Vollautomatische Pflanzenbewässererung mit IP-Symcon

Vorgeplänkel

Nach meinem Koubachi-Desaster vor einigen Jahren (ja, die Dinger ärgern mich immer noch – auch wenn sie schon längst auf irgend einer Müllkippe die Bodenfeuchte messen) hatte ich mich eingehender mit Bodenfeuchte-Sensoren befasst und realisiert, dass es eigentlich kaum brauchbare Systeme gibt. Meistens waren diese Alterung, Verschleiß oder irgendwelchen anderen Einflüssen ausgesetzt, so dass deren Einsatz bei mir wenig Begeisterung erzeugte. Irgendwann bin ich dann auf die VH400-Teile gestoßen. Diese arbeiten kapazitiv und somit verschleißfrei (nach 2 Jahren Dauerbetrieb würde ich sogar darauf wetten). Sie erzeugen keinen Stromfluss im Boden oder ähnliches, so dass man hier auch kaum schädliche Nebenwirkungen auf das Biotop befürchten muss.

 

Rahmenbedingungen (Pflichtenheft)

Grundsätzlich ging es mir um die vollautomatische Bewässerung von 2 Pflanztrögen (100cm x 20 cm), die auf dem Balkon (Südost) stehen und die Lebensgrundlage für meinen Balkon-Efeu bilden. Darüber hinaus wollen sie auch Wasser haben, und das nicht zu knapp. Da ich des Öfteren beruflich länger unterwegs bin, tut sich hier recht schnell ein Konflikt auf, der die Halbwertzeit des Efeu’s schnell und drastisch reduzieren kann. Da ich mich inzwischen zu den ausgewachsenen Home-Automatisierern zähle, löst man ein solches Problem nicht mit Nachbarn, sondern mit IP-Symcon. Da war recht schnell klar, welche Komponenten benötigt werden:

• Einen/mehrere Wassertank(s) => ich habe leider keinen Wasseranschluss auf dem Balkon
• ein handelsübliches Pflanzen-Bewässerungssystem
• Bodenfeuchte-Sensoren
• Funk Schaltaktoren 230V
• Software für die Steuerung via IP-Symcon

Die Bewässerungsanlage soll mindestens 2 Wochen lang völlig autark den Efeu bei Laune halten können. Weiterhin musste unbedingt eine Messung der Bodenfeuchte dabei sein, um einen geschlossenen Regelkreis aufbauen zu können. Alles andere ist (auf Dauer) einfach Schrott: der Wasserbedarf der Pflanzen schwankt einfach zu stark. Ich habe lange gegrübelt und letztendlich ein System zusammen gestellt, mit dem ich technisch sehr zufrieden bin. Auch nach 2 Jahren Betrieb! Im Detail sind das folgende Komponenten (je 1x pro Pflanzentrog):

 

Wassertanks: 22 Liter Weithals-Kanister

Die Planzenkübel stehen am linken und rechten Ende des Balkons. Somit komme ich nicht umhin, je einen Wassertank neben den Pflanzenkübeln aufzustellen. Auch hier hab ich reichlich gegrübelt und suchen müssen, um was halbwegs passendes zu finden. Am Ende bin ich bei 22 Liter Kunststoff Weithalskanistern gelandet. Pro Woche habe ich bisher – je nach Saison und Witterung 5-10 Liter pro Pflanzkübel gegossen. Somit müsste ich mit einem 22 Liter Tank mindestens 2 Wochen hinkommen – passt also.

Warum ‚Weithals‘? Weithals beschreibt eine Tanköffnung mit Innendurchmesser von 88mm. Damit passt die Pumpe der Gardena Urlaubsbewässerrung problemlos durch die Öffnung. Alle anderen Behältnisse wären eine Herausforderung geworden.

 

Bewässerungssystem: Gardena Urlaubsbewässerung

Die hatte ich vor 20 Jahren schon sehr erfolgreich in meiner damaligen Wohnung im Einsatz. Obwohl es damals keine zwingende Notwendigkeit für solch ein System gab: ich musste sowas haben. Und ich hab recht schnell kapiert, dass das regelmäßige Gießen durch solch eine Anlage mehr Wert ist als 2 grüne Daumen: die Pflanzen hatten sich durch die Gießautomatik unglaublich gut entwickelt – um Welten besser als durch manuelles Gießen. Die Herausforderung war „nur“, das System auf die richtige Gießmenge pro Pflanze zu justieren. Und genau hier liegt der Haken: es dauert Wochen, bis man die richtige Gießmenge raus hat. Dann ist der Winter um, die Wachstumsperiode beginnt, und das Spiel mit dem justieren beginnt von vorn. Dann kommt noch ständig schwankende Sonneneinstrahlung nebst daraus resultierender unterschiedlicher Wasseraufnahme der Pflanzen hinzu etc. etc. Und wir reden hier von recht stabilen Umweltbedingungen: nämlich in der Wohnung. Im aktuellen Projekt aber geht es um halbwegs realitätsnahe Umweltbedingungen: Wetter auf dem Balkon! Also stärker schwankende Temperaturen, Sonneneinstrahlung, stark schwankende Luftfeuchte, Wind (staun!). Also fast alles, was in der realen Welt auch vorkommt – bis auf Regen (mein Balkon ist überdacht). Mit einer einmaligen Justage der Bewässerungsanlage kommt man hier nicht weit. Oder man kauft alle 8 Wochen neuen Efeu. Würde ich gern vermeiden!. Somit wären wir bei der nächsten (und wichtigsten) Systemkomponente:

 

Bodenfeuchte-Sensoren: Vegetronix VH400

Mit den Koubachi-Sensoren habe ich gelernt, wie wichtig es ist, Sensoren zu haben, die über einen langen Zeitraum konstante und reproduzierbare Meßergebnisse liefern. Das Funktionsprinzip der VH400 (kapazitiv) hat mich sofort überzeugt. Kleiner Nachteil war, dass die Teile in Deutschland nicht erhältlich waren (inzwischen gibt es in D mindestens einen Händler, der die Dinger vetreibt). Das führte dazu, das ich 2 der kleinen Kerle direkt aus USA importiert habe. Ordentlich verzollt, lagen sie nach kurzer Zeit auf dem Tisch.

Da ich wegen diverser Wettersensoren einen ADAM 6017 in Betrieb habe (an dem zufällig noch 2 Analog-Ports frei waren), war das Problem der Anbindung an IP-Symcon auch von selbst gelöst: die vom VH400 abgegebene Signalspannung wird vom ADAM 6017 in ein digitales Signal gewandelt und via Ethernet an meinen IP-Symcon Server geschickt. In IP-Symcon kommt das ganze dann wieder als digitaler Spannungswert an, der von einem PHP-Script in den VWC (Volumetric Water Content) gewandelt wird. 

 

Funkakaktoren: HomeMatic Funk-Schaltaktor 1fach ( HM-LC-Sw1-FM)

Da ich als Bewässerungssystem das Gardena Urlaubsbewässerungen beschafft habe, welches einen Riesenklotz von Trafo beinhaltet (ein echter Kupfer-Trafo, gefühlt 5 kg schwer), wollte ich meinem Stromversorger keinen Dauerbetrieb zumuten. Nicht wegend des Gewichts, sondern wegen des zu befürchtenden Stromverbrauchs. Also musste die Stromversorger für das Bewässerungssystem aus IP-Symcon heraus zu- und abschaltbar gemacht werden.

Da ich von Anfang an auch Homematic einsetze, lag ein entsprechender Funk-Schaltaktor nahe. Diese schalten die 230V-Seite des Trafos. Das hat gleich 2 angenehme Effekte: a) senke ich dadurch den Stromverbrauch des Systems und b) habe ich dadurch eine höhere Flexibilität in der Pumpensteuerung. Der Trafo beinhaltet nämlich eine 24h Schaltfunktion. Diese schaltet die angeschlossene Pumpe 1x für 1 Minute alle 24h ein. Über den vorgeschalteten Funkaktor kann ich diese Schaltuhrfunktion umgehen, indem ich den Trafo via Funkaktor einfach stromlos schalte. Ich könnte so z.B. alle 10 Minuten die Pumpe für eine Minute aktivieren, wenn es erforderlich wäre.

Umgekehrt habe ich durch diese Kombination eine erhöhte Betriebssicherheit: sollte der Funkaktor einmal nicht erreichbar/defekt sein (und nicht mehr abschalten), würde die Pumpe max. 1x alle 24h für eine Minute einschalten und Wasser in die Pflanztröge pumpen.

Also lag es nahe, die Wassermenge so zu dimensionieren, dass in diesem (Not-) Fall der Efeu weder ertränkt noch ausgehungert wird. Da ich pro Woche ca. 5-10 Liter gegossen hatte, habe ich mich für eine Wassermenge pro Pumpintervall von 1.5 Liter entschieden. 

 

Software: selbstentwickelte Bewässerungssteuerung für IP-Symcon

Ein wenig PHP-Gekritzel ist auch wieder im Spiel: ich habe ein -inzwischen recht komplexes – Steuerprogramm geschrieben, welches alle für die Bewässerungssteuerung notwendigen Parameter verwaltet/steuert. Hier die Funktionen im Überblick:

• Überwachung der Bodenfeuchte eines Pflanzentrogs
• Manuell- und Vollautomatik-Modus
• Einstellbarer Schwellwert für Bodenfeuchte
• Einstellbarer Programmintervall (1-24h)
• Einstellbare Pausenzeiten (in denen nicht bewässert wird)
• Frostschutz-Funktion
• Statistikfunktionen
• Pumpensteuerung mit 5 Minuten Nachlauftimer
• Management des Wassertank-Vorrats
• Info-Mailing
• Aktivitäten-Protokoll

Aktuell tut die Steuerung folgendes: alle 4h wird der Bodenfeuchte-Istwert mit dem Schwellwert verglichen. Ist der Schwellwert unterschritten, wird die Pumpe (respektive das Gardena Netzteil) via HM Funkaktor für 5 Minuten mit 230V versorgt. Nach Einschalten der Spannungsversorgung setzt sofort ein Pumpenzyklus von genau 60 Sekunden ein. Über die Schlauchverteiler (die pro Schlauchanschluss eine genau definierte Wassermenge abgeben) und die daran angeschlossene Anzahl der Bewässerungsschläuche ist die Wassermenge pro Pumpzyklus ziemlich exakt definiert. In meinem Fall sind es 1,5 Liter. Das ist auch genau reproduzierbar. Daraus lässt sich auch gut die Vorratsmenge in den Wassertanks ermitteln: pro Pumpzyklus werden von der max. Vorratsmenge (20 Liter) 1,5 Liter abgezogen. Selbst nach 10 Pumpzyklen habe ich eine Differenz zwischen berechneter Vorratsmenge und tats. Vorratsmenge von <0,5 Liter. Natürlich bekomme ich nach jedem Pumpvorgang eine Mail mit der verbleibenden Vorratsmenge, Infos über den aktuellen VWC etc. etc. Die Software hat einen Endanschlag: wenn weniger als 3 Liter im Tank sind, wird kein Pumpzyklus mehr ausgelöst (statt dessen gibt es Warnmails, der Software-Durchlauf wird auf 1x in 24h reduziert).

Was hab ich mir vorher den Grübel-Kübel heißlaufen lassen, wie ich wohl das Thema mit dem Wasservorrat möglichst einfach mittels Sensorik und Anbindung an IP-Symcon lösen könnte. Aller viel zu kompliziert! Durch die Berechnung per Software komme ich prima ohne Sensorik aus. Wieder eine Komponente, die nicht ausfallen kann.

Viel tiefer will ich an der Stelle nicht in die Technik und Softwarelösung einsteigen – entscheidend ist, wie sich das Konstrukt in der Praxis macht. Und das war a) nicht einfach hinzubekommen und hat mich b) zeitweise heftig ins Grübeln gebracht. Und dazu kommen wir jetzt.

 

Nicht ganz unwichtig: die Praxis

Es hat ne ganze Weile gedauert, bis ich das Ganze halbwegs im Griff hatte – und noch länger, bis der Efeu das auch gemerkt hat.

Das erste Jahr

Nachdem ich alle Komponenten beschafft hatte, ging es an den Aufbau. Pumpe mit den Schlauchverteilern verbunden, Tropfschläuche angeschlossen und schön gleichmäßig  im Pflanztrog verteilt. Konkret hatte ich mit 12 Schläuchen a 60 ml angefangen. Macht ca. 0,7 Liter pro Pumpzyklus. Die Überlegung: ich kann ja via Software so oft wie ich will pumpen. Und durch den VH400 wird eh gemessen und somit festgestellt, wann genug ist. Damit wären wir bei Problem 1: wann ist genug – also in % VWC ausgedrückt? Wer (der sich noch nie mit wissenschaftlicher Bodenanalyse befasst hat) kann schon sagen, ob der Boden grade 20, 40 oder 55% VWC hat? Also ich nicht. Gut war, dass kurz vorher der Wettermast eine VWC Meßstelle in Betrieb genommen hat. So hatte ich wenigstens eine Referenz (zumindest dachte ich am Anfang, es wäre eine).

Auch war es nicht einfach, im Web ein paar Angaben über die optimale Bodenfeuchte (in %VWC natürlich) für Pflanzen, insbesondere Efeu zu finden. So gut wie nichts! Irgendwo hab ich dann was von 30% gelesen. Auch der Wettermast zeigt eine Bodenfeuchte zwischen 30-35% in 10cm Tiefe an. Ok, also fangen wir mal damit an.

Dann stellte sich die Frage: wo genau den VH400 versenken? Zu dicht an den Tropfstellen würde eine viel zu hohe Bodenfeuchte suggerieren, zu weit weg – und der Sensor merkt gar nicht, dass gegossen wurde. Warum das so ist merkte ich nach ein paar Wochen: Leider breitet sich das Wasser, das via Tropfschlauch a) nicht gleichmäßig, b) lieber senkrecht nach unten als horizontal  und c) sehr langsam aus. Grundsätzlich kann man sich gleich von dem Gedanken verabschieden, dass der Boden im Pflanztrog nach einer gewissen Zeit gleichmäßig durchfeuchtet ist. Und das hat fast 2 Jahre lang zu Kopfzerbrechen geführt. Also muss man einen Kompromiss finden, was die Position des VH400 angeht: nicht zu dicht, aber auch nicht zu weit weg von den Tropfschläuchen.

Jedenfalls hatte ich nach der ersten Saison realisiert: so, wie es jetzt läuft, wird das nichts. Der Efeu sah das auch so: er ist so gut wie gar nicht in dem Jahr gewachsen. Und das ist für Efeu extrem ungewöhnlich.

Als dann im Januar der erste Frost hereinbrach, hab ich die Anlagen abgebaut und ins Haus geholt (das ist unbedingt zu empfehlen: ich denke, dass weder die Pumpe noch die Schlauchverteiler frostsicher sind). Wie gut, dass ich das ganze Konzept von Anfang an ‚mobil‘ geplant hatte: jederzeit ohne großen Aufwand demontierbar. Im März gings dann wieder raus: aufgebaut, neuer Versuch.

Zwischenbilanz 1. Jahr

Aus der Reaktion des Efeus wurde nach der 1. Saison klar: so kann es nicht weitergehen!

Offensichtlich habe ich die Beiden Balkon-Bewohner viel zu trocken gehalten. Und das aus 2 Gründen:

1. Ist es mit diesem Bewässerungssystem kaum möglich, eine gleichmäßige Durchfeuchtung des Bodens zu erreichen
2. Kann man einen Bodenfeuchte-Wert aus der freien Natur nicht auf diese Kombination von Bewässerungsanlage und Pflanztrog anwenden: mit 30% (damit bin ich gestartet) ist man viel zu trocken unterwegs!

Weiterhin hat sich herausgestellt, dass die Intervalle der Software-Durchläufe (also die Auswertung der Bodenfeuchte) viel zu kurz waren: statt anfangs 1h bin ich jetzt bei 4h. Scheint mir optimal zu sein.

Also neuer Anlauf im Folgejahr.

 

Das zweite Jahr

Den Winter über immer wieder den eigenen Grübel-Kübel auf Touren gebracht,  wurde mir klar, dass hier mit nur 12 Tropfschläuchen nichts zu gewinnen ist. Also habe ich den Einsatz verdoppelt: 24 Tropfschläuche pro Pflanztrog. Deutlich dichter angeordnet. Somit erreiche ich hoffentlich eine etwas gleichmäßigere Durchfeuchtung des Bodens. Durch die höhere Anzahl der Tropfschläuche dann auch noch die doppelte Wassermenge – hoffentlich merkt es der Efeu auch. Den VH400 habe ich nun so in den Boden gerammt, dass er in etwa den gleichen Abstand zu allen umliegenden Tropfstellen hat.

Ein Tipp an dieser Stelle: wird die Position des VH400 im Boden verändert, sollte man diesen anschließend angießen. Nicht lachen: macht man das nicht, bekommt man unter Umständen keine – im Vergleich zu vorher – reproduzierbare Werte.

Ich habe in diesem Jahr auch den Schwellwert für die Bodenfeuchte erhöht – von ca. 30%-40% im letzten Jahr auf nun 40%-50%. Aber nach 3 Monaten stellte sich heraus: das fand der Efeu immer noch nicht gut – und wuchs nicht. Dann habe ich den Schwellwert auf 60% heraufgesetzt – jetzt bekam die Sache langsam leben. Wobei hier deutlich zu sagen ist: die genannten 60% sind keinesfalls als Referenzwert zu sehen, da der Wert stark von der Position des VH400 abhängt!

Um die beste Position für den VH400 zu ermitteln, muss man etwas experimentieren – die Messwerte sind sehr stark von der Position des VH400 abhängig. So ist der VWC in Wurzelnähe deutlich größer (+10% sind nicht ungewöhnlich) als in einigen cm Entfernung zu größeren Wurzeln. Ich positioniere daher den VH400 möglichst weit weg von den Wurzelzentren des Efeus.

Zwischenbilanz 2. Jahr

Das Jahr ist noch lange nicht rum, dennoch ist eine Entwicklung zu sehen: nach einer Durststrecke im Frühjahr scheint sich der Regelkreis eingependelt zu haben. Jetzt (im Sommer) laufen die Pumpen alle 1-2 Tage an, an sehr warmen Tagen auch durchaus 2 Mal am Tag. Im Bild sieht man einen in den ersten 7 Monaten (Stand Ende Juli) stark gestiegenen Wasserverbrauch. Ich gehe davon aus, dass der Wasserverbrauch in den Monaten März bis Juni viel zu gering war. Der Verbrauch im Juli liegt etwa bei dem Wert, den ich in den Jahren davor (jeweils im Juli) manuell gegossen habe. Ich denke, dass ich jetzt die richtigen Einstellungen für das System gefunden habe.

Der Efeu hat das scheinbar auch mitbekommen: er legt seit einigen Wochen deutlich im Wachstum zu. Ich denke, dass sich im kommenden Jahr dann bestätigen lässt, dass die Einstellungen jetzt passen.

 

Zusammenfassung

Das Thema ‚vollautomatische Bewässerung‘ war doch deutlich komplexer,als anfangs angenommen. Das eigentliche Problem ist hier die Feuchtemessung. Besser gesagt: die (nicht) gleichmäßige Durchfeuchtung des Bodens und die daraus resultierende Feuchtemessung. Wenn man erstmal kapiert hat, dass die Feuchtemessung unter diesen Rahmenbedingungen nichts mit der realen Natur zu tun hat, kommt man sehr schnell zu brauchbaren Ergebnissen.

Im Klartext: ich habe mich anfangs an Bodenfeuchte-Empfehlungen und Messwerten orientiert, wie sie in der Natur üblich sind. Da in diesem Kontext die gleichmäßige Durchfeuchtung quasi unmöglich ist (und sich Wet-Spots bilden), ist das VWC-Messergebnis stark von der Position zu den Tropfstellen abhängig. Und damit nicht vergleichbar mit realen Bedingungen in der Natur. Man sollte immer wieder mal (gerade am Anfang) den prüfenden Finger (ob Zeige- oder Mittelfinger ist hier egal) in den Boden stecken, um ein Gefühl für die Bodendurchfeuchtung zu bekommen. Die optische Prüfung der Feuchte der Bodenoberfläche funktioniert hier nicht, da das Wasser an den Tropfstellen sofort nach unten sickert und keine Chance hat, sich an der Oberfläche auszubreiten. Während die Oberfläche staubtrocken wirkt, kann es darunter richtig nass sein!

Zur Kalibrierung des Meßwerts gehe ich wie folgt vor: Den Boden kräftig gießen, so dass dieser richtig gesättigt ist (bei mir sind das pro Pflanzkübel locker 10-15 Liter, die über den Zeitraum von einer Stunde zugeführt werden). Wenn der VH400 dann (etwa 1h nach dem letzten Gießen) einen Wert von etwa 60%-65% anzeigt, dann ist das m.E. optimal. Wenn nicht, würde ich den VH400 nochmal anders positionieren (danach angießen des Sensors nicht vergessen!). So habe ich die obere Grenze der Bodenfeuchte ermittelt. Nun heißt es, einige Tage abwarten und immer wieder prüfen (mit dem Finger), in wie weit die Bodenfeuchte einen Wert erreicht hat, bei dem ich manuell nachgießen würde. Das ist dann der untere Grenzwert. Den Schwellwert für die Software würde ich 2-4% darüber setzen. Bei mir liegt der Sättigungswert bei ca. 65%, der untere Grenzwert liegt bei etwa 50%. Den Schwellwert habe ich aktuell auf 52% gesetzt. Hört sich sehr hoch an (wenn man das mit Bodenwerten in der Natur vergleicht), aber wir haben ja gelernt: das ist ein relativer und damit nicht vergleichbarer Wert. Entscheidend ist hier, dass ich einen brauchbaren unteren Grenzwert finde – unabhängig davon, wie groß der Wert ist.

Verändert man später die Position des VH400 (z.B. beim Aufbau nach dem Winter), sollte diese Prozedur wiederholt werden).

Ein paar Regeln, die sich darüber hinaus aus meinen Beobachtungen und Überlegungen ergeben haben:

• Je geringer die durchschnittliche Bodenfeuchte, desto schlechter die gleichmäßige Durchfeuchtung durch die Bewässerung (es bilden sich Feuchte-Inseln um die Trofpstellen, der Rest trocknet aus)
• je größer die Wassermenge pro Pumpzyklus, desto besser und gleichmäßiger die Durchfeuchtung
• Möglichst viele Tropfstellen planen, es sollten Abstände unter 10 cm zueinander angestrebt werden
• Den VH400 möglicht nicht direkt im Wurzelballen der Pflanze versenken, sondern möglichst weit davon entfernt
• Der gemessene VWC hängt sehr stark von der Einstecktiefe des VH400 ab. Ich habe ihn grundsätzlich so tief drin, dass das untere Gehäuse-Ende ca. 1cm tief im Boden steckt (je tiefer, desto höher der Messwert)

Ich denke, ich werden diesen Artikel weiterhin ständig ergänzen .. hier ist noch längst nicht alles gesagt ;-)

 

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