Die Basis schaffen
Sensoren und Datenerfassung für smarte Gärten
Die präzise und zuverlässige Überwachung relevanter Systemparameter bildet das unverzichtbare Fundament für den optimierten Betrieb von Aquaponik- und Hydroponik-Anlagen. Dieser Artikel zeigt die technische Funktionsweise, Auswahlkriterien und Implementierung von Sensoren zur automatisierten Datenerfassung, unter besonderer Berücksichtigung von Qualitätsunterschieden, Kalibrierungsverfahren und Kommunikationsprotokollen.
Der erste Gedanke vieler Leser wird (vermutlich) sein: das ist zu viel Technik - viel zu kompliziert, ich habe keine Ahnung von Elektrik oder Strom. Nichts könnte weiter von der Realität entfernt sein als dieses Urteil. Zum einen gibt es unzählige Hilfestellungen und Beispiele im Internet, zum Anderen ist das Programmieren erstaunlich einfach, wenn man sich etwas Zeit nimmt und von Beginn an akzeptiert: man kann nicht alles sofort verstehen.
Ich habe Ihnen hier ein kurzes Beispiel, genau zu diesem Thema "Sensoren", von der Seite "Learn Robotics" www.learnrobotics.org ausgesucht. Dort wird anschaulich erklärt wie Sie einen Microcomputer programmieren, selbst wenn sie mit der Materie noch nie zuvor Kontakt hatten. Die Adresse zum Original-Artikel finden Sie auch hier im Code-Beispiel. Dort finden Sie auch den Schaltplan und wie man den Sensor an den Controller anschließt. Es ist keinerlei Vorkenntnis nötig.
Verwenden Sie folgenden Code aus dem Beispiel der Seite Learn Robotics: https://www.learnrobotics.org/blog/read-analog-sensors-arduino/
Was das Programm macht: sie haben einen Lichtempfindlichen Widerstand (LDR - light dependent resistor). Dieser ändert seinen elektrischen Widerstand wenn es heller oder dunkler wird. Das Programm liest nun einfach den elektrischen Widerstand aus und mit einer "Wenn -> Dann" Abfrage ( if(reading >= threshold){... ) antwortet der Arduino entweder mit "daylight" oder mit "nighttime".
/* Read an Analog Sensor with Arduino
* Example using LDR Light Sensor
*
* For use without warranty
* www.learnrobotics.org
*/
int ldr = A0;
int reading;
int threshold = 900;
void setup()
{
pinMode(ldr, INPUT);
Serial.begin(9600);
}
void lightCheck(){
reading = analogRead(ldr);
Serial.print("reading = ");
Serial.print(reading);
if(reading >= threshold){
Serial.println(" daylight");
}
else{
Serial.println(" nighttime");
}
delay(1000);
}
void loop()
{
lightCheck();
}
1.1 Relevante Parameter und Sensor-Technologien
Die Messung spezifischer Umwelt- und Wasserparameter ist entscheidend für das Pflanzenwachstum und die Systemstabilität. Die Wahl des passenden Sensortyps hängt maßgeblich von der erforderlichen Genauigkeit, Langlebigkeit und dem Budget ab.
1.1.1 pH-Wert-Messung
Der pH-Wert ist ein logarithmisches Maß für die Konzentration von Wasserstoffionen und beeinflusst die Verfügbarkeit von Nährstoffen für Pflanzen sowie das Wohlbefinden der Fische (Aquaponik). Ein idealer Bereich liegt typischerweise zwischen pH 5.5 und 6.5 für Hydroponik und pH 6.0 und 7.0 für Aquaponik.
Sensor-Typen und Preisgestaltung:
- Hobby-Grade-Elektroden (ca. 20–100 €): Oft mit Kunststoffgehäuse, Glasmembran, und einem KCI-Gel-Elektrolyten. Diese Elektroden sind für den intermittierenden Einsatz und Systeme mit geringen Anforderungen an die Langzeitstabilität konzipiert. Ihre Lebensdauer ist begrenzt (typischerweise 6–12 Monate Dauerbetrieb), und sie erfordern häufigere Kalibrierungen. Die Genauigkeit kann im Bereich von ±0.1 bis ±0.2 pH-Einheiten liegen.
- Industrie- / Labor-Grade-Elektroden (ca. 150–1000+ €): Verfügen über robustere Glasmembranen, flüssige Referenzsysteme (KCI-Lösung, die nachgefüllt werden muss) für höhere Stabilität und Genauigkeit (bis ±0.01 pH), sowie widerstandsfähigere Gehäuse (z.B. aus PPS oder Edelstahl) für industrielle Anwendungen oder kontinuierlichen Einsatz über mehrere Jahre. Diese bieten zudem oft integrierte Temperatursensoren und spezielle Bauformen für unterschiedliche Installationsumgebungen.
1.1.2 Elektrische Leitfähigkeit (EC-Wert)
Die elektrische Leitfähigkeit misst die Konzentration gelöster Ionen im Wasser und dient als Indikator für die Nährstoffkonzentration in der Lösung. Sie wird üblicherweise in Mikrosiemens pro Zentimeter (µS/cm) oder Millisiemens pro Zentimeter (mS/cm) angegeben.
Sensor-Typen und Preisgestaltung:
- 2-Polige Kohlenstoff- oder Edelstahlsensoren (ca. 30–150 €): Diese einfachen Sonden messen den Widerstand zwischen zwei Elektroden. Sie sind kostengünstig, können aber durch Anlagerungen (Biofilm, Kalk) an den Elektroden anfällig für Drift sein und müssen regelmäßig gereinigt werden.
- 4-Polige Induktive Sensoren (ca. 300–1500+ €): Diese Sensoren messen die Leitfähigkeit kontaktlos über eine Induktionsschleife. Sie sind unempfindlicher gegenüber Verschmutzung und Oberflächenablagerungen, bieten eine höhere Langzeitstabilität und Genauigkeit, sind aber deutlich teurer. Häufig in industriellen und professionellen Aquaponik-Anlagen eingesetzt.
1.1.3 Temperaturmessung
Die Wassertemperatur beeinflusst die Löslichkeit von Sauerstoff und Nährstoffen, die Stoffwechselrate von Pflanzen und Fischen sowie die Aktivität von Mikroorganismen. Zudem ist sie ein kritischer Parameter für die Kompensation von pH- und EC-Messungen.
Sensor-Typen:
- DS18B20 (ca. 5–15 €): Ein digitaler Temperatursensor von Maxim Integrated, der über den OneWire-Bus kommuniziert. Er ist oft in wasserdichten Edelstahlhülsen erhältlich, preiswert und präzise (±0.5°C). Ideal für Wasser- und Bodentemperaturmessungen.
- NTC-Thermistor (ca. 1–5 €): Analoge Widerstandssensoren, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Günstig, erfordern aber eine Kalibrierung und eine komplexere Auswertung.
Temperaturabhängigkeit von pH und EC:
Sowohl pH- als auch EC-Werte sind stark temperaturabhängig. Die Ionenaktivität (pH) und die Ionenbeweglichkeit (EC) ändern sich mit der Temperatur. Professionelle Messgeräte und Sensoren verfügen über eine automatische Temperaturkompensation (ATC). Ohne ATC können die Messwerte signifikant abweichen. Typischerweise wird eine Bezugstemperatur von 25°C angenommen. Bei einer Abweichung von 1°C vom Referenzwert kann der pH-Wert um bis zu 0.01-0.03 pH-Einheiten variieren, der EC-Wert sogar um 1-3% pro Grad Celsius. Daher ist die Integration eines Temperatursensors in pH- und EC-Messkreise unerlässlich. (Referenz: ISO 10523:2008 für Wasserqualitätsmessung, Herstellerdatenblätter von pH/EC-Elektroden).
1.1.4 Wasserstandsmessung
Die Überwachung des Wasserstands ist essenziell, um den sicheren Betrieb von Pumpen zu gewährleisten, ein Trockenlaufen zu verhindern und die korrekte Funktion von Flut-und-Ebbe-Systemen oder die kontinuierliche Versorgung von NFT-Rinnen sicherzustellen.
Sensor-Typen:
- Schwimmerschalter (nicht-invasiv, ca. 5–20 €): Mechanische Sensoren, die durch den Wasserstand ausgelöst werden. Sie sind robust, zuverlässig und kostengünstig. Allerdings sind sie invasiv, d.h., sie befinden sich im Wasser, was langfristig zu Biofouling oder Korrosion führen kann. Ideal für einfache Ein-/Aus-Schaltungen bei kritischen Füllständen.
- Kapazitive Wasserstandssensoren (nicht-invasiv, ca. 10–30 €): Diese Sensoren messen eine Änderung der Kapazität, die durch das Vorhandensein von Wasser auf der gegenüberliegenden Seite einer nicht-leitenden Wand (z.B. Kunststofftank) verursacht wird. Sie sind nicht-invasiv, berührungslos und somit unempfindlich gegenüber Korrosion und Biofilm. Sie eignen sich gut für die Messung von Füllständen durch Behälterwände hindurch.
- Ultraschall- oder Infrarot-Sensoren (nicht-invasiv, ca. 15–50 €): Diese Sensoren messen die Entfernung zur Wasseroberfläche mittels Schallwellen (Ultraschall) oder Licht (Infrarot). Sie sind nicht-invasiv und ermöglichen eine kontinuierliche Füllstandsmessung. Allerdings können sie durch Feuchtigkeit, Nebel oder Kondensation beeinträchtigt werden und erfordern eine freie Sicht auf die Wasseroberfläche.
1.1.5 Lichtintensität / Photosynthetisch Aktive Strahlung (PAR)
Das Lichtspektrum und die Intensität der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) sind für das Pflanzenwachstum entscheidend. Die Messung hilft, die Effizienz der künstlichen Beleuchtung zu optimieren.
Sensor-Typen:
- Fotowiderstände (LDR) (ca. 1–5 €): Sehr kostengünstig, messen die allgemeine Helligkeit basierend auf ihrem Widerstand. Nicht spektralselektiv oder auf PAR optimiert, aber ausreichend für einfache Hell/Dunkel-Erkennung oder grobe Intensitätsmessung.
- Digitale Umgebungslichtsensoren (z.B. BH1750, VEML6070, ca. 5–20 €): Bieten eine digitale Ausgabe in Lux und sind oft spektral an das menschliche Auge angepasst. Besser als LDRs für genauere Helligkeitswerte.
- PAR-Sensoren (ca. 100–500+ €): Spezialisierte Sensoren, die die Photosynthetisch Aktive Strahlung (400-700 nm) in µmol/m²/s messen. Essentiell für präzise Steuerung und Optimierung professioneller Wachstumsbeleuchtung. Sehr präzise, aber deutlich teurer.
1.2 Sensor-Kommunikationsprotokolle für Mikrocontroller
Die Art und Weise, wie Sensoren Daten an einen Mikrocontroller übertragen, ist entscheidend für die Systemarchitektur und die Komplexität der Verkabelung.
- Analog (Spannungssignal):
Funktionsweise: Viele grundlegende Sensoren liefern ein variables Spannungssignal (z.B. 0-3.3V oder 0-5V), das direkt an die Analog-Digital-Wandler (ADC) des Mikrocontrollers angeschlossen wird.
Vorteile: Einfache Implementierung, kostengünstige Sensoren.
Nachteile: Anfälligkeit für Rauschen, begrenzte Genauigkeit durch ADC-Auflösung (z.B. 10-Bit ADC = 1024 Schritte), oft nur kurze Kabelwege ohne Signalverlust. pH- und EC-Module der Hobby-Klasse nutzen diese Methode. Ein wichtiger Punkt ist die Isolation der Sensoren untereinander (z.B. durch galvanische Trennung), um Messinterferenzen zu vermeiden, insbesondere bei pH- und EC-Sonden. - I²C (Inter-Integrated Circuit):
Funktionsweise: Ein serielles Busprotokoll, das nur zwei Leitungen (SDA für Daten, SCL für Takt) benötigt. Sensoren werden über eindeutige Adressen angesprochen, was den Anschluss mehrerer I²C-Geräte an denselben Bus ermöglicht.
Vorteile: Digitale Präzision, reduzierte Verkabelung, gute Rauschimmunität, Master-Slave-Architektur.
Nachteile: Begrenzte Buslänge (typisch bis zu einigen Metern), Adresskonflikte bei Sensoren mit festen Adressen. Beispiele: BH1750 Lichtsensor, manche CO2-Sensoren, fortschrittlichere pH/EC-Interfaces. - UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter):
Funktionsweise: Ein serielles Kommunikationsprotokoll, das separate Sende- (TX) und Empfangsleitungen (RX) verwendet. Punkt-zu-Punkt-Verbindung.
Vorteile: Einfache Protokollimplementierung, höhere Datenraten als I²C möglich, oft für komplexere Datenpakete und Konfigurationsmöglichkeiten genutzt.
Nachteile: Benötigt separate RX/TX-Pins pro Sensor (oder Multiplexer), weniger effizient für viele Sensoren am selben Bus. Wird oft von spezialisierten Sensoren (z.B. einige CO2-Sensoren, präzisere pH/EC-Interface-Boards mit RS232/RS485-Wandler für längere Distanzen) verwendet. - OneWire:
Funktionsweise: Ein spezielles serielles Busprotokoll, das nur eine Datenleitung benötigt und über eindeutige 64-Bit-Adressen verfügt.
Vorteile: Minimale Verkabelung, sehr effizient für mehrere Temperatursensoren (wie den DS18B20) an einem Bus.
Nachteile: Geringe Datenrate, nur wenige Sensortypen verfügbar (hauptsächlich Temperatur).
1.3 Detaillierte Kalibrierung von pH- und EC-Sensoren
Eine regelmäßige und korrekte Kalibrierung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Messgenauigkeit über die Lebensdauer der Sensoren. Eine Vernachlässigung führt zu unzuverlässigen Daten und potenziellen Problemen im System.
1.3.1 pH-Sensorkalibrierung
Frequenz und Kosten:
Hobby-Grade-Elektroden: Je nach Beanspruchung und Genauigkeitsanforderung alle 1-4 Wochen. Industrie- / Labor-Grade-Elektroden: Alle 1-3 Monate, bei stabiler Nutzung seltener.
Kosten für Pufferlösungen: Kalibrierlösungen (pH 4.0, pH 7.0, pH 10.0) kosten ca. 10-25 € pro Liter. Zusätzlich ist eine spezielle KCL-Aufbewahrungslösung (3M Kaliumchlorid) für die Elektrode erforderlich (ca. 10-15 € pro 100ml).
Konkrete Durchführung (Zwei- oder Drei-Punkt-Kalibrierung):
- Reinigung: Spülen Sie die Elektrode vor und nach jeder Kalibrierung gründlich mit destilliertem oder demineralisiertem Wasser ab. Verwenden Sie ein weiches Tuch oder Papiertuch zum vorsichtigen Abtupfen, nicht Reiben.
- Puffer pH 7.0 (Neutralpunkt): Tauchen Sie die Elektrode in die Pufferlösung pH 7.0 (Referenzpunkt). Warten Sie, bis der Messwert am Anzeigegerät oder im seriellen Monitor des Mikrocontrollers stabil ist (üblicherweise 30-60 Sekunden). Notieren Sie den analogen Rohwert, den der Mikrocontroller ausgibt.
- Zweiter Pufferpunkt (Steigung): Spülen Sie die Elektrode erneut. Tauchen Sie sie in eine zweite Pufferlösung (z.B. pH 4.0 oder pH 10.0), die nahe am erwarteten Arbeitsbereich Ihres Systems liegt. Warten Sie auf Stabilität und notieren Sie den Rohwert.
- Dritter Pufferpunkt (Optional): Für höchste Präzision kann eine dritte Pufferlösung (z.B. pH 4.0 und pH 10.0, wenn pH 7.0 der erste Punkt war) verwendet werden.
- Lineare Regression im Code: Im Mikrocontroller-Code wird eine lineare Gleichung (
pH = m * raw_value + b) zur Umrechnung verwendet. Die Kalibrierpunkte werden genutzt, um die Steigung (m) und den Achsenabschnitt (b) dieser Geraden zu berechnen. Viele Bibliotheken für pH-Sensormodule übernehmen diese Berechnung intern.
Beispiel (vereinfacht für 2 Punkte): Sei (R1, pH1) = (Rohwert bei pH 7.0, 7.0) und (R2, pH2) = (Rohwert bei pH 4.0, 4.0). Dann istm = (pH2 - pH1) / (R2 - R1)undb = pH1 - m * R1. - Temperaturkompensation: Integrieren Sie die vom Temperatursensor gemessene Wassertemperatur in die pH-Berechnung, um die temperaturabhängigen Abweichungen zu korrigieren. Moderne pH-Sensormodule haben oft einen separaten Temperatureingang dafür.
- Aufbewahrung: Lagern Sie die pH-Elektrode immer in der speziellen KCL-Aufbewahrungslösung oder notfalls in pH 4.0 Pufferlösung, niemals in destilliertem Wasser, da dies die empfindliche Glasmembran austrocknet und die Elektrode irreparabel schädigt.
1.3.2 EC-Sensorkalibrierung
Frequenz und Kosten:
EC-Sensoren sollten ebenfalls alle 2-4 Wochen kalibriert werden. Kalibrierlösungen sind in verschiedenen Konzentrationen (z.B. 1.413 µS/cm für typische Pflanzenlösungen, 2.778 µS/cm für höhere Konzentrationen) erhältlich und kosten ca. 15-30 € pro Liter.
Konkrete Durchführung:
- Reinigung: Reinigen Sie die Sonde gründlich von Biofilm oder Ablagerungen mit destilliertem Wasser und einem weichen Tuch.
- Kalibrierlösung: Tauchen Sie die Sonde in eine Kalibrierlösung bekannter Leitfähigkeit (z.B. 1.413 µS/cm bei 25°C). Warten Sie auf Temperaturstabilisierung und einen stabilen Messwert.
- Zellenkonstante & Temperaturkompensation: Jeder EC-Sensor hat eine "Zellenkonstante" (k-Wert, oft k=1.0 oder k=0.1), die seine Geometrie beschreibt. Die Kalibrierung besteht darin, diesen Wert oder den Kompensationsfaktor im Mikrocontroller-Code (oder im Modul) so anzupassen, dass der gemessene Rohwert der bekannten Leitfähigkeit der Kalibrierlösung bei der Referenztemperatur (25°C) entspricht. Die Temperaturkompensation ist hier besonders wichtig, da die Leitfähigkeit stark mit der Temperatur variiert (ca. 2% pro °C).
Formel (vereinfacht):EC_kompensiert = EC_gemessen / (1 + α * (T_gemessen - T_referenz)), wobei α der Temperaturkoeffizient ist (typ. 0.02). - Überprüfung: Nach der Kalibrierung können Sie die Sonde in eine zweite Kalibrierlösung mit anderer Leitfähigkeit tauchen, um die Genauigkeit über den Messbereich zu überprüfen.
1.4 Beispiel: Hardware-Konfiguration für ein Hobby-System
Ein typisches Setup für ein Do-It-Yourself-System, das die besprochenen Sensoren und Kommunikationsprotokolle nutzt, könnte wie folgt aussehen:
| Komponente | Schnittstelle | Anmerkung |
|---|---|---|
| ESP32 DevKitC | Diverse | Leistungsstarker Mikrocontroller mit integriertem WLAN/Bluetooth und vielen GPIOs. |
| pH-Sensor-Modul (z.B. Analoges Modul mit BNC-Anschluss) | Analog | Günstige Option, gibt ein Spannungssignal aus. Erfordert oft eine isolierte Stromversorgung und careful wiring zur Vermeidung von Messfehlern. |
| EC-Sensor-Modul (z.B. Analoges Modul mit 2-poliger Sonde) | Analog | Ähnlich dem pH-Modul. Eine galvanische Trennung von pH- und EC-Modul kann Interferenzen minimieren. |
| DS18B20 Temperatursensor (wasserdicht) | OneWire | Für Wasser- und evtl. Lufttemperatur. Leicht an einen digitalen Pin anschließbar. |
| Kapazitiver Wasserstandssensor | Analog/Digital | Wird außen am Tank angebracht. Gibt analoge Werte oder digitale Schaltsignale. |
| BH1750 oder ähnlicher Lichtsensor (für Lux) | I²C | Einfache Anbindung über die SDA/SCL-Pins des ESP32. |
| Spannungswandler / Level Shifter (z.B. Buck Converter 5V auf 3.3V) | Falls Sensoren 5V-Signale liefern und der ESP32 3.3V-Logik hat, oder für stabile Sensorversorgungsspannungen. |
Die Integration dieser Komponenten erfordert grundlegende Kenntnisse in Elektronik, Löten und Mikrocontroller-Programmierung (Arduino IDE oder PlatformIO). Eine sorgfältige Planung der Verkabelung und Isolierung ist entscheidend, um präzise und stabile Messwerte zu erzielen.
1.5 Fazit
Die fundierte Auswahl und korrekte Kalibrierung von Sensoren sind entscheidend für die Erfassung präziser Daten, welche die Grundlage für jede weitere Automatisierung und Optimierung bilden. Das Verständnis der zugrundeliegenden Technologien, der unterschiedlichen Qualitäten und der Implementierungsdetails versetzt den Betreiber in die Lage, ein zuverlässiges und kosteneffizientes Überwachungssystem aufzubauen, das langfristig den Erfolg des smarten Gartens sichert. Mit diesen Grundlagen ausgestattet, kann im nächsten Artikel die intelligente Bewässerung und Nährstoffdosierung in den Fokus rücken.
