Gewächshaus mit dem Raspberry Pi automatisieren

© Martin Mohr

Gartenhimbeere

In einem Gewächshaus muss das Klima stimmen: Die Temperaturen dürfen nicht zu hoch steigen oder zu sehr absinken, auch das Gießen sollte man nicht vergessen. Ein RasPi als Schaltzentrale spart da viel Arbeit.

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Dieser Artikel zeigt, wie der Raspberry Pi Einzug in den heimischen Garten hält und bei der Automation eines Gewächshauses hilft.

Seit ein neues Gewächshaus im Garten steht, kreisen die Gedanken nur noch um das eine: Da geht doch was! Warum immer von Hand die Fenster öffnen und schließen, die Pflanzen wässern? Mit einem RasPi als Steuerung, ein paar Sensoren und einer Solarzelle als Stromquelle müsste sich das Gewächshäuschen doch optimieren lassen.

Der Raspberry Pi als Gärtner

Gerade im Hochsommer dürfen Gewächshäuser nicht überhitzen, weswegen sie alle über eine oder mehrere Luken auf dem Dach verfügen. Der Aufbau einer Mechanik, die die Dachfenster elektrisch öffnet, stellt jedoch keine triviale Aufgabe dar und erfordert zudem das eine oder andere teure Bauteil. Daher setzen wir zur Klimatisierung handelsübliche PC-Lüfter ein. Ob diese im rauen Klima eines Gewächshauses langfristig überleben, muss sich erst noch zeigen. Immerhin kosten uns die Lüfter keinen Cent, denn sie lagen noch in der Bastelkiste.

Zum Erfassen von Messdaten dienen einfache serielle Sensoren, die der RasPi über die GPIO-Schnittstelle ausliest. Die Lüfter steuert er über den PWM-Port des GPIO-Interfaces an. Einige Ports bereiten wir zum Schalten einfacher Verbraucher vor, etwa zum Steuern der Beleuchtung oder für Pumpen zur Bewässerung.

Als Steuersoftware verwenden wir simple PHP-Skripte. Sie schreiben die Messwerte in eine MySQL-Datenbank, sodass wir sie später grafisch aufarbeiten können. Ein Apache-Webserver fungiert als Frontend, eine Reihe von Cronjobs übernimmt das zeitgesteuerte Ausführen der Aufgaben.

Ökostrom für den RasPi

Im ersten Schritt widmen wir uns dem Thema Energieversorgung. Ein Raspberry Pi, der ja nur rund 3,5 Watt aufnimmt, müsste sich eigentlich vollständig mit Solarstrom versorgen lassen.

Mit der Sonne ist das allerdings so eine Sache: Im Sommer, bei 10 und mehr Sonnenstunden pro Tag, stellt das Versorgen eines RasPi kein Problem dar. Bei trübem Schmuddelwetter im sonnenarmen Winter sieht das schon ganz anders aus. Daher erhebt sich zwangsläufig die Frage: Wie lange soll die Steuerung des Gewächshauses komplett ohne Sonneneinstrahlung auskommen?

Unser Ansatz zur Auslegung der solargestützten Stromversorgung besteht darin, dass die Anlage auch im tiefsten Winter und bei tagelangem Regenwetter einsatzbereit bleiben muss. Zusätzlich sollen genug Energiereserven für weitere Projekte bleiben. Die von uns angenommenen Werte sind nicht in Stein gemeißelt, bei Bedarf passen Sie diese für Ihre Anlage ein wenig nach oben oder unten an.

Wir gehen davon aus, dass der Raspberry mit allen angeschlossenen Extras und Verlusten 12 Watt benötigt – vermutlich liegt der reale Wert etwas niedriger, aber mit 12 Watt lässt sich gut rechnen, weil der Akku eine Spannung von 12 Volt bereitstellt. Bei einem Strom von 1 Ampere ergibt sich also eine Leistung von 12 Watt. Die folgende Liste zeigt, dass wir mit den geschätzten 12 Watt ziemlich dicht an die realen Werte herankommen:

  • Raspberry Pi: 3,5 W
  • Lüfter (im Betrieb): 6 W
  • Verluste der Anlage: 2 bis 3 W

Generell muss man stets 20 bis 30 Prozent der Gesamtleistung einer Anlage als Verlust annehmen (Kasten "Leistungsverluste"). Zudem nimmt die Lebensdauer eines Akkus mit der Tiefe der Entladung rapide ab. Daher ist es sinnvoll, den Akku etwas größer zu dimensionieren, als es die Auslegung rein rechnerisch erfordert. Die Formel P = U*I dient zur Berechnung der Leistung (P, in Watt) aus Spannung (U, in Volt) und Strom (I, in Ampere).

Leistungsverluste

In allen Kabeln geht Leistung verloren, in unserem Fall jedoch nicht sehr viel. Die Verluste nehmen bei kleineren Leitungsquerschnitten zu.

Die Akkus tragen durch Selbstentladungen zu den Verlusten bei. Bei zu schneller oder zu tiefer Entladung entsteht am Akku zudem Abwärme.

Linear arbeitende Laderegler verbrennen regelrecht die Energie, die der Akku gerade nicht aufnehmen kann. Mit einem Mikrocontroller ausgestattete PWM-Regler arbeiten deutlich effizienter.

Auch lineare Spannungswandler erhitzen sich stark und verlieren dadurch viel Leistung. Ein Schaltregler wandelt die Leistung dagegen mit einem Wirkungsgrad um die 80 Prozent.

Aus der Zeit, die der Raspberry Pi ohne einen Sonnenstrahl auskommen soll, ergibt sich direkt die erforderliche Kapazität des Akkus. Ein 12-Volt-Akku mit 100 Ah Kapazität gibt über 100 Stunden hinweg einen Strom von 1 Ampere ab, liefert also über 100 Stunden die benötigten 12 Watt. Bei vollständiger Dunkelheit ergibt sich für das System also eine Gangreserve von mehr als vier Tagen – das sollte genügen.

Die erforderliche Leistung der Solarzelle ergibt sich aus den Sonnenstunden, die zum Laden des Akkus zur Verfügung stehen. Eine 120-Watt-Solarzelle liefert bei maximaler Sonneneinstrahlung bei 12 Volt Spannung 10 Ampere pro Stunde. Das Panel könnte also einen Akku mit 100 Ah Kapazität in knapp 10 Stunden vollständig aufladen. Mit der Formel W=P*t lässt sich die Arbeit (W, in Ah) aus Leistung (P, in Watt) und Zeit (t, in Stunden) berechnen.

Der bei Solarzellen angegebene Wert Wp beziffert die sogenannte Peak-Leistung, also die maximal erreichbare Leistung unter optimalen Bedingungen. Im Regelbetrieb fallen bis zu 20 Prozent weniger Leistung an. Allerdings muss der Laderegler den theoretischen Wert ebenfalls verkraften können.

Nach gründlicher Recherche entschieden wir uns für eine 100-Watt-Solarzelle mit einem 80 Ah starken Akku und einen einfachen PWM-Laderegler – noch kleinere Akkus und Solarzellen kosten in der Regel mehr als solche für Haus-Solaranlagen gedachte Bauelemente.

Mit diesen Bauteilen hoffen wir, die Anlage durch den Winter zu bekommen und für ein komplettes Jahr die Temperaturentwicklung aufzeichnen zu können. Sobald die Außentemperatur sinkt, sollten die Lüfter kaum mehr Energie brauchen, sodass auch bei geringer Sonneneinstrahlung die erzeugte Leistung für den Betrieb des RasPi ausreichen müsste.

WARNUNG

12 Volt stellen für den menschlichen Körper keine Gefahr dar. Lassen Sie bitte dennoch Vorsicht walten: Der Akku liefert bei einem Kurzschluss einige Hundert Ampere Strom – aus diesem Grund verfügen leistungsstarke Akkus auch immer über sehr dicke Anschlussklemmen. Die beim Kurzschluss auftretenden Stromstärken können Gabelschlüssel zum Glühen bringen, und auch das Innere des Akkus erhitzt sich im Kurzschlussfall stark. Es besteht dann die Gefahr, dass die Säure austritt oder das Gehäuse platzt. Schließen Sie den Akku daher bitte immer vorsichtig und richtig gepolt an.

Bei der Verkabelung der Solaranlage achten wir darauf, Leitungen mit einem Mindestquerschnitt von 2,5 mm2 zu verbauen. Die Belegung der Anschlüsse entnehmen wir der Anleitung des gewählten Ladereglers. Diesen schützen wir wiederum mit einem wasserdichten Gehäuse vor Regen und Unwettern.

Nachdem nun die Energieversorgung steht, bauen wir die Hardware für die Gewächshaussteuerung zusammen.

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