Gewächshaus mit dem Raspberry Pi automatisieren

Gewächshaussteuerung

Damit der Raspberry durch das Klima im Gewächshaus keinen Schaden nimmt, packen wir ihn wie die Ladeelektronik in ein wasserdichtes Gehäuse. Die Handvoll Elektronikbauteile finden aufgelötet auf einer handelsüblichen Europlatine ihren Platz. Die auf der Heft-DVD enthaltenen Schaltpläne geben einen Überblick, wie alles zusammengehört.

Da die 3,3 Volt der GPIO-Schnittstelle nicht ausreichen, um die MOSFETs zum Schalten zu bewegen, bauen wir eine kleine, über Optokoppler realisierte Vorstufe ein. Diese rettet dem RasPi zudem das Leben, falls es in den Endstufen zu einer Überspannung kommen sollte. Die MOSFETs montieren wir auf Kühlkörper, da sie im PWM-Betrieb sehr viel Hitze entwickeln – im reinen Schalterbetrieb würden sie ohne eine Kühlung auskommen.

Zur einfacheren Montage im Gewächshaus führen wir alle Verbindungspunkte auf eine Klemmleiste. Die Spannungsversorgung übernimmt dann entsprechend den Ausführungen im Kasten "Aus 12 mach 5" ein DC-DC-Wandler. Abbildung 1 zeigt den nun vollständigen Aufbau unserer intelligenten Gartenhaussteuerung fertig montiert in den wasserdichten Gehäusen.

Abbildung 1: So sieht die komplett aufgebaute Platine für die Gewächshaussteuerung aus.

Aus 12 mach 5

Um aus den 12 Volt der Solaranlage die für den Raspberry Pi benötigten 5 Volt zu gewinnen, nutzen wir einen DC-DC-Konverter TSR 1-2450 der Firma Traco Power [5]. Er überzeugt durch deutlich geringere Verluste als ein linearer Spannungsregler. In unserem Fall würde ein linearer Regler mehr Leistung in Wärme verwandeln, als der RasPi zum Betrieb benötigt. Der TSR 1-2450 erzielt in unserer Schaltung einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent und entwickelt kaum Hitze. Zum Thema Spannungsversorgung: Der Raspberry Pi lässt sich auch über Pin 2 (+5 Volt) und Pin 6 (0 Volt) der GPIO-Schnittstelle mit Spannung versorgen, dadurch entfällt das USB-Kabel.

Beim Umsetzen Ihrer eigenen Anlage sind Ihren kreativen Ideen keine Grenzen gesetzt. Denken Sie jedoch auch an Triviales wie etwa einen Ein-/Ausschalter: Dieser darf nicht fehlen, da der Raspberry Pi selbst über keinen verfügt und wir den Mini-Rechner fest mit der Spannungsversorgung verbinden. Abbildung 2 zeigt die Pinouts aller verwendeten Halbleiter.

Abbildung 2: Die Pinouts helfen beim Bestücken der Platine ungemein.

Bei den Sensoren fiel die Wahl auf einen Feuchtigkeits- und Temperaturfühler des Typs DHT22 [1] (entsprechend dem Schaltplan gartenhaus_2.sch auf Heft-DVD angebunden). Die Entlüftung des Gewächshauses übernehmen, wie schon erwähnt, handelsübliche PC-Lüfter. Für das Bewässern der Pflanzen sorgt eine einfache 12-Volt-Tauchpumpe aus dem Baumarkt. Während des Testbetriebs ersetzt ein Labornetzteil Akku und Solarzellen.

Nachdem damit nun die Hardware steht, kümmern wir uns im nächsten Schritt um die Software.

Einrichten der Software

Als Software-Basis dient ein aktuelles Raspbian, das wir wie üblich auf einer SD-Speicherkarte installieren. Um langfristig ausreichend Platz für Anwendungen und Daten sicherzustellen, sollte diese mindestens über eine Kapazität von 8 GByte verfügen. Nach dem Einrichten des Systems spielen wir sämtliche Updates ein und installieren einen Apache-Webserver mitsamt MySQL-Datenbank und Tools zum Kompilieren von Programmen (Listing 1). Beim Einrichten des Datenbankservers müssen Sie ein eigenes Root-Passwort für MySQL setzen – bitte merken Sie es sich gut.

Listing 1

 

$ sudo apt-get update && sudo apt-get dist-upgrade
$ sudo apt-get install apache2 mysql-server php5-mysql build-essential git-core

Nach der Installation der Server-Komponenten spielen wir nun die Wiring-Pi-Bibliothek [2] ein (Listing 2). Sie erlaubt das Auslesen der GPIO-Schnittstelle mit einem einfachen Kommando. Das Kompilieren der Programme nimmt auf dem nicht gerade blitzschnellen RasPi eine Weile in Anspruch. Nach Abschluss des Builds rufen Sie mit gpio readall in einem ersten Test die Daten des GPIO-Ports ab (Listing 3).

Listing 2

 

$ git clone git://git.drogon.net/wiringPi
$ cd wiringPi
$ ./build

Listing 3

 

$ gpio readall
+----------+-Rev2-+------+--------+------+-------+
| wiringPi | GPIO | Phys | Name   | Mode | Value |
+----------+------+------+--------+------+-------+
|      0   |  17  |  11  | GPIO 0 | IN   | Low   |
|      1   |  18  |  12  | GPIO 1 | IN   | Low   |
|                      [...]                     |
|     19   |  30  |   5  | GPIO10 | ALT2 | Low   |
|     20   |  31  |   6  | GPIO11 | ALT2 | Low   |
+----------+------+------+--------+------+-------+

Als Nächstes benötigen wir für den Temperatur- und Feuchtigkeitssensor DHT22 einen Treiber. Diesen ziehen wir uns aus dem Github des Entwicklers [3] und bauen ihn entsprechend Listing 4. Auch dieser Build-Prozess nimmt wieder eine längere Zeit in Anspruch. Nach dessen Ende lesen Sie die zwei verbauten DHT22-Sensoren mit loldht aus (Listing 5), wozu Sie Root-Rechte benötigen.

Listing 4

 

$ git clone https://github.com/technion/lol_dht22
$ cd lol_dht22
$ ./configure
$ sudo make install

Listing 5

 

$ sudo loldht 8
$ sudo loldht 9

An dieser Stelle definieren wir Sensor 8 schon einmal für den Innenraum des Gewächshauses und Sensor 9 als Sensor für die äußere Umgebung. Zum Steuern der Lüfter verwenden wir den PWM-Ausgang des RasPi. Dieser lässt sich zwar nicht ganz so einfach konfigurieren, das soll uns aber nicht daran hindern, es trotzdem zu probieren (Listing 6). Der Pin 12 ist für PWM-Betrieb vorgesehen.

Listing 6

 

$ gpio mode 1 pwm
$ gpio pwm-bal
$ gpio pwmr 100000
$ gpio pwm 1 14000

Bei den von uns genutzten Lüftern ergeben sich Werte im Bereich von 14*000 bis 17*000. Diese Werte unterscheiden sich jedoch von Lüfter zu Lüfter. Probieren Sie daher am besten jetzt schon aus, wo bei den von Ihnen eingesetzten Lüftern die untere und obere Grenze liegt. Die Werte müssen Sie später in den von uns vorgestellten Skripten eintragen.

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