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Aus Raspberry Pi Geek 05/2015

Der Raspberry Pi übernimmt die Kontrolle im Gewächshaus

© Juhani Viitanen, 123RF

Gartenhimbeere++

Martin Mohr

Pflanzen, gießen, jäten: Ein Garten macht viel Arbeit. Mit einem Raspberry Pi lässt sich ein Gartenhaus automatisieren. Ein Upgrade des in Raspberry Pi Geek 05/2014 vorgestellten Projekts sorgt für mehr Flexibilität.

Moderne Technologie muss nicht professionellen Gartenbaubetrieben vorbehalten bleiben. Mit einer Reihe von Sensoren, ein paar Aktoren und einem Raspberry Pi als zentrales Gehirn lässt sich ein kleines Gewächshaus im Garten automatisieren. So steigen die Erträge und Sie sparen viel Arbeit. Das in RPG 05/2014 vorgestellte Gewächshaus-Projekt [1] zeigt nach nun einem Jahr Betrieb seine Stärken und Schwächen. Um Letzteren abzuhelfen, bedarf es dringend eines größeren Updates.

Da wäre zum einen das zu kleine Gehäuse für die Elektrik, das kaum Raum für Erweiterungen lässt. Durch den Platzmangel drängeln sich zudem die Komponenten so sehr im Gehäuse, dass beim Austausch eines defekten Bauteils mit viel Aufwand die komplette Elektronik zerlegt werden muss. Auch der RasPi als Steuerzentrale stößt an die Grenzen seiner Fähigkeiten – insbesondere fehlt ein analoger Eingang am GPIO zum Erfassen von Umweltdaten. Es gibt also gute Gründe, das Projekt noch einmal komplett zu überarbeiten.

Neue Hardware

Um den Platzmangel zu beheben, zieht die Steuerelektronik komplett in einen großzügig dimensionieren Schaltschrank um. Dabei handelt es sich um eine spritzwassergeschützte Ausführung aus Metall. Das Gehäuse misst stattliche 30 x 40x 21 Zentimeter (BxHxT). Das Gewicht beträgt stattliche 9 Kilogramm, die Befestigung muss dementsprechend stabil ausfallen. Sie besteht aus zwei Holzpfosten mit 80 Millimeter Durchmesser und einer Holzplatte, auf der der Schaltschrank mit M8-Schrauben befestigt wird. Diese robuste Konstruktion sollte heiße Sommer und frostige Winter gleichermaßen unbeschadet überdauern (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das neue Zuhause des Raspberry-Pi-Gärtners in Form eines stabilen Schaltschranks aus Metall.

Abbildung 1: Das neue Zuhause des Raspberry-Pi-Gärtners in Form eines stabilen Schaltschranks aus Metall.

Alle Leitungen laufen aus dem Inneren des Gehäuses über wasserdichte Kabelverschraubungen nach außen; eine Klemmleiste erlaubt den schnellen und unkomplizierten Austausch. Innerhalb des Gehäuses steht ausreichend Platz zum Verlegen von Kabelbäumen zur Verfügung. Diese Änderungen tragen dazu bei, dass sich der komplette Aufbau der Gartenhaussteuerung flexibler gestalten lässt, und macht die Konstruktion fit für weitere Ausbaustufen.

Der Raspberry Pi bleibt als Gehirn der Steuerung bestehen. Um ihn herum kommen jedoch eine Reihe von Neuerungen hinzu. Die wichtigste ist die Umstellung der Kommunikation zwischen RasPi, Aktoren und Sensoren auf einen I2C-Bus: Er lässt sich flexibel erweitern, wobei dank zahlreicher auf dem Markt vorhandener Halbleiter dabei nur wenig Kosten und Aufwand entstehen.

Damit fallen alle durch die GPIO auftretenden Beschränkungen des RasPi mit einem Schlag weg, vor allem jene durch die geringe Anzahl an I/O-Ports und das Fehlen einer analogen Schnittstelle. Alle Komponenten der Steuerung, wie Raspberry Pi, Netzteil, I/O- und Messmodule, sitzen jeweils auf einer Einzelplatine, die wiederum über eine Backplane Anschluss findet. Dadurch lassen sich die Schaltungen flexibel zusammenstellen und Komponenten im Fehlerfall schnell austauschen.

Zwar verkompliziert sich dadurch auf den ersten Blick der Aufbau der Installation, sobald aber einmal Wartungsarbeiten anfallen, lohnt sich der Aufwand im Nachhinein. Zum Einstieg werfen wir nun erst einmal einen Blick auf alle Komponenten und stellen diese im Detail vor. Alle Schaltpläne aus diesem Artikel finden Sie im gEDA- und EPS-Format auf der Heft-DVD.

Neuer Aufbau

Der Begriff Backplane hört sich erst einmal nach etwas Kompliziertem an. In Wirklichkeit handelt es sich lediglich um eine Busplatine, bei der jeder einzelne Anschluss eines Steckverbinders mit allen anderen Steckverbindern verbunden ist: So führt zum Beispiel eine Leitung von Pin 1 des ersten Steckverbinders zu sämtlichen anderen ersten Pins der weiteren Steckplätze. Abbildung 2 zeigt die aus einer einfachen Lochstreifen-Europlatine (160 x 100 mm) gefertigte Backplane der Gartenhaussteuerung.

Abbildung 2: Die simpel und kostengünstig aufgebaute Backplane der Gartenhaussteuerung ermöglicht eine einfachere Wartung des Projekts.

Abbildung 2: Die simpel und kostengünstig aufgebaute Backplane der Gartenhaussteuerung ermöglicht eine einfachere Wartung des Projekts.

Als weitere Besonderheit sind bei der genutzten Backplane sämtliche Pins in Reihe verbunden. Dadurch stehen von den 50 Steckverbindungen jedes Steckers 25 Leitungen für die Kommunikation mit der Peripherie bereit. Der aktuelle Aufbau nutzt nur einen Bruchteil der Pins, es bleibt also noch viel Reserve für Erweiterungen. Die Tabelle “Pinbelegung” zeigt die aktuelle Belegung des Busses in der Reihenfolge von oben nach unten.

Pinbelegung

Pin

Belegung

1

+5 Volt

2

+3,3 Volt

3

I2C SDA

4

I2C SCL

5-24

unbelegt

25

0 Volt

Für den gewählten Aufbau sprechen vor allen Dingen die günstigen Kosten: Die genutzten Komponenten führt jeder Elektronikhändler für ein paar Euro. Die zweireihigen Steckverbinder verleihen der gesamten Konstruktion deutlich mehr Stabilität als die einreihigen Alternativen. Bis ins letzte Detail durchdachte, vorgefertigte Bussysteme kosten hingegen eine Stange Geld und würden die Kosten des Projekts unvertretbar in die Höhe treiben.

Spannungsversorgung

Die verschiedenen Einsteckmodule auf Basis einer Platine im halben Euroformat (80 x 100 mm) finden nun allesamt auf der Backplane ihren Platz. Nach wie vor übernimmt die Sonne die Stromversorgung des überarbeiteten Gewächshauses. Der Laderegler bleibt zur Vorgängerversion unverändert. Der einzige Unterschied besteht darin, dass er nun im Schaltschrankgehäuse ein Zuhause findet.

Das eigentliche Spannungsversorgungsmodul besteht im Kern aus zwei vorgefertigten Schaltregler-Platinen (regelbares Stepdown-Modul LM2596S). Das erste Modul erzeugt die für den Raspberry Pi benötigten 5 Volt, das zweite liefert die für manche Komponenten notwendigen 3,3 Volt. Die technischen Daten führt die Tabelle “LM2596S” auf. Als Bezugsquelle bietet sich in Deutschland Ex-store [2] an. Bei Ebay-Händlern sollten Sie auf die oft sehr langen Lieferzeiten aus China achten.

LM2596S

Größe

Wert

Eingangsspannung

3,2 bis 40 V

Ausgangsspannung

1,25 bis 35 V (regelbar, abhängig von der Eingangsspannung)

Max. Ausgangsstrom

< 3 A

Effizienz

92 Prozent (bestmöglicher Wert)

Ripple

< 30 mV (Restwilligkeit der Ausgangsspannung)

Frequenz

65 KHz

Temperaturbereich

-45 bis +85 Grad

Größe

43 x 21 mm

Die LEDs zur Spannungsanzeige müssen Sie nicht zwingend anbringen. Auf die Sicherung sollten Sie hingegen keinesfalls verzichten, da bei Fehlern sehr hohe Ströme auftreten können. Bevor die Spannungsplatine ihren Platz auf der Backplane findet, gleichen Sie die Ausgangsspannungen des Moduls über die blauen Potenziometer mit der Messingschraube ab (Abbildung 3).

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