Reichweite zwischen
einzelnen Funk-Geräten liegt häufig nur im Bereich weniger hundert Meter, größere
Reichweiten werden häufig über sog. Router oder Relaisstationen erreicht. Da
allerdings nicht sichergestellt ist, dass der Nutzer auf Flächen Dritter die
notwendigen Router aufstellen kann, muss bereits bei wenigen Funkgeräten eine
GSM Station vorhanden sein, obwohl aus technischer Sicht Funk-Netze mit einer
größeren räumlichen Ausdehnung möglich wären.
11
1.3 Gemüseanbaugebiet Knoblauchsland Das Knoblauchsland (Abbildung 3) hat eine landwirtschaftliche Nutzfläche von 2100
ha, davon ca. 1000 ha Gemüsebaufläche und ca. 50 ha Gewächshausfläche.
Hauptkulturen im Freiland sind Spargel (ca. 80 ha), Kopfsalat und bunte Salate (70
ha), Kopfkohl (ca. 65 ha), Rettich und Kohlrabi (je ca. 50 ha), Porree (ca. 50 ha),
Sellerie (ca. 40 ha) und Möhren (ca. 40 ha). Insgesamt gibt es im Knoblauchsland
ca. 190 Gemüsebaubetriebe mit einer durchschnittlichen Betriebsgröße zwischen
10-12 ha. Diese Betriebe können bei einem Pro-Kopf-Verbrauch von 90 kg Gemüse
pro Jahr den Bedarf von etwa 425000 Verbrauchern decken. An zentralen
Vermarktungseinrichtungen stehen die Absatzgenossenschaft „Franken-Gemüse
Knoblauchsland eG“ und der städtische Großmarkt, über den jährlich etwa 23000 t
Gemüse vermarktet werden, zur Verfügung. Daneben sichert die Selbstvermarktung
an Endverbraucher, Großküchen, Gaststätten und den Groß- und Einzelhandel den
Absatz der erzeugten Produkte.
1.4 Wasserverband Knoblauchsland Der Wasserverband Knoblauchsland stellt im Rahmen des Beileitungsprojektes über
eine zentrale Brunnenfassung in der sogenannten „Kapellenruh“ an der Rednitz und
mithilfe von 7 Hochbehältern (Fassung je Behälter 6000 m³) mit je einem
Druckpumpwerk (Leistung 0-1000m³/h) das für die Gemüseproduktion notwendige
Beregnungswasser bereit (Abbildung 4). Die Hauptleitung, die nicht zur Versorgung
der Hydranten benutzt wird, ist die Zuflussleitung von der Wasserfassung zu den
Hochbehältern (0-8,5 bar). Die Hauptdruckleitungen sind jene Verteilerleitungen von
http://de.wikipedia.org/wiki/Knoblauchsland Abbildung 3: Gemüseanbaugebiet Knoblauchs-land in der Mitte des Städte-Dreiecks Nürnberg-Fürth-Erlangen
12
den Pumpwerken zu den Hydranten. Diese liegen im näheren Umkreis des
Pumpwerks und den darin vorliegenden Druck (ca. 7-9,2 bar) erzeugt das
Pumpwerk. Von den Pumpwerken fließen in Spitzenzeiten bis zu ca. 1200 m³/h auf
die Hauptdruckleitungen, die sich mit zunehmendem Abstand zum Pumpwerk immer
weiter bis hin zu den einzelnen Hydranten am Feld verzweigen. Werden an einer
Hauptdruckleitung zu viele Verbraucher parallel betrieben, kann es in Zeiten mit
hohem Wasserbedarf durchaus zu Druckschwankungen und damit auch zu
Problemen in der Wasserverteilung kommen. Der Durchfluss ist je nach
Schlaggröße und Länge am Hydrant bis zu 25 m³/h.
Das vom Wasserverband betreute, unterirdisch verlegte Druckrohrleitungsnetz
umfasst eine Länge von ca. 150 km und ca. 1500 Hydranten. Der Abgang auf der
Druckleitung ist meist in 2" ausgeführt. Hier ist dann eine Sechskantreduzierung auf
1 1/2" als "Sollbruchstelle" montiert. Je nach Verlegungstiefe folgt ein 1 1/2"
Standrohr (30-50 cm) mit Schrägsitzventil zum Absperren. Das jährliche,
genehmigte Wasserkontingent beträgt 2,1 Mio. m³. Davon benötigt werden im
langjährigen Durchschnitt etwa 2 Mio. m³. Durch das ausgebaute Leitungsnetz
können ca. 850 ha Freilandgemüsefläche mit Wasser versorgt werden. Nur in den
Randbereichen des Knoblauchslandes werden von einzelnen Betrieben eigene
Brunnen mit Pumpaggregaten für die Versorgung ihrer Gemüseflächen mit Wasser
betrieben.
1.5 Freilandbewässerung im Knoblauchsland Das vorherrschende Freilandbewässerungssystem im Knoblauchsland ist die
Bewässerung mit Perrotrohren und Kreisregnern unterschiedlichen Typs. Der
durchschnittliche Wasserverbrauch bei 8,5 bar Druck am Regner liegt bei ca. 1,5
m³/Stunde (eigene Tests mit einem etwas anderen Regnertyp lieferten einen
Wasserverbrauch von 35 l/min, entsprechend 2,1 m³/h) und die Wurfweite (abhängig
von Regnertyp, Düsengröße und Wurfhöhe) liegt zwischen 18 und 22 m. Bei den
Perrotrohren sind fast ausschließlich 50er Rohre (2“) in Verwendung, vereinzelt
Abbildung 4: Beregnungswasserhochbehälter mit Pumpenhäuschen
13
jedoch abnehmend 70er Rohre (2 ¾“). In der Regel hängen laut Beregnungs-
ordnung 10-12 Regner an einem Hydranten im Abstand von 12 bzw. 18 m. Die
Anzahl der Regner und deren Aufstellung sind stark abhängig von der Schlaggröße
und Schlaglänge. Wenn ein kurzer Schlag mit 6 Regnern vorhanden ist, können
auch zwei oder drei Stränge aus einem Hydrant beregnet sein. Generell ist es
vielfach notwendig größere Gemüsebauflächen in Sektoren aufzuteilen und diese
nicht parallel, sondern nacheinander zu betreiben, um jeden Regner mit ausreichend
Wasserdruck und Wassermenge zu versorgen.
Nur vereinzelt sind im Knoblauchsland Beregnungsmaschinen im Einsatz.
Eine Bewässerungssteuerung über Wassermengenventile oder über direkt am Ventil
angebrachte Steuercomputer ist wenig verbreitet. Die Bewässerung erfolgt fast
ausschließlich durch Betätigen des Wasserhahns direkt am Feld. Sowohl für diese
Tätigkeit als auch für die laufende Kontrolle vor Ort sind vor allem bei größeren
Betrieben aufgrund der Entfernungen zwischen den einzelnen Feldern Fahrstrecken
von bis zu 40 km am Tag notwendig. Für die Entscheidung, ob eine Bewässerung
durchgeführt werden soll, fehlen objektive Kriterien. Häufig werden diese
Entscheidungen nach dem „gärtnerischen Gefühl“ getroffen oder unterliegen auch
den Zwängen der betrieblichen Arbeitsorganisation.
Ein weiteres Problem besteht im Auftreten von Leckagen und Rohrbrüchen, die zu
teilweise massiven Überschwemmungen der eigenen Flächen oder auch der
Nachbargrundstücke führen. Die derzeit angebotenen Systeme sind nicht in der
Lage dies zu erkennen und zu melden. Ursächlich für die Leckagen ist unter
anderem die Verwendung überalterter Perrotrohre.
In Bezug auf die Arbeitskosten, die Verbesserung der Produktqualität, dem
bewussten Ressourceneinsatz, dem Erkennen von lokal übermäßig starkem
Wasserverlust durch Leckagen und Rohrbrüchen und der Vermeidung möglicher
Umweltgefahren, zum Beispiel durch eine verstärkte Nitratauswaschung, besteht
weiterhin ein hohes Optimierungspotential bei Bewässerungssteuerungssystemen.
14
2 Initiierung und Ziele des Projektes „Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchs-land durch Funksysteme“ Sowohl die bereits auf dem Markt befindlichen Systeme als auch bisherige
Forschungsprojekte bieten keine optimale Lösung für ein auf die Bedingungen des
Gemüsebaus abgestimmtes Bewässerungssteuerungssystem. Auch das Vorgänger-
projekt „Optimierung der Bewässerungssteuerung für den Freilandgemüseanbau im
Knoblauchsland“ der LWG Veitshöchheim, welches seinen Schwerpunkt in der
Testung und Verbreitung vorhandener Technologien zur Bewässerungssteuerung
hatte, konnte keine optimale Lösung zur Automatisierung der Bewässerung im
Freilandgemüseanbau ausarbeiten.
Unter Miteinbeziehung interessierter Gemüsebaubetriebe wurde ein neues Projekt
„Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch
Funksysteme“ entwickelt. Das Projekt startete am 01.11.2011 und wurde vom
Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten finanziert.
2.1 Ziele des Forschungsprojektes Auf Basis der Erkenntnisse vorheriger Projekte ist die Neuentwicklung eines
funkbasierten Bewässerungssteuersystems speziell für den Freilandgemüsebau das
Ziel des Projektes. Den Anbauern soll eine zuverlässige Möglichkeit zur Steuerung
und Kontrolle von Beregnungsanlagen gegeben werden, ohne dass sie vor Ort sein
müssen.
Die Realisierung erfolgte durch die Kooperationspartner Bayerische Landesanstalt
für Weinbau und Gartenbau Veitshöchheim, der Hochschule Weihenstephan-
Triesdorf (ehemalige Staatliche Forschungsanstalt für Gartenbau Weihenstephan)
und dem Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Fürth, in enger
Zusammenarbeit mit der Firma AgrarSystem GmbH. Begleitet wurde das Projekt
durch verschiedene Institutionen und Betriebe, dem Erzeugerring Knoblauchsland,
dem Wasserverband Knoblauchsland, sowie den drei Gemüsebaubetrieben Jürgen
Lösel, Hans Brunner und Herbert Hofer.
Die bereits entwickelten Prototypen sollten im ersten Schritt speziell an die
Verhältnisse des Knoblauchslandes angepasst werden. Ziel war es, dieses System
ihn ähnlichen kleinstrukturierten, aber auch großflächigeren und weitläufigeren
15
Gebieten mit gartenbaulichen Kulturen sowie anderen Sonderkulturen verwenden zu
können. Hierfür wurden die von der Firma AgrarSystem GmbH in Zusammenarbeit
mit dem Ing.-Büro Sauer Jürgen entwickelten Hardware- und Softwarekomponenten
sowohl an der HSWT, auf einer Vorversuchsfläche im Knoblauchsland und bei drei
an dem Projekt beteiligten Gemüsebaubetrieben getestet und erprobt (siehe die
Kapitel „Feldversuchsphase 2012“ und „Feldversuchsphase 2013“).
Die weiteren Ziele und Entwicklungsschritte waren:
- Abstimmung der Schaltimpulse an den Ausgängen der Funkknoten für ein
zuverlässiges Öffnen und Schließen der Magnetventile unterschiedlicher
Hersteller (Bermad, Galcon, Netafim, Baccara, Rainbird) bei in der Praxis
realistisch zu erwartenden Wasserrohrdrücken.
- Abstimmung der Funkknotenkonfiguration für die vorgesehenen volumetrischen
Bodenfeuchtesensoren und Wasserspannungssensoren.
- Erkennung von Leckagen im Bewässerungsrohrsystem, in den meisten Fällen
hervorgerufen durch die teilweise überalterten Perrotrohre.
- Aufzeichnung des Wasserverbrauchs und die Erkennung von Ventilschaltungen.
- Möglichkeit der Bewässerungssteuerung über Desktop-Computer, Laptop und
Smartphone anhand vorgegebener Zeiten mit/ohne Berücksichtigung von
Bodenfeuchtewerte als objektive Kriterien oder Bewässerung anhand des
Geisenheimer Modells.
- Erstellung einer bedienerfreundlichen web-basierten Benutzeroberfläche zur
Auftragserteilung und für die automatische Darstellung der Ergebnisse in Graphen
und Tabellen.
Das Forschungsprojekt „Optimierung des Bewässerungsmanagements im
Knoblauchsland durch Funksysteme“ wies Pilotcharakter auf und ist als solches ein
Leuchtturmprojekt für den bayerischen Gartenbau. Der Transfer von
Schlüsseltechnologien in den Gartenbausektor beinhaltet eine Chance für die
bayerischen Gartenbauer, langfristig am immer härter werdenden Markt neue
Impulse zu setzen und das vorhandene Wasser effektiver zu nutzen.
16
Benutzer Server-Cluster Basisstationen Funkknoten
3 Material, Methoden, Technik, Umsetzung 3.1 Entwickelte Technik 3.1.1 Funknetzwerk Das Funknetzwerk lässt sich in die vier Ebenen Benutzer, Server-Cluster,
Basisstationen und Funkknoten unterteilen (Abbildung 5).
3.1.1.1 Basisstation Die Basisstationen (Abbildung 6) bilden mit den ihr zugeordneten Funkknoten lokal
ein Netz in sternförmiger Punkt-zu-Multipunkt-Topologie. Diese lokalen Netze
decken jeweils einen Teilbereich mit einem bestimmten Radius um die Basisstation
herum ab. Zu Beginn des Projektes wurde mit Funkreichweiten von bis zu ca. 200 m
gearbeitet mit dem Ziel diese durch Verwendung eines neueren Langstrecken-
funkmodules auf ca. 1,5 km zu vergrößern. Die zentrale Verwaltung des
Gesamtnetzes, der Austausch von Daten zwischen dem Benutzer und den
Basisstationen und die Einspeisung externer Daten (z.B. Wetterdaten usw.) obliegen
dem zentralen Cluster.
Die verwendeten Funkmodule sowohl der Basisstationen als auch der Funkknoten
senden und empfangen im Bereich von 868MHz und nutzen ein proprietäres
Protokoll zur Datenübertragung. Der gewählte Frequenzbereich ermöglicht eine
Abbildung 5: Ebenen des Funknetzwerks
17
ausreichend hohe Datenübertragungsrate bei vergleichsweise geringer Dämpfung,
z.B. durch Pflanzenbestände.
Die Basisstationen sind einerseits für die Verwaltung des lokalen 868MHz-
Funketzes zuständig, andererseits werden auf ihnen die Algorithmen zur
Bewässerungssteuerung und -kontrolle ausgeführt. Die zugehörigen Mess- und
Schaltaufträge werden dabei lokal an die Funkknoten verteilt, deren Ergebnisse auf
der Basisstation verarbeitet und an den zentralen Cluster übertragen.
Die Anbindung an das Internet zur Kommunikation mit dem Cluster kann dabei über
Ethernet/LAN und W-LAN erfolgen. Steht vor Ort beides nicht zur Verfügung, so
kann auch auf GPRS/Mobilfunk zurückgegriffen werden.
Das Mastergehäuse besteht aus einem nach IP67 geschützten Gehäuse, wodurch
das Gehäuse sowohl staubdicht als auch geschützt gegen die Wirkungen beim
zeitweiligen Untertauchen in Wasser ist. Die aus dem Master ragenden Anschlüsse
sind an deren Ende mit Superseal-Steckern versehen, die im verbundenen Zustand
wasserdicht sind.
Bei kleinstrukturierten Anbaugebieten, wie es im Knoblauchsland der Fall ist, können
mehrere Betriebe gleichzeitig eine Basisstation nutzen, sofern diese im Funkbereich
der mit Aufträgen zu versorgenden Funkknoten möglichst zentral (z.B. an den
Pumpenhäusern der Wasserspeicherbecken) angebracht ist. Bei größeren,
exponiert liegenden Betrieben vor allem mit zusammenhängenden Flächen können
Basisstationen, angebracht an einem leicht erhöhten Punkt (z.B. privates
Pumpenhäuschen) auch nur von einem Anwender genutzt werden.
a) b) Abbildung 6: a) Geöffnete Basisstation mit Funk- und GPRS-Modul, Funk- und GPRS-Antenne, Trizepsplatine und abgehende Anschlussmöglichkeiten für Wasserzähler und Wettersensoren; b) Geschlossene Basisstation (LxBxH: 24x16x12)
18
3.1.1.2 Funkknoten Die einzelnen Funkknoten (Abbildung 7) werden dynamisch einer Basisstation zugeordnet
und dienen ausschließlich der Erfassung von analogen Messwerten, digitalen Signalen
sowie Schalten von Aktoren.
Um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, können die Funkknoten auf
die vorliegenden Feldverhältnisse mit einer bestimmten, möglichen Anzahl an Aktor- und
Sensoranschlussmöglichkeiten konfiguriert werden. Zur Stromversorgung ist
Batteriebetrieb sowie die Verwendung einer Solarzelle mit Akku möglich. Die Funkknoten
bestehen aus einem nach IP67 geschützten Gehäuse, wodurch das Gehäuse sowohl
staubdicht als auch geschützt gegen die Wirkungen beim zeitweiligen Untertauchen in
Wasser ist. Die Aus- und Eingänge sind mit Superseal-Steckern versehen.
3.1.1.3 Server-Cluster Eine SQL-Datenbank sowie Webserver werden durch den Server-Cluster zur Verfügung
gestellt und sind in sich redundant ausgelegt. Dieser Cluster führt alle lokal vorhandenen
Daten zentral zusammen und ist für den Datenaustausch zwischen den lokalen Netzen
zuständig. Außerdem fungiert er als Schnittstelle zu weiteren externen Datenquellen, z.B.
Wetterdaten aus dem Messnetz Bayern.
Der Cluster ist für die globale Verwaltung des gesamten Funknetzes zuständig, die flexible
Zuordnung der einzelnen Funkknoten zu ihren Netzen als auch die Eigentumsverhältnisse
der Funkknoten werden hier zentral gespeichert.
a) b) Abbildung 7: a) Geöffneter Funkknoten mit 4 Sensor- und 2 Aktor- Anschlussmöglichkeiten, Energieversorgung und Funkantenne; b) Geschlossener Funkknoten (LxBxH: 17x12x8)
19
3.1.1.4 Benutzer Die Anbauer können über den Cluster ihre Bewässerung administrieren. Der im Cluster
enthaltene Webserver wird hierzu sowohl eine entsprechende Webseite zur Verfügung
stellen, als auch ein Dateninterface für externe Programme. Für den Zugriff mit einem
Smartphone soll eine für mobile Geräte optimierte Webseite zur Verfügung gestellt
werden.
3.1.1.5 Funktionsweise des Funknetzwerkes Die Datenübertragung vom Benutzer bis hin zum auslösenden Ventil und zurück
durchläuft folgende Schritte:
I: Der Anwender erteilt am Computer gewünschte Aufträge zum Schalten der Ventile
und zum Auslesen der Bodenfeuchte- und Drucksensoren. Der Anwender kann sich
bei auszuführenden Bewässerungsereignissen entscheiden, ob die
Bodenfeuchtewerte als Schwellenwerte mitberücksichtigt werden sollen oder nicht.
II: Diese Aufträge werden an einen Datenbankserver gesendet.
III: Die Basisstationen fragen den Datenbankserver in regelmäßigen Abständen nach
neuen Aufträgen ab.
IV: Die Aufträge werden von den Basisstationen an die entsprechenden Knoten gefunkt.
Gleichzeitig werden auf den Basisstationen Algorithmen zur Bewässerungssteuerung
und -kontrolle ausgeführt.
V: Die Funkknoten führen diese Aufträge aus.
VI: Sobald die Aufträge ausgeführt wurden, funkt der Knoten ein Protokoll an die
entsprechende Basisstation. Diese sendet das Protokoll an den Datenbankserver.
VII: Der Anwender kann das Protokoll vom Datenbankserver abrufen.
3.1.1.6 Anforderungen an Hard- und Software Folgende Anforderungen an das Bewässerungssteuersystem wurden gestellt:
• Funkeichweite ~ 1,5km
• Einstellbare Serverzugriffszeiten in minimal 10-minütigen Abständen für eine
möglichst flexible Bewässerungssteuerung
20
• Bis zu 2 Ventil-Ausgänge und 4 Analog-Sensor-Eingänge pro Funkknoten
• Kompatibilität mit möglichst vielen, am Markt erhältlichen Magnetventil-,
Bodenfeuchtesensor- und Klimasensor- Typen
• Zuverlässige Leckagenerkennung ab einer bestimmten Leckagengröße
• Vollständige Datenaufzeichnung inklusive Fehlerprotokollierung
• Sollte es zu Fehlern bei Magnetventilschaltungen oder zu Leckagen kommen, so
soll an die zuständige Person eine Warnung (inklusive Fehlerfeedback) verschickt
werden. Bei Leckagen sollte die Bewässerung automatisch getoppt werden.
• Bedienung über Smartphone/App und Desktopcomputer bzw. Laptop/Webbrowser
• Manuelles Auslösen oder Stoppen von Bewässerungsvorgängen direkt am
Funkknoten (z.B. über Magnetschalter) um gezielt einzelne Ventile vor Ort bei
spontan zu erledigenden Pflegemaßnahmen oder Ernten Ein- bzw. Ausschalten zu
können
• Die Hardwarekomponenten müssen eine robuste und gegen Witterungseinflüsse
geschützte Bauweise aufweisen
• Die Software muss robust und störungsfrei laufen und muss eine intuitive
Programmführung bieten
• Die Energieversorgung der Funkknoten sollte sowohl über Batterie als auch autark
über Solarstrom möglich sein
• Die Bewässerungseinstellung sollte wählbar sein d.h. Bewässerung entweder nach:
o Fixen Bewässerungszeiten
o Feuchteschwellen (ev. Wind- bzw. Regenschwellen)
o Klimatische Wasserbilanzen (z.B: Geisenheimer Modell)
3.1.1.7 Erkennung von Leckagen und Magnetventilschaltungen Als wichtige Neuerung im Vergleich zu bereits angebotenen
Freilandbewässerungssystemen können sowohl Leckagen und Rohrbrüchen einer
21
bestimmten Größe als auch das korrekte Schalten der Magnetventile erkannt werden.
Anhand der Messungen des Durchflusses mithilfe des Reedschalters der Wasserzähler
sowie des Wasserdrucks mithilfe von in die Perrotrohre gebohrte Wasserdrucksensoren
wurde evaluiert, bis zu welcher Grenze ein Rohrbruch, abhängig von der aktiven
Regneranzahl, zuverlässig erkannt werden kann.
22
3.2 Verwendete und angepasste Technik 3.2.1 Energieversorgung Die Energieversorgung der Basisstation erfolgt idealerweise über Netzstrom mit einem
zwischengeschalteten 12V Netzteil. Eine Versorgung über Batterie oder über Solarstrom
ist aufgrund des erhöhten Stromverbrauchs der Basisstation ungeeignet.
Die Funkknoten können sowohl mit Batterien (4 Mal 3,6 V Monobatterien mit 19000 mAh,
siehe Abbildung 8a) oder über Solarstrom (Solarpanel in Kombination mit Lithium-Ionen-
Akku und Laderegler, siehe Abbildung 8b) versorgt werden. Eine Kombination aus
Solarstrom und Batterie ist ebenfalls möglich, wodurch bei länger andauernden
Schlechtwetterphasen und starker Bewölkung automatisch von Solarstrom auf Batterie
gewechselt werden kann (Abbildung 8c).
An Laderegler, deren Aufgabe primär darin besteht den Akku sowohl vor einer Überladung
als auch vor einer Tiefenentladung zu schützen, wurde der Typ „Solar-Laderegler 12/24 V“
(Max. Modulstrom: 4 A; Max. Last-Strom 4 A; Ladespannung: 13,8/27,6 V) verwendet.
Zur Ermittlung der idealen bzw. möglichen Solarstromversorgung wurden verschiedene
Typen von Akkus (Tabelle 3) und Solarmodulen (Tabelle 2) in verschiedenen
Kombinationen in den Funkknoten der beteiligten Betriebe getestet (Tabelle 1).
Tabelle 1: Solarstromversorgte Funkknoten mit verschiedenen Kombinationen von Solarmodul- und Lithium-Ionen-Akku-Typen
Betrieb Brunner Solarmodul Akku
Knoten 0 Conrad Modell TPS-103 4W Multipower 0,8-12 AMP Knoten 1 Conrad Modell TPS-103 4W Panasonic LC-R121R3PG Knoten 2 Conrad Modell TPS-103 4W Panasonic LC-R121R3PG Knoten 3 Pollin 12V 3W 250mA Panasonic LC-R121R3PG
Betrieb Hofer Solarmodul Akku
Knoten 0 Pollin 12V 3W 250mA Panasonic LC-R121R3PG Knoten 1 Westfalia/ 2W 17,5 V 114mA Panasonic LC-R122R2PG Knoten 2 GOP 5W 17,8V 0,29A Multipower 0,8-12 AMP Knoten 3 Conrad Modell TPS-103 4W Multipower 0,8-12 AMP
Betrieb Lösel Solarmodul Akku
Knoten 0 Westfalia/ 2W 17,5 V 114mA Panasonic LC-R122R2PG Knoten 1 Pollin 12V 3W 250mA Panasonic LC-R122R2PG Knoten 2 Pollin 12V 3W 250mA Panasonic LC-R122R2PG Knoten 3 GOP 5W 17,8V 0,29A Multipower 0,8-12 AMP
23
Tabelle 2: Solarmodultypen mit unterschiedlichen Konfigurationen und Größen
Voelkner Wetelux PGLS-12250 Pollin Solarmodul Gohl
Generell Amorphes Solarmodul mit Doppelverglasung und Alu-miniumrahmen für hohe Witterungsbeständigkeit.
Amorphes So-larmodul
Polykristallines Solarmodul, IP67, Temperaturberich von -40 - 85°C
Abmessung (L x B x H) (mm)
315 x 315 x 19 315 x 240 x 20 180 x 180 x 25
Nennleistung Pmpp (W) 4 W 2 3 5 Kurzschluss-Strom Isc (mA) 320 320 275 Leerlauf-Spannung Uoc (V) 21 21 14,4 Nennspannung Umpp (V) 17,5 17,5 12 Nennstrom Impp (mA) 230 230 250 Gewicht (kg) 1,56 1 0,58
Tabelle 3: Lithium-Ionen-Akkus mit unterschiedlichen Konfigurationen und Größen
Panasonic LC-R121R3PG
Multipower MP0 Panasonic LC-R122R2PG
Multipower MP3-12C
Abmessung (L x B x H) (mm) 97 x 48 x 50 96 x 25 x 62 177 x 34 x 60 134 x 67 x 65,5 Kapazität (Ah) 1,3 0,8 2,2 3 Nennspannung (V) 12 12 12 12 Max. Entladestrom für 30 sec (A) 16 60
Lade-Spannung (V) 14,4 bis 15 14,4 bis 15 Max. Lade-Strom (A) 0,24 0,9 Lebensdauer bis (Jahre) 5 5
a) b) c) Abbildung 8: Energieversorgungsmöglichkeiten der Funkknoten a) Batterieversorgung; b) Solarstromversorgung bestehend aus Solarmodul, Lithiumionenakku und Laderegler; c) Kombinierte Energieversorgung des Funkknotens mit Batterie oder Solar
24
3.2.2 Ergänzende Bewässerungssteuerungskomponenten 3.2.2.1 Magnetventile a) Baccara 2“ DC mit Baccara Spule 9-18V DC Puls (Abbildung 9a): Pulszeit 25-50
msec; Max. Durchfluss 45 m³/h, Druckbereich 0-10 bar
b) Dorot 80-T 2“ DC mit Dorot Spule 9-18V DC Puls (Abbildung 9b): Pulszeit 15-100
msec; Max. Durchfluss 40 m³/h, Druckbereich 0-10 bar
c) RainBird 200-PGA 2“ mit RainBird Spule 9- 20(?)V DC Puls (Abbildung 9c): Pulszeit
??; Max. Durchfluss 34,05 m³/h, Druckbereich 0-10 bar
d) Bermad 2“ mit Magnetspule 2-Wege DC 6-20V Puls (Abbildung 9d): Pulszeit 20-100
msec; Max. Durchfluss, Druckbereich 0-10 bar
e) Aquanet Plus 2“ mit Magnetspule 9V DC Puls mit Druckregulator (Abbildung 9e): mit
der Möglichkeit zur Wasserdruckregulation, zum Anschließen eines Manometers und
Drehschalter für das manuelle Ventilöffnen und –schließen und für den
automatischen Modus. Pulszeit min. 80 msec; Max. Durchfluss 34 m³/h,
Druckbereich 0,2-10 bar
3.2.2.2 Bodenfeuchtesensoren Verschiedene Bodenfeuchtesensortypen und deren Messgenauigkeit werden in der im
Rahmen dieses Forschungsprojektes entstandenen Bachelorarbeit von Herrn Florian
Demling mit dem Titel „Einsatz von Bodenfeuchtesensoren zur Bewässerungssteuerung
im Knoblauchsland“ beschrieben.
3.2.2.2.1 Wassergehaltssensoren Kapazitive Sensoren messen den absoluten, d.h. volumetrischen Wassergehalt (m³/m³
oder %) in einem Bodenvolumen. Dies lässt jedoch keine Aussage über die tensio-
metrische Verfügbarkeit des Wassers im Boden zu. Die Messwerte sind abhängig von der
Bodenart und mit anderen Standorten nicht vergleichbar. Die Messung basiert auf den
a) b) c) d) e)
Abbildung 9: Magnetventiltypen a) Baccara; b) Dorot; c) RainBird; d) Bermad; e) Aquanet Plus
25
dielektrischen Eigenschaften des Bodens, wobei unterschiedliche elektronische Verfahren
Anwendung finden. Ein sehr sorgfältiger Einbau im Boden ist wichtig, weil Hohlräume an
der Messelektrode diese Wellen erheblich stören. Die Vorteile der kapazitiven Sensoren
liegen in ihrer Wartungsfreiheit und darin, dass der Boden direkt nach der nutzbaren
Feldkapazität beurteilt werden kann und somit eine Aussage über die zu verabreichende
Wassermenge getroffen werden kann.
a) 10HS (Abbildung 10a): misst den volumetrischen Bodenwassergehalt anhand der
Dieelektrizitätskonstanten des Bodens über die Methode der Kapazitäts-
/Frequenzbereich-Technologie. Zusätzlich beinhaltet der 10HS einen Hochfrequenz-
Oszillator, der dafür sorgt, dass der Sensor in jeglicher Form von Böden, auch bei
geringem Salzgehalt und wenig Struktur, sehr genau misst.
Messbereich 0-53% +/-3%; Signal: 0,3-1,250 V; Versorgung: 3-15 V;
Bestromungsdauer: 10 ms
b) VH400 (Abbildung 10b): misst den volumetrischen Bodenwassergehalt anhand der
Dieelektrizitätskonstante des Bodens. Der Sensor ist robust gegenüber Salinität und
korrodiert nicht.
Messbereich 0-100%; Signal: 0-3 V; Versorgung: 3,3-20 V;
Bestromungsdauer: 400 mS
3.2.2.2.2 Bodenwasserspannungssensoren Im Gegensatz zum Wassergehalt, der angibt, wie viel Wasser den Pflanzen zur Verfügung
steht, gibt die Bodenwasserspannung jene Kraft an, mit welcher das Wasser an den
Bodenteilchen gebunden ist bzw. jenen Widerstand, den die Pflanzen überwinden
müssen, um das Wasser dem Boden zu entziehen (Unterdruck in kPa bzw. hPa). Diese
a) b) Abbildung 10: Kapazitive Sensoren a) 10HS; b) VH400
26
Bodenwasserspannung gibt indirekt die pF-Werte (den dekadischen Logarithmus des
Betrags der Bodenwasserspannung) an. Bezogen auf den Grundwasserspiegel entspricht
der pF-Wert – unter hydrostatischen Verhältnissen – dem vertikalen Abstand zur Grund-
wasseroberfläche (mWS). Die Feldkapazität von Böden liegt bei einem pF-Wert zwischen
1,8 und 2,5. Bei einem pF-Wert von 4,2 (entsprechend zirka 160 m Abstand zum
Grundwasser) ist der permanente Welkepunkt (PWP) definiert, welcher besagt, dass die
meisten Pflanzen selbst bei guter Durchwurzelung dem Boden nicht mehr genug Wasser
entziehen können und daher irreversibel welken.
a) Watermark 200 SS-V (Abbildung 11a): erfasst die Bodenwasserspannung über den
elektrischen Bodenwiderstand mithilfe eines Paares von korrosionsbeständigen
Elektroden, die in eine kleinkörnige Matrix eingebettet sind. Ändert sich der
Bodenwassergehalt, so ändern sich auch der Widerstand und somit auch die
Bodenwasserspannung.
Messbereich 0-239 kPa; Signal: 0-2,8 V; Versorgung: 3,2-30 V; 1.5 mA;
Bestromungsdauer: 500 mS
b) Tensiometer mit CVR-Kopf (Typ ES-CVR) (Abbildung 11b) als elektronischer
Drucksensor, der als Analogsensor die Saugspannung des Tensiometers ständig
misst. Diese Bauart besteht aus einem piezoresistiven Druckaufnehmer für
Differenzdruckmessung mit zusätzlichem Messumformer für die jeweiligen
Signalarten. Die Messgenauigkeit beträgt pauschal 0,5 %. Die Sensoren sind störfest
nach CE und verpolsicher, der elektrische Anschluss erfolgt über einen festen
Kabelausgang.
Signal: 0,1-2,5 V, Versorgung: 4-15 V
c) TensioMark (Abbildung 11c): Erfassung der Bodenwasserspannung mithilfe eines
thermischem Messverfahren. Basis dieses Verfahrens ist die direkte Abhängigkeit
der Wärmekapazität eines Substrates von seinem Wassergehalt, ermittelt durch
kurze Heizimpulse in einem Gleichgewichtskörper. Diese sehr kleine, innere
Messzelle steht beidseitig über dünne, feinporige Keramikplatten mit dem zu
messenden Boden in Verbindung und in ständigem Austausch. Sie reagiert sehr
empfindlich auf jede Änderung der Bodentension und ermöglicht damit die direkte
Saugspannungsmessung in vergleichbarer Funktion eines Tensiometers. Das
Messverfahren selbst und die innenliegende Messzelle sorgen für eine
Unempfindlichkeit gegenüber Bodeneinflüssen, wie verschiedene Bodenarten, -
27
temperaturen und -dichten oder den Salzgehalt. Da der TensioMark wartungsfrei und
nicht wassergefüllt ist, wird er auch als „Trockenes Tensiometer“ bezeichnet.
Versorgung 9-12 V DC, Signal 0-2,500 V bei den Messbereichen 0- 100, 1250 oder
2500 hPa; Strombedarf ca. 30 mA/6 sec., im Standby 3 mA, Ausgangswiderstand
100 Ohm; Genauigkeit vergleichbar zum Tensiometer.
3.2.2.3 Wasserzähler Der MTK-N - Mehrstrahlzähler als Trockenläufer (Fa. Metherm GmbH oder Fa. ZENNER
International GmbH & Co. KG) (Abbildung 12) eignet sich besonders gut für den
Feldberegnungseinsatz. Er besitzt ein staub- und wasserdichtes, konfirmitätsbewertetes
Zählwerk mit Reed-Kontaktgeber für einen waagerechten und senkrechten Einbau. Es
handelt sich bei diesem Mehrstrahlzähler um einen Flügelradzähler als Volltrockenläufer,
d.h. Ausführung mit Magnetkupplung und Rollenzählwerk. Die Magnetkupplung überträgt
die Drehung des Flügelrades zuverlässig auf das Zählwerk. Um Störungen durch unreines
Wasser auszuschalten arbeitet nur das Flügelrad im Nassraum. Das Wasser tritt durch
mehrere am Umfang des Flügelbechers tangential angebrachte Löcher ein, trifft auf den
dadurch vollbeaufschlagten Flügel und tritt durch eine zweite, höher liegende Öffnungs-
reihe wieder aus (Mehrstrahlprinzip). Störungen durch unreines Wasser können das
gekapselte, evakuierte und drehbare Zählwerk nicht beeinträchtigen, wodurch dieser
besonders bei wechselnden Wasserqualitäten, bei Trinkwasserqualitäten mit Gefahr der
Ablagerung von Rost oder anderen Schwebeteilchen oder bei langjährigem Einsatz
a) b) c)
Abbildung 11: Bodenwasserspannungssensoren a) Watermark 200 SS-V; b) Tensiometer mit CVR-Kopf; c) TensioMark
28
besonders geeignet ist.
Mediumtemperaturbereich 0-30°C; Umgebungstemperatur im Betrieb 0-55°C; Nenndruck
16 bar; Anzeigebereich 0,05-99.999.999m³; Reedimpuls (anpassbar): für uns 10 l/Impuls
3.2.2.4 Wasserdruck-Sensor a) CTE/CTU7000 mit abgestimmter Konfiguration (Abbildung 13a): Dies ist ein
piezoresistiver, temperaturkompensierter Drucksensor. Das Anschlusskabel und der
in das jeweilige Perrotrohr gebohrte Drucksensor sind über ein Schraubgewinde
voneinander trennbar. Druckbereich: 0-10 bar; Versorgung: 12 V; Signal: 0-2,5 V
b) EPT3100-01000-B-3-A (Abbildung 13b): Der EPT3100 ist ein piezoresistiver,
hochwertiger, komplett in Edelstahl gehaltener Drucksensor geeignet für
Druckmessungen in Gasen und Flüssigkeiten. Er ist immun gegenüber
eindringenden, elektromagnetischen Interferenzen, weist nur geringe statische und
thermische Fehler, eine hohe Genauigkeit und Langzeitstabilität, und eine hohe
Resistenz gegenüber Stößen und Vibrationen auf. Druckbereich: 0-10 bar;
Versorgung: 12 V, Signal: 0-5 V, Tmax = 125°C
Abbildung 12: MTK-N - Mehrstrahlzähler
Abbildung 13: Wasserdruck-sensoren a) CTE / CTU7000; b) EPT3100-01000-B-3-A
29
3.2.2.5 Niederschlags-Sensor Rain Collector II von DAVIS Instruments: Der Niederschlagssensor basiert auf der Technik
des sich selbstleerenden Kipplöffelmechanismus mit einem magnetischen Reedschalter.
Die Messgenauigkeit liegt bei +/-3% und die Auflösung beträgt 0,2mm.
3.2.2.6 Wind-Sensor Windsensor WIS01: Der Windsensor misst Windgeschwindigkeiten bis zu 140 km/h bei
einer max. Abweichung von 5%. Das Signal ist ein Impuls mit 1 Hz pro 20km/h (=0,05 Hz
pro 1km/h). Da der Windsensor kein Heizelement integriert hat, ist er für Messungen im
Winter nur bedingt geeignet.
3.3 Technische Umsetzung 3.3.1 Vorgehensweise Die Fa. AgrarSystem GmbH hatte die Aufgabe die gemeinsam mit dem Ing.-Büro Sauer
Jürgen entwickelten Hardwarekomponenten (Basisstationen und Funkknoten) zur
Verfügung zu stellen. In der ersten Freilandversuchsphase 2012 wurden eine Basisstation
und vier Funkknoten für die Versuche auf einer Vorversuchsfläche im Knoblauchsland
geliefert. In der Freilandversuchsphase 2013 lieferte die Fa. AgrarSystem GmbH zwei
weitere Basisstationen und acht Funkknoten, deren Platinendesign nach den
Erkenntnissen der ersten Versuchsphase etwas abgeändert wurde. Die zur Verfügung
gestellte Software wurde laufend nach den Erkenntnissen der Versuche auf der
Vorversuchsfläche und den Flächen der Partnerbetriebe erweitert und verbessert. Es
bestand jedoch zur weiteren Anpassung keine Zugriffsmöglichkeit seitens Dritter.
3.3.2 Arbeitsprogramm der einzelnen Projektpartner und die Versuchs-standorte 3.3.2.1 LWG Veitshöchheim in Kooperation mit dem AELF Fürth Herr Dr. Harald Hackl führte die Versuche in 2012 auf der mit Grünland bewachsenen
Vorversuchsfläche bei Ronhof (Abbildung 14a), in 2013 auf den drei von den Partner-
betrieben zur Verfügung gestellten, mit verschiedenen Gemüsekulturen bewirtschafteten
Flächen (Abb. 9b) und in den Wintermonaten 2012/2013 in dem kleinen Gewächshaus
des AELF Fürth durch. In enger Zusammenarbeit mit der HSWT und der Fa. AgrarSystem
GmbH flossen die Versuchsergebnisse in Verbesserungsmaßnahmen der Hard- und
Softwarekomponenten ein.
30
Im Jahr 2012 wurden auf der Grünlandfläche bei Ronhof Vorversuche zur Funkstabilität
und zu Funkreichweiten mit dem Amber Modul AMB8425 durchgeführt. Die
Kommunikation zwischen der Basisstation und den Funkknoten mit Datenaufzeichnung
wurde auf ihre Stabilität und Korrektheit überprüft. Die Software wurde dabei laufend
während der Versuchsphase von der Fa. AgrarSystem GmbH verbessert und ergänzt.
Verschiedene Magnetventiltypen wurden mit der Platinenkonfiguration von 2012 getestet.
Die Wasserdruckverhältnisse in den vom Wasserverband versorgten Perrotrohren und die
pro Zeiteinheit verbrauchten und vom Wasserdruck abhängigen Wassermengen wurden
erhoben. Für einen optimalen Funkverkehr wurden die 4 Funkknoten provisorisch auf
Metallsteher auf einer Höhe von ca. 1 m über dem Boden befestigt. Die Basisstation
befand sich in ca. 50-100 m Entfernung zu den einzelnen Funkknoten in einem Bauwagen
mit auf das Dach geleiteter GPRS-Antenne.
In den Wintermonaten 2012/2013 wurden die Laufzeitstabilitätsversuche wie bereits auf
der Vorversuchsfläche weitergeführt. Anstelle von im Freiland üblichen Perrotrohren wurde
ein kleines Beet bepflanzt mit Kohlrabi mit von einer Haupt-PE-Leitung abgehenden
Mikrosprinklern bewässert.
In 2013 wurden die Gemüseflächen der drei Gemüsebaubetriebe ausgestattet mit je einer
Basisstation und 4 Funkknoten. Die Lage der Gemüseflächen ist in Abbildung 14b
eingezeichnet.
Der Betrieb Hans Brunner (Abbildung 15) hatte auf seiner Fläche einen eigenen
Tiefbrunnen, wodurch zusätzlich bevor Magnetventile geschaltet werden konnten eine
Pumpe über die Basisstation aktiviert werden musste. Die beiden Betriebe Jürgen Lösel
Abbildung 14: a) Vorversuchsfläche im Knoblauchsland bei Ronhof; b) Versuchsflächen der drei Partnerbetriebe im Knob-lauchsland
31
Feld
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Knoten 2
Regn
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zahl
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Typ:
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Knoten
Druck-Knoten
Magnetventil
Drucksensor
Wasseruhr
Feldmaster
Pumpe
Legende
Regnerleitung
Regn
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Typ:
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Knoten 3
Knoten 1Knoten 0
und Herbert Hofer bezogen Wasserverbandswasser, wodurch auf diesen Flächen keine
Pumpe geschaltet werden musste.
Die am weitesten verbreitetsten Magnetventiltypen wurden unter unterschiedlichen
Spannungsstufen mit und ohne Kondensatorschaltung und unterschiedlichen
Druckverhältnissen bis ca. 9,5 bar Wasserdruck getestet. Anhand der Versuchsergebnisse
wurde die Knotenkonfiguration auf zuverlässiges Ventilschalten angepasst. Die Software
wurde mit zusätzlichen Funktionen versehen und die Datenaufzeichnungen wurden
erweitert.
Zur möglichst geringen Beeinflussung von Pflegemaßnahmen auf den Feldern wurden
mehrere Knotensteherdesigns getestet. Für eine über längere Betriebszeit
kostengünstigere autarke Solarversorgung im Vergleich zu Einwegbatterien wurden
verschiedene Kombinationen von Solarmodul- und Lithiumionenakku-Typen getestet.
Aufgrund des hohen Arbeitspensums und der laufend neu auftretenden Schwierigkeiten
und Herausforderungen wurde das Hauptaugenmerk auf die Komponenten des Betriebes
Brunner gelegt.
Abbildung 15: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus beim Gemüsebaubetrieb Hans Brunner. Die Bewässerungs-steuerungskomponenten bei den Betrieben Jürgen Lösel und Herbert Hofer waren ähnlich angeordnet, jedoch war nur jeweils nach einem Magnetventile ein Wasser
32
3.3.2.2 HSWT Am Institut für Gartenbau an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf wurden mehrere
Arbeitsschwerpunkte des Projektes durch Herrn Dipl.-Ing. (FH) Christoph Mühlmann
bearbeitet, in Zusammenarbeit mit Dr. Michael Beck. Auf Versuchsflächen der ehemaligen
Staatlichen Forschungsanstalt für Gartenbau Weihenstephan wurde eine Anlage
bestehend aus einer Basisstation sowie 6 Funkknoten aufgebaut.
Sowohl mit der Basisstation, als auch mit zwei USB-Funksticks wurden verschiedene
Tests durchgeführt. Untersucht wurden die Stabilität der Software sowie die der
Datenkommunikation zwischen Basisstation und Funkknoten. Verschiedene Sensoren und
Magnetventile wurden auf ihre grundsätzliche Kompatibilität mit dem System untersucht.
Außerdem wurde ein Konzept zur Stromversorgung der Funkknoten über Solarenergie
entworfen und umgesetzt. Im Rahmen dieser Arbeiten wurden auch die ersten beiden
Generationen der Knotenständer entwickelt.
Zum komfortablen Testen der direkten Kommunikation mit den verschiedenen Funkknoten
wurde das Windows-Programm “AmberTest” entwickelt. Dieses Programm ermöglicht das
Aufzeichnen von Sensor-, Aktor- und Zustandsdaten (z.B. Batteriestatus) über längere Zeit
und bereitet diese grafisch auf.
Als wesentliche Arbeit wurde eine webbasierte Oberfläche erstellt, die es ermöglicht die
Bewässerung am Desktop-Computer bzw. Laptop zu steuern. Eine Anpassung der
Oberfläche an mobile Endgeräte (Smartphone, Tablets) wurde bereits begonnen und wird
im beantragten Folgeprojekte weitergeführt.
3.3.2.3 Fa. AgrarSystem GmbH Die Firma AgrarSystem GmbH war für die Verbesserung und Adaptierung der
Bewässerungssoftware, für die Lieferung der Funkknoten und Basisstationen und somit für
einen möglichst reibungslosen Ablauf der Versuche auf der Vorversuchsfläche und den
Gemüseflächen der Partnerbetriebe verantwortlich.
33
4 Ergebnisse der Freiland- und Gewächshausversu-che
4.1 Feldversuchsphase 2012 4.1.1 Magnetventiltest Im Jahr 2012 wurden auf der Vorversuchsfläche mit der von der Fa. AgrarSystem
GmbH voreingestellten Aktorkonfiguration Magnetventiltests durchgeführt mit dem
Ergebnis, dass die Magnetventiltypen Aquanet und RainBird über den
Wasserdruckbereich bis ca. 9 bar zuverlässig schalteten. Das Magnetventil von
Bermad schaltete bis auf wenige Ausnahmen ebenfalls zuverlässig. Die
Magnetventile von BJ und Baccara waren mit der Aktorknotenkonfiguration von 2012
nicht verwendbar.
4.1.2 Funkreichweiten An mehreren Tagen im Jahr 2012 wurden Funkreichweitentests durchgeführt. Das
Testergebnis vom 31.5.2012 (Abbildung 16) zeigt eine maximale, stabile
Funkdistanz von bis zu 300 m.
Fläche 1
Fläche 2
Ventilschaltung über Funkstick klappte
Ventilschaltung über Funkstick klappte nicht zuverlässig
Ventilschaltung über Funkstick klappte nicht mehr
Knoten
Abbildung 16: Ergebnis des Funkreichweitentests am 31.5.2012
34
Die Funkreichweite ist abhängig vom Funkmodultyp und von den Umwelt-
bedingungen, denen die Funkmodule unterliegen (Antennenleistung, Gegenstände
zwischen Sender und Empfänger, Funkmodulabstand zum Boden,
Empfängerempfindlichkeit).
4.1.3 Erkennung von Leckagen und Rohrbrüchen Als wichtige Neuerung im Vergleich zu bereits angebotenen Freilandbewässerungs-
systemen können Leckagen und Rohrbrüche einer bestimmten Größe erkannt
werden. Damit dies realisiert werden kann, muss das auf jeder Bewässerungsfläche
verlegte Bewässerungsrohrsystem bei den potentiell vorherrschenden und
vorkommenden Wasserdruckverhältnissen „vermessen“ werden. Das bedeutet, dass
abhängig vom Wasserdruck die Wassermenge pro Zeit erfasst werden muss, um auf
dieser Grundlage Leckagen und Rohrbrüche in einem Bewässerungssystem mit
einer bestimmten Anzahl an Bewässerungssträngen und Sprinkler- bzw.
Tropfertypen erfassen zu können. Die ersten Versuche zur Leckagenerkennung
anhand von simulierten Leckagen unterschiedlicher Größe wurden auf der
Vorversuchsfläche im Knoblauchsland durch die Bayerische Landesanstalt für Wein-
und Gartenbau durchgeführt (Abbildung 17). Anhand von Messungen des
Wasserdurchflusses sowie des Wasserdrucks wurde evaluiert, bis zu welcher
Grenze ein Rohrbruch, zuverlässig erkennbar ist. Unterschiedlich große Leckagen
werden unterschiedlich gut über den Wasserdruck und die Wassermenge erkannt.
Während sehr kleine Leckagen (Abbildung 17c) in der Praxis meist keine negativen
Auswirkungen haben, ist die Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen
(durch ein nicht verbundenes, offenes Rohr; durch eine sich unter dem Wasserdruck
öffnende Perrotrohrverbindung oder durch einen Rohrknick) (Abbildung 17a und
Abbildung 17b) von großer Bedeutung, da deren Folge (1) eine übermäßig starke
punktuelle Wasserabgabe, (2) eine Beschädigung des Pflanzenbestandes um die
Leckage, (3) eine mögliche Überschwemmung von Straßen oder Nachbarflächen
a) b) c)
Abbildung 17: Simulation von Leckagen auf der Vorversuchsfläche im Knoblauchsland. a) Große Leckage; b) Mittelgroße Leckage; c) Kleine Leckage
35
und (4) ein Sinken des Wasserdruckes im gesamten Bewässerungsrohrsystem ist.
Die Ergebnisse der Leckagensimulationsversuche ergaben folgendes:
Liegt keine Leckage vor, so sind sowohl die Beregnungsmenge als auch der
Wasserdruck in den oder dem Bewässerungsrohr(system)en abhängig von der
aktiven Kreisregneranzahl und dem von einer Pumpe bereitgestellten Wasserdruck
(Abbildung 18 und Abbildung 19). Im vorliegenden Bewässerungsrohrsystem stieg
die Wassermenge bis zu einer Anzahl von 16 Regnern linear mit der Regneranzahl
an, während der Druck von ca. 8 bar auf 6 bar sank (Abbildung 18).
Kreisregner aktiv
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ber
egnu
ngsm
enge
be
i X R
egne
rn (l
min
-1)
0
100
200
300
400
500
600
Was
serd
ruck
(bar
)
0
2
4
6
8
10
Wasserzähler manuell abgelesen
Wasserzähler elektrisch abgelesen
Wasserdruck
Abbildung 18: Beregnungsmenge und Wasserdruck abhängig von der Kreisregneranzahl ohne Leckage
Kreisregner aktiv0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Bere
gnun
gsm
enge
be
i X R
egne
rn (l
min
-1)
0
100
200
300
400
500
600
7-8 bar5 bar3 bar2 bar1 bar0.5 bar
Abbildung 19: Beregnungsmenge abhängig vom Wasserdruck und der Kreisregneranzahl ohne Leckage
36
Tritt nun eine zumindest mittelgroße Leckage ein, so sinkt der Wasserdruck (in
unseren Versuchen sank der Druck auf <~4 bar bei offenem Rohr und <~5 bar bei
mittelgroßer Leckage) und gleichzeitig erhöht sich die Beregnungsmenge signifikant,
nahezu unabhängig von der Regneranzahl bzw. von dem Ort im
Bewässerungsstrang, wo die Leckage auftritt (Abbildung 20).
Das vorläufige Ergebnis zeigt eine zuverlässige Erkennung von offenen Rohren
sowie großen und mittelgroßen Leckagen, die abhängig von der aktiven
Regneranzahl zu einer signifikanten Erhöhung des Wasserverbrauchs und zu einer
Senkung des Wasserdrucks führen (Abbildung 19 und Abbildung 20).
Zusätzlich zur Angabe der Wassermenge, liefert der Wasserzähler noch einen
weiteren Wert, sog. Clocks (b-Wert für den Wasserstrom), der abhängig vom
Bewässerungsstrang offen nach Regner X (aktive Stränge)
1 (Str.1)
7 (Str.1)
11 (Str.2)
16 (Str.2)
1 (Str.1 und 2)
7 (Str.1 und 2)
11 (Str.1 und 2)
1 (Str.1) u 11 (Str.2
)
7 (Str.1) u 13 (Str.2
)
9 (Str.1) u 16 (Str.2
)
Bere
gnun
gsm
enge
be
i X R
egne
rn (l
min
-1)
0
200
400
600
800
Was
serd
ruck
(bar
)
0
1
2
3
4
5
6
Total offenes Rohr Stark undichte Rohrverbindung Total offeness Rohr
Stark undichte Rohrverbindung
Abbildung 20: Beregnungsmenge und Wasserdruck bei großer und mittelgroßer Leckage
Abbildung 21: Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen anhand der Beregnungsmenge
37
Wasserdruck indirekt proportional zum Wasserverbrauch ist. Diese Clocks wurden
als Parameter zur Erkennung der Leckagen anstelle der Wassermenge
herangezogen.
Die Erfassung der Leckagen erfolgte im Jahr 2012 direkt über die Basisstation, die
kabelgebunden mit den Drucksensoren und dem Wasserzähler verbunden war.
Durch Setzen von Wasserdruck- und Wasserverbrauchsschwellenwerten zwischen
den Werten, die den Zustand bei Leckage und ohne Leckage anzeigen, konnten
Leckagen einer gewissen Größe zuverlässig erkannt werden (Abbildung 21 und
Abbildung 22).
Aufgrund der angedachten Funknetzwerkkonfiguration mit zentraler Positionierung
der Basisstation und Positionierung der Funkknoten direkt auf dem Feld, ist im
Folgeprojekt „Mobile Bewässerungssteuerung durch Funknetze“ vorgesehen die
Wasserdrucksensoren und den Wasserzähler direkt an die Funkknoten anzubinden,
wobei die Verrechnungsalgorithmen zur Leckagenerkennung weiterhin an der
Basisstation durchgeführt werden sollen.
Für eine zukünftige, einfache und schnelle Implementierung der Leckagenfunktion in
das betriebliche Bewässerungsmanagement ist vorgesehen nur den Normal-
wasserdruck und die davon abhängende, verbrauchte Wassermenge (abhängig
auch von den aktiven Regnern bzw. der Tropferanzahl) bei der Bewässerungs-
installation zu erfassen. Jede signifikante Abweichung (Abweichung vom
Normalzustand in % einstellbar vom Anwender) stellt eine Leckage dar.
Da diese Leckagenerkennungsfunktion durch die zu beschaffende Hardware
(Wasserzähler mit Reedkontakt und/oder Wasserdrucksensor) zusätzliche Kosten
Schwelle Wasserdruck
Abbildung 22: Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen anhand des Wasserdrucks
38
verursacht, kann angenommen werden, dass einige Betriebe aus Kostengründen
auf diese Funktion verzichten. Daher ist vorgesehen, dass in der Bedieneroberfläche
die Leckagenfunktion optional zu aktivieren bzw. zu deaktivieren sein wird.
4.1.4 Systemüberwachung Mit der Realisierung der Systemüberwachungsfunktion wurde zwar bereits in den
Jahren 2012 und 2013 begonnen, jedoch wird im Folgeprojekt noch weiter intensiv
daran gearbeitet werden.
Die Aufgabe der Basisstationen ist auch über die mit den Funkknoten verbundenen
Drucksensoren und/oder Wasserzähler das zuverlässige Öffnen und Schließen der
Magnetventile zu kontrollieren. Nach jedem Ventilschalten werden zeitversetzt (um
vor allem beim Schließen der Ventile das verzögerte Schließen zu berücksichtigen)
die jeweiligen Wasserdrucksensoren und Wasserzähler ausgelesen. Stimmt der
Soll-Zustand nicht mit dem Ist-Zustand überein, so wird abermals (bis zu X mal)
versucht das betreffende Ventil zu öffnen oder zu schließen. Sollte ein Ventilöffnen
oder –schließen nicht möglich sein, so erhält der Anwender eine Warn-SMS und der
Schaltfehler wird automatisch aufgezeichnet.
4.2 Gewächshausversuchsphase 2012/2013 In den Wintermonaten 2012/2013 wurde die Funkbewässerungssteuerung im
Gewächshaus des AELF Fürth an einem Rettichsortenversuch der Meisterschüler
Gemüsebau des AELF Fürth weiter getestet. Vier Funkknoten und eine Basisstation
wurden verwendet (Abbildung 23) und wie bereits auf der Vorversuchsfläche in den
Monaten zuvor wurde das Hauptaugenmerk auf Systemstabilität hinsichtlich des
Funkverkehrs gelegt. Zwei Bewässerungsstränge mit Mikrosprinkler in bestimmten
Abständen zueinander wurden über Aquanet-Magnetventile kontrolliert. Mithilfe von
Tensiometern wurde die Bodenwasserspannung in regelmäßigen Abständen erfasst
und bei Bedarf wurde über die Funkbewässerungssteuerung die Bewässerung
aktiviert.
Als Problem stellte sich vor allem im Vorraum des Gewächshauses die von Tag zu
Tag variierende Qualität des GPRS-Empfangs heraus, wodurch vor allem an
bestimmten Tagen die Kommunikation über GPRS eingeschränkt war und somit
auch keine Protokolle über die Basisstation abgefragt werden konnten.
39
4.3 Feldversuchsphase 2013 In den Monaten Mai bis Oktober wurde auf drei Gemüseflächen der Betriebe Hans
Brunner, Jürgen Lösel und Herbert Hofer je ein Funknetzwerk bestehend aus einer
Basisstation sowie 4 Funkknoten aufgebaut (Abbildung 14b).
Die Betriebe Jürgen Lösel und Herbert Hofer bezogen auf den Versuchsflächen das
Beregnungswasser über den Wasserverband Knoblauchsland. Direkt auf den
Versuchsflächen gab es keine Möglichkeit einer Netzstromversorgung, wodurch
versucht wurde die Basisstationen über 12 V Autobatterien zu versorgen (Abbildung
24). Da vor allem bei täglicher Beanspruchung der Basisstationen, deren Strom-
verbrauch durchaus hoch ist1, konnte die Energieversorgung der Basisstationen
über mehrere Tage nicht mit einer einmalig aufgeladenen Autobatterie abgedeckt
werden.
Eine ausreichende kontinuierliche Aufladung der Autobatterie über Solarenergie
hätte ein vergleichsweise großes Solarmodul benötigt. Aufgrund der dafür
anfallenden Kosten- und dem eher schwierigen Handlings eines großen Panels wird
diese Möglichkeit erst im Folgeprojekt weiter verfolgt. Als Folge konnten die
Basisstationen an diesen beiden Standorten bisher nur über wenige Tage
kontinuierlich verwendet werden. 1 Bei derzeitigem Betriebsmodus 0,5A/h = 1,2Ah/Tag ohne Nahfunkverkehr. Bei 24 Internetbesuchen á 1 Minute zu je 1,5A = 0,5Ah/Tag. Summe 1,7Ah/Tag oder 51Ah/Monat, bei 12V und ohne Funkverkehr
Abbildung 23: Gewächshausversuchsaufbau mit Funkknoten, die kabelgebunden mit Magnetventi-len und Tensiometern verbunden waren
40
Die Funkknoten wurden bei Freilandarbeiten per Laptop direkt über einen USB-
Funkstick2 der Firma AmberWireless abgefragt. Neue Versionen der Funkknoten-
software wurden so getestet und die gemessenen Bodenfeuchtewerte der
angebundenen Sensoren abgefragt.
Der Betrieb Hans Brunner hatte an dem gewählten Versuchsstandort einen eigenen
Tiefbrunnen mit kleinem Pumpenhäuschen direkt am Feldrand, über das die Basis-
station mit Netzstrom versorgt werden konnte. Die Basisstation wurde mit einer um
ca. 1 m verlängerten Funkantenne in einer Holzkiste auf das Dach des kleinen
Pumpenhäuschens gestellt. Die Holzkiste war notwendig, um die Basisstation vom
Blechdach des Pumpenhäuschens „abzuschirmen“. Die einzelnen Funkknoten
wurden gemeinsam mit der Solarstromversorgung in bis zu 100m Entfernung von
der Basisstation auf eigens dafür konstruierten Vorrichtungen platziert (Abbildung
25). Aufgrund der Energieversorgungsprobleme auf den Feldern von Herbert Hofer
und Jürgen Lösel wurde der Großteil der Versuche, Tests von Neuentwicklungen
und anderer neuer Hard- und Softwarekomponenten auf der Gemüsefläche von
Hans Brunner durchgeführt.
Damit im kommenden Versuchsjahr im Rahmen des von der Landwirtschaftlichen
Rentenbank geförderten Projektes „Mobile Bewässerungssteuerung durch
Funknetze“ auch auf jenen Flächen der Partnerbetriebe Versuche durchgeführt
werden können, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
2 Modell AMB8465, siehe http://amber-wireless.de/162-0-AMB8465.html
Abbildung 24: Basisstation mit nach außen geleiteter GPRS-Antenne, Stromversorgung über Autobatterie
41
1) Die neuen Basisstationen müssen mit den neuen Funkmodulen mit bis zu 2 km
Funkreichweite bestückt werden.
2) Die Basisstationen müssen ab Beginn der nächsten Versuchsperiode in den
Pumpenhäusern des Wasserverbandes Knoblauchsland untergebracht
werden. Dort steht sowohl das 230V-Stromnetz, als auch eine auf Glasfaser
basierende Internetverbindung zur Verfügung.
In der Freilandversuchsphase 2013 wurden folgende Ziele verfolgt:
• Weiterentwicklung der Basisstations-. Funkknoten- und Anwendersoftware
mit dem Ziel einen fehlerfreien Funk- und GPRS-Kontakt zwischen den
einzelnen Komponenten des Funknetzwerkes zu erreichen.
• Entwicklung einer bedienerfreundlichen Oberfläche für die Verwendung und
Steuerung der Bewässerung.
• Weiterentwicklung der Stromversorgung über Solarenergie, um hier die
Zuverlässigkeit der Funkknoten zu erhöhen.
• Testung der fünf am weitesten am Markt verbreiteten Magnetventiltypen auf
zuverlässiges Ein- und Ausschalten über die Funkknoten.
• Testung der für das Funkbewässerungssystem vorgesehenen
Bodenfeuchtesensoren im Hinblick auf deren Messgenauigkeit, Kompatibilität
und Handling.
Abbildung 25: Versuchsfeld des Betriebes Hans Brunner mit solarversorgten Funkknoten und der auf dem Pum-penhäuschen stehenden Basisstation mit verlängerter Funkantenne
42
• Weitere Entwicklung und Testung geeigneter Funkknotensteher für einen
optimalen, möglichst störungsfreien Feldeinsatz.
• Testung der über die Basisstationen angebundenen Klimasensoren
(Niederschlags- und Windsensoren)
43
4.3.1 Adaptierung der Software 4.3.1.1 Basisstations- und Funkknoten- Software Funkknoten- und Basisstations-Software sind verantwortlich für alle Prozesse, die
direkt auf den Basisstationen und den Funkknoten und auf den Übertragungswegen
über Funk- und Internetverkehr ablaufen.
4.3.1.1.1 Basisstations-Software Die Software der Basisstation befindet sich auf einer Mini-SD-Karte, die sich in dem
SD-Kartenslot des Trizeps befindet, der wiederum auf der obersten von zwei
Platinen steckt. Damit die Software der Basisstation aktiv ist, muss diese mit einem
für die Aktivierung vorgesehenen Namen benannte werden (in unserem Fall:
update.exe). Die Aufgaben der Basisstationssoftware sind folgende:
• Die Basisstation stellt die Verbindung zwischen Anwender und den
Funkknoten her.
• Der Kontakt zu den Funkknoten erfolgt über die Funkfrequenz von 868MHz.
• Die Verbindung zum Datenbankserver erfolgt über GPRS oder WLAN.
• Durch Zugriffe in bestimmten Zeitabständen (einstellbar oder voreingestellt)
auf den Datenbankserver holt sich der Master die aktuellen Auftragslisten von
jedem Anwender und sendet im Gegenzug das von den Funkknoten
erhaltene Protokoll an den Datenbankserver.
• Während die Knotensoftware keine Berechnungen der gemessenen
Sensorwerte durchführt, besteht eine weitere Aufgabe der
Basisstationssoftware darin Systemfehler anhand von Sensorwerten
(Wasserdruck, Wassermenge), sofern diese Parameter berücksichtigt werden
sollen, zu erkennen.
• Die Basisstationssoftware ist zuständig für das Erkennen der in ihrem
„Zuständigkeitsbereich“ liegenden Funkknoten. Die Funkknoten werden
entweder fix einer Basisstation zugeordnet oder die Zuordnung erfolgt
automatisch von den jeweiligen Basisstationen anhand der Höhe der
Funkfeldstärke (dies muss allerdings noch entwickelt werden).
44
• Bei fehlgeschlagenen Serverbesuchen aufgrund schlechter
Internetverbindung aktiviert die Basisstationssoftware einen sog. Kaltreset,
wodurch der Hauptprozessor ausgeschaltet wird und das System nochmals
neu startet.
• Die auf dem Datenbankserver liegenden Protokolllisten werden bei
Serverzugriffen vonseiten der Basisstation mit den neuen Protokolleinträgen
ergänzt. Die Auftragslisten auf dem Datenbankserver werden hingegen bei
hochladen einer neuen Auftragsliste komplett mit dieser überschrieben.
4.3.1.1.2 Funkknoten-Software Die Aufgaben der Funkknotensoftware bestehen im Erkennen/Entschlüsseln und im
Ausführen der von den Basisstationen über die Funkfrequenz von 868MHz
gesendeten Aufträge (Schalten von Magnetventilen, Auslesen von verschiedenen
Sensoren zu Bodenfeuchte, Wasserdruck und Wassermenge). Des Weiteren wird
ein Protokoll mit den ausgeführten Aktionen und des ausgelesenen Sensorwerten,
die an der Basisstation im Hinblick auf Leckagenerkennung und
Systemüberwachung analysiert werden, an die Basisstation gefunkt.
Ein Funkknotensoftware-Update erfolgt durch „Flashen“ der Funkknotenplatine mit
dem kostenlosen Programm Elprotronic FET-Pro430-Lite.
4.3.1.2 Testsoftware, Anwendersoftware und –oberfläche Für die Bedienung der Funkbewässerungssteuerung und für vorgeschaltete Tests
auf Funkreichweite und Funkstabilität wurden verschiedene Softwareprogramme an
der HSWT (AmberTest, IrriMan) und von der Fa. AgrarSystem GmbH
(PCFunkMonitor, Irrigation-Manager) entwickelt.
4.3.1.2.1 PCFunkMonitor Mithilfe der Software „PCFunkMonitor“ (Abbildung 26) von der Fa. AgrarSystem
GmbH und eines am Desktop-Computer oder Laptop angeschlossenen Funksticks
(bei uns Model: USB Funkstick AMB8465 868MHz) können über die Funkfrequenz
von 868MHZ einzelne Funkknoten, die sich innerhalb der Funkreichweite befinden,
hinsichtlich Magnetventilschaltung oder Sensorwerte abgefragt und gesteuert
werden. Sowohl die zu übertragenden Informationen beim Sendevorgang vom
Funkstick zum Funkknoten als auch jene Informationen am Weg zurück werden
45
verschlüsselt über binäre Codes dargestellt. Diese Software wurde verwendet zur
Ermittlung der Funkreichweite und für spontane Funkknoten- bzw. Magnetventil- und
Bodenfeuchtesensorabfragen, ohne die Basisstationen dafür miteinbeziehen zu
müssen.
4.3.1.2.2 AmberTest Die an der HSWT entwickelte Software „AmberTest“ (Abbildung 27) wurde
ursprünglich zur Überprüfung der Funkknoten-Software entwickelt. Im Verlauf des
Projektes wurde es um weitere Funktionen ergänzt und dient nun in erster Linie der
kontinuierlichen Datenaufzeichnung und der Kontrolle des Funksystems.
Abbildung 26: Software „PCFunkMonitor“ mit verschiedenen Einstellmöglichkeiten und den angezeigten binären Code der Sende- und Empfangsmeldung
Abbildung 27: Übersicht über den Status der verschiedenen Funkknoten (links) sowie Aufzeichnung der Funkkomunikation im Klartext (rechts)
46
Über längere Zeiträume lässt sich der Datenaustausch per Funk beobachten
(Abbildung 28). Zusätzlich zu den Messdaten der Bodenfeuchte-Sensoren werden
Schaltkommandos für Ventile bzw. Aktoren sowie weitere Informationen (Spannung
der Batterie, Feldstärke des Funksignals) erfasst und aufgezeichnet. Ventile lassen
sich sowohl direkt als auch automatisch über einfache Testprogramme schalten. Die
erfassten Daten werden grafisch aufbereitet und stehen auch in Tabellenform zur
Verfügung.
4.3.1.2.3 Irrigation Manager Die Software „Irrigation Manager“ (Abbildung 29), entwickelt von der Fa.
AgrarSystem GmbH, bietet für den Anwender die Möglichkeit Bewässerungs- und
Sensorabfrageaufträge einzugeben, Datenbankserverbesuche festzulegen und sich
das von der Serverdatenbank geladene Protokoll anzusehen. Voraussetzung für den
Zugriff auf die Serverdatenbank ist eine Internetverbindung über GPRS oder WLAN.
Die erteilten Aufträge können beginnend ab einer vorzugebenden Startzeit täglich,
jeden zweiten Tag oder täglich wiederholend ausgeführt werden. Die Aufträge
können entweder einzeln formuliert werden oder mit bestimmten minütlichen oder
stündlichen Abstandsfolgen wiederholt werden. Für jedes im Programm
vorgesehene Magnetventil können Gießzeiten eingegeben werden. Bei den
Bodenfeuchtesensoren besteht die Möglichkeit der einmaligen oder in
anzugebenden Zeitabständen mehrmaligen Messung. Einzelne Aufträge oder die
gesamte Auftragsliste kann gelöscht werden. Beim Hochladen der Auftragsliste wird
die bereits dort gespeicherte und einem bestimmten Anwender zugeordnete
Auftragsliste komplett von der neuen Auftragsliste überschrieben. Sobald die
Abbildung 28: Software „AmberTest“ mit der Möglichkeit bestimmte Funkknoten anzusprechen und sich die Daten zu Bodenfeuchte (links), Magnetventilschaltungen und Energiestatus (rechts) der Funkknoten graphisch anzeigen zu lassen
47
Basisstation auf den Dantebankserver zugreift, holt diese sich die neuen Aufträge
und gleichzeitig wird das neue Protokoll auf den Datenbankserver übertragen.
4.3.1.2.4 IrriMan Mit dem Ziel, dem Anwender eine einfach zu bedienende Oberfläche zur Verfügung
stellen zu können, wurde an der HSWT begonnen, die Software IrriMan zu
entwickeln (Abbildung 30). Diese besteht aus einer web-basierten Oberfläche für
den Endbenutzer, aus einer Datenbank zur System- und Datenverwaltung, sowie
aus verschiedenen Schnittstellen zur Kommunikation zwischen den einzelnen
Komponenten.
Die Webanwendung wurde Serverseitig mit Apache und PHP realisiert. Auf Seiten
des Benutzers wird HTML5 in Kombination mit dem JavaScript-Framework jQuery
verwendet.
Abbildung 29: Irrigation Manager
Abbildung 30: Dialog zum Erstellen eines Bewässerungsauftrages (links). Dialog für einen einmaligen Bewässerungslauf (rechts)
48
Die Benutzeroberfläche wird im beantragten Projekt „Mobile Funkbewässerung
durch Funknetze“ weiter entwickelt und soll für die Benutzung mit mobilen
Endgeräten (Smartphone, Tablet) optimiert werden.
4.3.1.2.5 Datenbank-System Zur Speicherung der Daten und Einstellungen wird ein zentraler Datenbankserver
verwendet, dieser wird derzeit an der HSWT betrieben (Abbildung 31). Basierend
auf OpenSource-Software (MySQL unter Linux) ist es möglich, diesen als MySQL-
Cluster kostengünstig nach Bedarf auf zusätzliche Server-Hardware zu skalieren.
Zur Kommunikation mit der Datenbank wurden unterschiedliche Schnittstellen
entworfen. Diese ermöglichen den Datenaustausch der Basisstationen mit dem
Datenbank-System. Das Datenformat basiert auf XML, Bibliotheken zur Verwendung
dieser Schnittstellen auf Client-Seite stehen für Windows (.Net) als auch Linux
(Mono) zur Verfügung. Server-seitig wurden die Schnittstellen für Asp.Net (IIS unter
Windows Server) und PHP (Apache unter Linux) entwickelt.
Eine plattformunabhängige Implementierung in weiteren Sprachen, insbesondere
Java (Android), ist für das Folgeprojekt angedacht. Auch sollen zusätzliche Schnitt-
stellen für den Zugriff durch neue Benutzersoftware entwickelt werden.
Error-Reporting
Devices
Data
Control Loops
Geodata (GIS)
Network
Company
Acreages (Schlagdatei)
Cultures (Kulturdatei)
Companies
PK company
nameFK1 contact
Networks
PK network
nameFK1 company comment
Devices
PK device
nameFK3 nodeFK4 deviceinfo
Loops
PK loop
NameFK1 schlagFK2 parentLoop
Users
PK user
nameFK1 companyFK2 contact password
Acreages
PK acreage
FK1 parent (recursion)FK3 soiltypeFK4 geodata area typeFK2 company
CultureGroup
PK culturegroup
FK1 parent (recursion) More Data ???
Cultures
PK culture
FK1 culturegroup name
Varieties
PK variety
FK1 culture name supplier
Batch (Charge)
PK batch
FK1 variety bestBefore lot
CultureBatch
PK cultureBatch
FK1 batchFK2 acreage
Data
FK2 device Time Value
Units
PK unit
Name KürzelFK1 parentUnit SIFaktor
Geodata
PK geodata
type [Point|Polygon] name
Coordinates
PK coordinate
FK1 geodata latitude longitude height
VarietyScores (Sortenbonitur)
PK varietyscore
FK1 variety score
SoilTypes
PK soiltype
type [S|lS|sL|L|...] group [light|medium|heavy] Weitere Informationen: Verdichtung Staunässe Frostgefahr Beregnung Eingentumsverh.
Contacts
PK contact
address1 address2 zip city country phone mobile fax web mail
Jobs
PK job
FK3 algorithmFK4 loop StartTime Duration Comment
Nodes
PK node
FK1 network serialFK2 company isBasestation
DeviceInformations
PK deviceinfo
type [sensor|actor]FK1 unit information correctionFactor Weitere Informationen
Algorithms
PK algorithm
Name
Sensors
FK1 job threshold errorMin errorMaxFK2 device
Actors
FK1 jobFK2 device
Variables
FK1 job Name Value
Adresses
PK address
FK1 node validSinceFK2 geodata
CompanyMessageRecipients
FK1 userFK2 company
CompanyFailureRecipients
FK1 userFK2 company
JobFailureRecipients
FK1 userFK2 job
NetworkFailureRecipients
FK1 userFK2 company
JobMessageRecipients
FK3 userFK4 job
DebugFailureRecipients
FK1 user
DebugMessageRecipients
FK1 user
Abbildung 31: Datenbank-Entwurf mit Informationen u.a. zum Netzwerk, Regelkreisen und vorhandenen Geräten
49
4.3.2 Adaptierung der Hardware 4.3.2.1 Solarversorgung Verschiedene Kombinationen von Solarmodul, Lithium-Ionen-Akku und Laderegler
wurden unter variierenden Einstrahlungsverhältnissen getestet. Die Ergebnisse im
Versuchsjahr 2013 zeigten eine unterschiedlich stabile Energieversorgung der
Funkknoten, abhängig von Einstrahlungsintensität, Solarmodulleistung und Akku-
kapazität. Bei regelmäßigen Funkknotenabfragen und geringer Sonneneinstrahlung
über mehrere Tage konnte nur bei einer ausreichenden Solarmodulgröße verbunden
mit einer gewissen Akkukapazität eine konstante Energieversorgung der Funkknoten
gewährleistet werden. Das kleine Solarmodul PGLS-12250 von Pollin schnitt bei
geringer Einstrahlung am schlechtesten ab und konnte Energie für eine stabile und
konstante Energieversorgung zu wenig Energie generieren. Eine hohe Akku-
kapazität ist vor allem dann wichtig, wenn bei geringer Einstrahlung das Solarmodul
nur wenig Strom liefern kann, wodurch auch bei geringer Einstrahlung und hoher
Akkukapazität die Funkknoten länger stabil mit Energie versorgt werden können.
Höhere Akkukapazitäten bedingen zwangsweise bei den bisher verwendeten Blei-
gel-Akkus große Akkuabmessungen und stehen einer Hardware-Miniaturisierung
entgegen.
4.3.2.2 Magnetventile Die für unser Funkbewässerungssystem verwendeten Magnetventile (Baccara;
Dorot; RainBird; Bermad; Aquanet Plus) benötigen für zuverlässiges Schalten einen
auf ihre Konfiguration abgestimmten Schaltimpuls mit einer gewissen Zeitdauer und
Spannung. Durch die Untersuchung der zu den jeweiligen Magnetventilen
erhältlichen Ministeuercomputer (z.B. für das Bermad- und das Aquanet Pro-
Magnetventil wird der dazu passende Minischaltcomputer Aquapro Plus 9V DC
angeboten) und anhand von Tests auf der Vorversuchsfläche mit den angepassten
Funkknotenkonfigurationen wurde für alle im Projekt verwendeten Magnetventiltypen
jene Konfiguration ermittelt, mit denen die Magnetventile im Wasserdruckbereich
von 0-9,5 bar mit und ohne Leckage bzw. offenem Rohr zuverlässig auf- und
zumachen (Tabelle 4). Eine Impulsgenerierung über eine Kondensatorschaltung,
eine Impulsdauer von 80-100ms und eine Spannung von >12 Volt haben sich für alle
Magnetventiltypen und für alle potentiell auftretenden Wasserdruck- und
Leckagensituationen als optimal erwiesen.
50
Tabelle 4: Ergebnisse der Konfigurationsabstimmung mit Kondensatorschaltung für die Magnetventile ermittelt an-hand von Versuchen mit variabler Versorgungsspannung, Wasserdruck und Leckagensituation
Keine Leckage Bermad neu 2013 Rainbird neu 2013 BJ neu 2013 Baccara 2012 Aquanet Plus
Ein [V]
Aus [V] [bar] Ein
[V] Aus [V] [bar] Ein
[V] Aus [V] [bar] Ein
[V] Aus [V] [bar] Ein
[V] Aus [V] [bar]
>7 >7 9,5
(max) >7 >7 10
(max) >7 >9 8,5-9 (max) >9 >7
9,5-10 (max) >7 >7
9 (max)
>7 >7 6 >7 >7 6 >9 >9 6 >9 >9 6 >7 >7 6 >7 >7 4 >7 >7 4 >9 >9 4 >9 >7 4 >7 >7 4
Leckage am Rohrstrangende >7 >7 2,5-3,5 >12 >9 2-3 >7 >7 2-3 >9 >7 2-3 >9 >7 2-3
4.3.2.3 Bodenfeuchtesensoren In Bezug auf die verschiedenen Bodenfeuchtesensoren stellten sich im bisherigen
Projektverlauf die unterschiedlichen elektrischen Konfigurationen der Sensoren als
problematisch dar: Signalspannungen sowie die Versorgungsspannung und
Mindestbestromungsdauer variieren zwischen den Sensoren. Aus diesem Grund ist
es zwingend notwendig, dass jeder Sensoreingang der Funkknoten spezifisch an
den jeweiligen Bodenfeuchtesensor angepasst wird um korrekte Feuchtewerte zu
erhalten.
Die Praktikabilität und die Genauigkeit der Bodenfeuchtesensoren, und ein Vergleich
von Bodenfeuchtewerten ausgewählter Bodenfeuchtesensoren erhoben mit den
dazu passenden Auslesegeräten und den Funkknoten wurde in der Bachelorarbeit
von Herrn Florian Demling mit dem Titel „Einsatz von Bodenfeuchtesensoren zur
Bewässerungssteuerung im Knoblauchsland“ genau beschrieben. Unter anderem
wurden die Bodenwasserspannungswerte und deren Verläufe mehrerer Tensio-
meter, die in einem Gewächshausversuch des AELF Fürth im Gewächshausboden
an einem Salatbeet verwendet wurden, verglichen mit dem gravimetrisch erhobenen
Bodenwassergehalt (Abbildung 32).
51
4.3.2.4 Funkknoten- und Energieversorgungs- Befestigungen Zu Beginn der Versuchsperiode 2013 wurden alle Funkknoten mitsamt der
zugehörigen Energieversorgung an langen, stabilen Metallstehern befestigt
(Abbildung 33a). Nach kurzer Zeit stellte sich heraus, dass diese Steher, die an
unterschiedlichen Positionen der Versuchsfelder in den Boden gesteckt wurden,
aufgrund ihrer Länge bei bestimmten Pflegemaßnahmen mit Landmaschinen
hinderlich waren und versetzt werden mussten. Aus diesem Grund wurden in einem
ersten Schritt die Knotensteher gekürzt, sodass diese nun aufgrund ihrer Höhe von
Landmaschinen bzw. den Geräten zur Bestandespflege „überfahren“ werden können
(Abbildung 33b). Da nun die Funkknoten mit den kurzen Funkantennen (Länge von
8,2 cm, dies entspricht einer einfachen Wellenlänge der verwendeten Funkfrequenz)
bodennah an den Knotenstehern angebracht waren, konnte sowohl über größere
Funkentfernungen als auch bei einem Knotenstandort in einer leichten Senke kein
stabiler Funkverkehr mehr gewährleistet werden. Als Verbesserung wurde zwischen
Knotenplatine und Funkantenne ein geschirmtes Koaxialkabel eingesetzt. Mit dieser
Verlängerung entlang eines biegsamen Drahtes wurde die sich am Ende des Kabels
befindliche Funkantenne vom Boden weg geleitet (Abbildung 33c und d).
Abbildung 32: Gravimetrischer Wassergehalt (Säulen) und Wasserspannungsverlauf (Punkte mit Datenlinien) der digitalen Tensiometer an den Messpunkten 3, 5 und 7 im Boden mit Bewässerungsintervallen (blaue senkrechte Linien)
52
Die nächste Weiterentwicklung bestand im Austausch der fixen Metallsteher gegen
im Wintersport übliche Kippstangen, die sich über eine Metallfeder neigen können.
Die Biegsamkeit dieser Metallfeder kann über Verschraubungen eingestellt werden.
Diese Kippstangenvariante bietet die Möglichkeit das Solarmodul an unterschiedli-
chen Stellen anzubringen, sowohl in der Mitte mit überstehender Stange, als auch
am obersten Punkt der Kippstange (Abbildung 34). Die mittlere Anbringung
(Abbildung 34a) mit überstehender Kippstange bietet den Vorteil, dass bei Überfahr-
ten mit Landmaschinen die Kippstange durch die Bearbeitungsgeräte herunter ge-
bogen werden könnte, ohne Funkknoten und Solarmodul dabei zu schaden.
4.3.2.5 Veröffentlichungen und Vorträge Die im Rahmen des Projektes „Optimierung des Bewässerungsmanagements im
Knoblauchsland durch Funksysteme“ generierten Ergebnisse und Entwicklungen
wurden anhand von Publikationen veröffentlicht und an Tagungen in Form von
Vorträgen oder Postern vorgestellt.
a) b) c)
a) b) c) d)
Abbildung 33: a) Funkknoten ohne Funkantennenverlängerung und Solarversorgung auf ca. 1,5 m langem, und fixem Metallknotensteher; b) Funkknoten ohne Funkantennenverlängerung und Solarversorgung auf kurzem, bodennahem und fixem Metallknotensteher; c) und d) Funkknote
Abbildung 34: Funkknoten mit Funkantennenverlängerung auf kurzem Kippknotensteher mit Variationsmöglichkei-ten in der Anbringung des Solarmoduls
53
• Veröffentlichungen:
o Beck M. (2011): Optimierung des Bewässerungsmanagements im
Knoblauchsland durch Funksysteme. Informationsdienst Weihenstephan,
Ausgabe Dezember 2011.
www.hswt.de/forschung/infodienst/2011/dezember/forschungsprojekt.html
o Beck M., Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Peisl S. (2012):
Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch
Funksysteme. Informationsdienst Weihenstephan, Ausgabe Oktober 2012.
www.hswt.de/forschung/infodienst/2012/oktober/forschungsprojekt.html
o Hackl H., Mühlmann C., Beck M., Kirchberger F., Schmitt A., Sander G.,
Peisl S. (2012): Optimierung des Bewässerungsmanagements im
Knoblauchsland durch Funksysteme.
www.lwg.bayern.de/gartenbau/45378/
o Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.
(2012): Optimal bewässern per Funk – Bewässerungsmanagement mit
Funksystemen im Knoblauchsland. Gemüse – Das Magazin für den
professionellen Gartenbau, 12/2012.
o Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Schmitt A., Beck M., Sander G.,
Peisl S. (2013): Optimierung des Bewässerungsmanagements im
Knoblauchsland durch Funksysteme. Mitteilung für die Gartenbaubetriebe
im Bereich Gartenbauzentrum Bayern Mitte, 01/2013.
o Mühlmann C., Hackl H., Beck M., Peisl S. (2012): Funknetz zur
Bewässerung im Knoblauchsland. Proceedings der 32. GIL-Jahrestagung,
Potsdam, Seite 215-218.
o Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.
(2013): Funkbasierte Bewässerung fürs Bedienen aus der Ferne –
Forschungsprojekt im Knoblauchsland zur Arbeitserleichterung durch den
Einsatz von Funk beim Wassermanagement. TASPO, 24/2013.
o Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.
(2013): Bewässerungsmanagement im Knoblauchsland – Funkbasierte
Bewässerungssysteme. Gartenbau-Profi, 7/2013.
54
o Hackl H., Mühlmann C., Beck M., Kress O., Sander G., Peisl S. (2013):
Entwicklung einer funkbasierten Steuerung von Bewässerungsanlagen -
Ein Forschungsprojekt in Kooperation mit Gemüseproduzenten im
Knoblauchsland. Schule und Beratung, 9-10/2013.
• Vorträge:
o Beck M., Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Peisl S. (2012):
Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch
Funksysteme. Tagung der Gesellschaft für Kunststoffe in der
Landwirtschaft (GKL), Bamberg, am 23.04.2012.
o Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Sander G., Peisl S. (2012):
Funksysteme zur Steuerung der Bewässerung. Fortbildungsseminar des
Kuratoriums für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL), Bad
Waldsee, am 19.09.2012.
o Hackl H., Mühlmann C., Beck M., Peisl S. (2013): Optimierung des
Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme.
Gemüsebautag Knoblauchsland, Nürnberg-Neunhof, am 29.01.2013.
o Hackl H., Mühlmann C., Beck M., Peisl S. (2013): Optimierung des
Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme.
Jahressitzung des Wasserverbandes Knoblauchsland, Nürnberg-Neunhof,
am 04.02.2013.
o Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.
(2013): Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland
durch Funksysteme. Arbeitsbesprechung der bayerischen
Gemüsebauberater, Landshut, am 07.02.2013.
o Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Beck M., Peisl S. (2013):
Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch
Funksysteme. Versammlung zu den Bewässerungsprojekten Bayerns,
Wolnzach, am 14.02.2013.
o Hackl H., Mühlmann C., Beck M., Peisl S. (2013): Optimierung des
Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme.
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22. Bundesberatertagung für Fachberater Gemüsebau, Grünberg, von
05.-07.03.2013.
• Posterpräsentationen/Vorführungen:
o Hackl H., Mühlmann C., , Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.
(2012): Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland
durch Funksysteme. 3. Agrar-wissenschaftliches Symposium, Freising, am
20.09.2012.
o Beck M., Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Sander G., Peisl S.
(2012): Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland
durch Funksysteme. Feldtag zum Forschungsprojekt, Fürth-Ronhof, am
18.10.2012.
o Beck M., Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Sander G., Peisl S.
(2012): Erreichtes – Noch zu Erreichendes. Feldtag zum
Forschungsprojekt, Fürth-Ronhof, am 18.10.2012.
o Hackl H., Beck M., Mühlmann C., Kirchberger F., Sander G., Peisl S.
(2012): Erkennung von Rohrbrüchen und Leckagen. Feldtag zum
Forschungsprojekt, Fürth-Ronhof, am 18.10.2012.
o Mühlmann C., Beck M., Hackl H., Kirchberger F., Sander G., Peisl S.
(2012): Aktuelle Bewässerungssteuerungsmöglichkeiten und Ist-Situation
im Knoblauchsland. Feldtag zum Forschungsprojekt, Fürth-Ronhof, am
18.10.2012.
o Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.
(2012): Funknetz zur Bewässerung im Knoblauchsland. 33. GIL-
Jahrestagung, Potsdam, vom 20.-21.02.2013.
o Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.
(2013): Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland
durch Funksysteme. Tag der Offenen Tür des Versuchsbetriebes für
ökologischen Gemüsebau der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau
und Gartenbau, Bamberg, am 21.07.2013.
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5 Ausblick Die Entwicklung einer Bewässerungssteuerung über Funknetzwerke ist komplex.
Damit den Anwendern ein auf ihre betrieblichen Verhältnisse abgestimmtes und
optimales Bewässerungssteuersystem mit vielfältigen Funktionen angeboten werden
kann, sind ein zuverlässiger Funkverkehr, eine einfache Bedienbarkeit und eine
Konfigurationsabstimmung der Soft- und Hardware auf verschiedene zusätzlich
notwendige Sensoren und Magnetventile notwendig.
Ein Teil dieser angestrebten Ziele konnte bereits verwirklicht werden. Da aber noch
einige Ziele unerreicht blieben, wurde mit Beginn 01.11.2013 ein Projekt mit dem
Titel „Mobile Bewässerungssteuerung durch Funknetze“ beantragt, welches sich
aufbauend auf den Ergebnissen und Erkenntnissen des Projektes „Optimierung des
Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme“ mit der
Weiterentwicklung der Funkbewässerungssteuerung und der Implementierung neu
hinzugekommener Features bis hin zur Markreife beschäftigt.
Die in dem Folgeprojekt verfolgten Ziele liegen in einer möglichst hohen Flexibilität in
Bezug auf die Funkreichweiten (mind. 1,5 km) zwischen Basisstation, Funkknoten
und neu hinzukommenden Relaisstationen, in der Anbindung weiterer Sensor- und
Aktorsysteme sowie im Handling der Hardwarekomponenten. Die Leckagen- und
generelle Systemüberwachung wird in ihrer Erkennungsgenauigkeit noch weiter
verfeinert.
Des Weiteren werden zeit- und bodenfeuchteabhängige, klimatisch- und
benutzergesteuerte Bewässerungsmöglichkeiten in die bereits entwickelte
Steuersoftware implementiert. Die Benutzeroberfläche für die Steuerung des
Bewässerungssystems soll für den Anwender möglichst einfach und übersichtlich,
jedoch mit allen notwendigen Einstell- und Eingabemöglichkeiten gestaltet werden.
Damit die vom Anwender erteilten Bewässerungsaufträge möglichst zeitnah
ausgeführt werden, werden die Serverdatenbankzugriffszeiten möglichst kurz
gewählt (ca. 10 Minuten).
Neben der möglichst starken Hardwareminiaturisierung v.a. der Funkknoten, liegt ein
weiteres Hauptaugenmerk in einer zuverlässigen und kostengünstigen Energie-
versorgung. Die Stromversorgung über Solartechnik in Kombination soll mit der
Lithium-Polymer-Akkutechnologie optimiert werden. Als weitere Alternative zur
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Stromerzeugung kann eine Wasserturbine in die im Knoblauchsland üblicherweise
verwendeten 2“-Bewässerungsrohre eingebaut werden. Diese Wasserturbine wird in
einer Forschungskooperation zwischen der Hochschule Amberg-Weiden und der
Hochschule Regensburg entwickelt3.
Gegen Ende des geplanten Folgeprojektes (Dezember 2015) ist mit einer
marktreifen und bereits auf Partnerbetriebsflächen getesteten
Bewässerungssteuerung zu rechnen.
3 TWO-Wasserrohr, Prof. Dr. A. Weiss (HS Amberg-Weiden), Prof. Dr. M. Schubert (HS Regensburg)
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6 Zusammenfassung Damit im Freilandgemüseanbau unabhängig von den jährlich schwankenden
Wetterverhältnissen die notwendigen Qualitäten und Erträge bei möglichst
nachhaltigem Wasserressourceneinsatz erzielt werden können, wird ein erheblicher
Arbeits- und Zeitaufwand betrieben. Basierend darauf und auf Erkenntnissen
vorheriger Projekte war in dem Projekt „Optimierung des Bewässerungs-
managements im Knoblauchsland durch Funksysteme“ das Ziel, ein funkbasiertes
Bewässerungssteuersystem speziell für den Freilandgemüsebau gemeinsam mit
mehreren Projektpartnern aus der Forschung, Wirtschaft und der Praxis zu
entwickeln. In zwei Freilandsaisonen auf Vorversuchsflächen im Knoblauchsland
und an der HSWT und auf Gemüsebauflächen der Praxisbetriebe wurden die
zentralen Funkknoten- und Basisstationskomponenten gemeinsam mit den
verschiedenen Magnetventilen und Sensoren getestet und sukzessive
weiterentwickelt. Von zentraler Bedeutung war es, einen zuverlässigen Funkverkehr
zwischen den Basisstationen und den Funkknoten und eine lückenlose
Protokollierung der Bewässerungsereignisse, Bodenfeuchte- und Klimawerte zu
realisieren. Dabei wurde eine möglichst hohe Kompatibilität zu den am Markt
erhältlichen Boden-, Wasserüberwachungs- und Klimasensoren und den
Magnetventilen unter Berücksichtigung von deren unterschiedlichen elektrischen
Konfigurationen angestrebt. Des Weiteren wurden verschiedene
Funkknotenstehervarianten für einen störungsfreien Feldeinsatz und eine autarke
Energieversorgung über möglichst kleindimensionierte Solarpanele und Lithium-
Ionen-Akkus getestet. Die Softwarebenutzeroberfläche für Desktop-Computer und
Laptop wurde in einer ersten Version bereits unter Abstimmung mit einem
Partnergemüsebaubetrieb möglichst benutzerfreundlich erstellt.
In dem beantragten Folgeprojekt „Mobile Bewässerungssteuerung durch Funknetze“
werden die bereits begonnenen Entwicklungen weitergeführt, auf Robustheit im
Praxiseinsatz getestet und noch weiter mit den beteiligten Partnerbetrieben auf die
Verhältnisse im Freilandgemüsebau abgestimmt. Das Ziel in diesem Projekt ist
letztendlich die Entwicklung eines sich im Knoblauchsland und generell im
Gemüsebau bewährten und marktreifen Funkbewässerungssystems.
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Autoren:
• Dr. Harald Hackl
• Dipl.-Ing. (FH) Christoph Mühlmann
• Dr. Michael Beck
Veitshöchheim, den:______________
Veitshöchheim, den: ______________
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Gerd Sander Abteilungsleiter
Gartenbau LWG
Prof. Dr. Sebastian Peisl Präsident LWG