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Lichtsteuerung im smarten Gewächshaus:
    Energieeffizienz und Wachstum

Lichtsteuerung im smarten Gewächshaus: Energieeffizienz und Wachstum

Licht ist einer der kritischsten Faktoren für das Pflanzenwachstum. Eine intelligente Lichtsteuerung optimiert nicht nur die Photosynthese und den Ertrag, sondern ermöglicht auch eine signifikante Reduzierung des Energieverbrauchs. Dieser Artikel beleuchtet technische Ansätze zur dynamischen Anpassung der Beleuchtung in Aquaponik- und Hydroponik-Systemen, von der Simulation natürlicher Tageszyklen bis zur bedarfsgerechten Zusatzbeleuchtung.

3.1 Grundlagen der pflanzlichen Lichtbedürfnisse

Pflanzen nutzen Licht nicht nur zur Photosynthese, sondern auch zur Steuerung von Entwicklungsprozessen (Photomorphogenese). Die wichtigsten Parameter sind dabei:

  • Lichtintensität: Gemessen in Photosynthetisch Aktiver Strahlung (PAR) in µmol/m²/s. Der Bedarf variiert stark zwischen Pflanzenarten und Wachstumsphasen.
  • Spektrale Zusammensetzung: Das "Farbspektrum" des Lichts. Blaues Licht fördert kompaktes Wachstum und Blattentwicklung, rotes Licht die Blüte und Fruchtbildung. Grüne und gelbe Anteile können unter bestimmten Umständen reflektiert oder ineffizient genutzt werden.
  • Photoperiode: Die Dauer der täglichen Belichtung. Dies beeinflusst Blüteninduktion und Ruhezustände.

Herkömmliche Timer-basierte Beleuchtungssysteme können diese komplexen Anforderungen nur unzureichend abbilden. Eine smarte Steuerung ermöglicht eine dynamische Anpassung.

3.2 Dynamische LED-Beleuchtungssysteme

Der Einsatz von Leuchtdioden (LEDs) ermöglicht eine präzise Steuerung von Lichtintensität und -spektrum. Moderne LED-Treiber bieten Dimmfunktionen (PWM) und die Möglichkeit, verschiedene LED-Farben individuell anzusteuern.

3.2.1 Tageslichtsimulation mit dimmbaren LEDs

Die Nachbildung des natürlichen Tagesverlaufs kann Pflanzen Stress reduzieren und das Wachstum optimieren.

Technische Umsetzung:
  1. Multispektrale LED-Leisten/Module: Verwenden Sie LED-Leisten, die verschiedene Lichtfarben (z.B. Warmweiß, Kaltweiß, Rot, Blau, Far-Red) separat ansteuerbar machen. Hierfür eignen sich spezialisierte Pflanzen-LEDs oder flexible RGBW/RGBWW-Streifen.
  2. PWM-LED-Treiber: Die Intensität jeder LED-Farbe wird über Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert. Mikrocontroller wie der ESP32 verfügen über mehrere PWM-Ausgänge. Für leistungsstarke LEDs sind dedizierte LED-Treiber (z.B. Meanwell LDD-H Serie für Konstantstrom oder MOSFET-Treiber für Konstantspannung) erforderlich, die wiederum über PWM-Signale des Mikrocontrollers angesteuert werden.
  3. Mikrocontroller: Der ESP32 oder Arduino generiert die PWM-Signale basierend auf einem vordefinierten Tageslicht-Profil.

Programmieren Sie den ESP32, um über einen Zeitraum von 30-60 Minuten (oder länger) die Intensität von Warmweiß- und Rot-LEDs langsam von 0% auf den maximalen Wert zu erhöhen (Sonnenaufgang) und abends entsprechend abzusenken (Sonnenuntergang). Blaue LEDs könnten später zugeschaltet und früher abgeschaltet werden, um den Blauanteil des Mittagslichts zu simulieren. Dies erfordert die präzise Ansteuerung der PWM-Pins des Mikrocontrollers.


// Vereinfachtes Arduino/ESP32 Code-Beispiel für Sonnenaufgang/Sonnenuntergang const int warmWhitePin = 13; // PWM-Pin für Warmweiß-LED const int redLedPin = 12; // PWM-Pin für Rot-LED const int blueLedPin = 14; // PWM-Pin für Blau-LED const int sunriseDuration = 30 * 60 * 1000; // 30 Minuten (ms) const int sunsetDuration = 30 * 60 * 1000; // 30 Minuten (ms) const int dayDuration = 12 * 60 * 60 * 1000; // 12 Stunden Taglicht (ms) unsigned long currentTime; unsigned long dayStartTime = 0; // Speichert den Start des aktuellen Tageszyklus void setup() { // Für ESP32 müssen PWM-Frequenz und Auflösung konfiguriert werden ledcSetup(0, 5000, 8); // Kanal 0, Frequenz 5kHz, 8 Bit Auflösung (0-255) ledcAttachPin(warmWhitePin, 0); ledcSetup(1, 5000, 8); // Kanal 1 ledcAttachPin(redLedPin, 1); ledcSetup(2, 5000, 8); // Kanal 2 ledcAttachPin(blueLedPin, 2); Serial.begin(115200); Serial.println("Starte Lichtzyklus."); } void loop() { currentTime = millis(); // Reset des Tageszyklus alle 24 Stunden (oder basierend auf Echtzeituhr) if (currentTime - dayStartTime >= (24 * 60 * 60 * 1000)) { // 24 Stunden dayStartTime = currentTime; Serial.println("Neuer Tageszyklus beginnt."); } long timeInDay = (currentTime - dayStartTime) % (24 * 60 * 60 * 1000); // Zeit seit Tagesstart int warmWhiteIntensity = 0; int redIntensity = 0; int blueIntensity = 0; // Sonnenaufgangs-Phase if (timeInDay < sunriseDuration) { float progress = (float)timeInDay / sunriseDuration; warmWhiteIntensity = (int)(progress * 255); // Max 255 redIntensity = (int)(progress * 200); // Etwas weniger Rot } // Taglicht-Phase (inkl. Blaulicht) else if (timeInDay >= sunriseDuration && timeInDay < (sunriseDuration + dayDuration)) { warmWhiteIntensity = 255; redIntensity = 200; blueIntensity = 150; // Blau hinzu } // Sonnenuntergangs-Phase else if (timeInDay >= (sunriseDuration + dayDuration) && timeInDay < (sunriseDuration + dayDuration + sunsetDuration)) { float progress = (float)(timeInDay - (sunriseDuration + dayDuration)) / sunsetDuration; warmWhiteIntensity = (int)((1.0 - progress) * 255); redIntensity = (int)((1.0 - progress) * 200); blueIntensity = 0; // Blau zuerst weg } // Nacht-Phase else { warmWhiteIntensity = 0; redIntensity = 0; blueIntensity = 0; } ledcWrite(0, warmWhiteIntensity); ledcWrite(1, redIntensity); ledcWrite(2, blueIntensity); delay(1000); // Aktualisierungsrate }

3.2.2 Photoperioden-Steuerung

Die exakte Einhaltung von Hell-Dunkel-Zyklen ist entscheidend, insbesondere für Kurztag- und Langtagpflanzen, um Blüte und Fruchtbildung zu induzieren oder zu verhindern.

Technische Umsetzung:
  1. Echtzeituhr (RTC): Ein RTC-Modul (z.B. DS3231 oder DS1307) am I²C-Bus des Mikrocontrollers liefert präzise Zeitdaten, unabhängig von der Stromversorgung des Mikrocontrollers. Dies ist zuverlässiger als interne Timer, die bei Stromausfall zurückgesetzt werden.
  2. Mikrocontroller & Relais: Steuert die Hauptbeleuchtung über ein Relaismodul basierend auf den RTC-Daten.
Praktische Idee: Präziser Licht-Timer mit RTC

Verwenden Sie eine RTC, um die aktuelle Uhrzeit zu erfassen. Definieren Sie im Code Start- und Endzeiten für die Beleuchtung. Zuverlässiger und präziser als reine Timer, da die RTC die tatsächliche Uhrzeit kennt und nicht nur die verstrichene Zeit seit dem letzten Reset. Dies ist besonders wichtig, wenn Sie die Photoperiode für die Blüteninduktion exakt einhalten müssen.

3.3 Lichtsensor-basierte Ergänzungsbeleuchtung

In Gewächshäusern oder an Fenstern kann das natürliche Tageslicht schwanken. Eine intelligente Steuerung kann künstliche Beleuchtung nur dann zuschalten, wenn das natürliche Licht nicht ausreicht, was erheblich Energie spart.

3.3.1 Bedarfsgesteuerte Zusatzbeleuchtung

Dieses System nutzt einen Umgebungslichtsensor, um die künstliche Beleuchtung nur bei Bedarf zu aktivieren oder deren Intensität anzupassen.

Technische Umsetzung:
  1. Lichtsensor (PAR oder Lux): Ein digitaler Lichtsensor (z.B. BH1750 für Lux, oder ein dedizierter PAR-Sensor für professionelle Anwendungen) wird an einer repräsentativen Stelle im Gewächshaus installiert.
  2. Mikrocontroller: Liest die Daten des Lichtsensors und vergleicht sie mit einem vordefinierten Schwellenwert für die gewünschte minimale Lichtintensität.
  3. Aktoren – LED-Beleuchtung & Relais: Die künstliche Beleuchtung wird über Relais (für An/Aus) oder PWM-Treiber (für Dimmung) angesteuert.

Der ESP32 liest den Lux-Wert des BH1750 Sensors. Wenn der Wert unter einen definierten Schwellenwert (z.B. 5000 Lux für Blattgemüse) fällt und die aktuelle Uhrzeit innerhalb des gewünschten "Lichttages" liegt (z.B. 6:00 bis 20:00 Uhr, gesteuert durch RTC), wird die Zusatzbeleuchtung eingeschaltet. Fällt der Wert über den Schwellenwert, wird sie wieder ausgeschaltet. Bei dimmbaren LEDs könnte die Intensität proportional zum fehlenden Licht angepasst werden.

// Vereinfachtes Arduino/ESP32 Code-Beispiel für Zusatzbeleuchtung #include <wire.h> #include <bh1750.h> // Bibliothek für BH1750 Sensor BH1750 lightMeter; const int auxLightRelayPin = 5; // Pin für Zusatzbeleuchtung const int minLuxThreshold = 5000; // Minimaler Lux-Wert, unter dem Zusatzlicht anspringt void setup() { Serial.begin(115200); Wire.begin(); lightMeter.begin(); // Initialisiere BH1750 pinMode(auxLightRelayPin, OUTPUT); digitalWrite(auxLightRelayPin, HIGH); // Zusatzlicht AUS starten (Relais oft inverted) Serial.println("Starte Lichtsensor-basierte Steuerung."); } void loop() { float lux = lightMeter.readLightLevel(); // Lux-Wert lesen // Hier sollte zusätzlich eine RTC-Abfrage erfolgen, ob es überhaupt "Tag" ist. // if (isDaytime() && lux < minLuxThreshold) { ... } if (lux < minLuxThreshold) { if (digitalRead(auxLightRelayPin) == HIGH) { Serial.print("Lux zu niedrig ("); Serial.print(lux); Serial.println("), Zusatzlicht AN."); digitalWrite(auxLightRelayPin, LOW); // Zusatzlicht AN } } else { if (digitalRead(auxLightRelayPin) == LOW) { Serial.print("Lux ausreichend ("); Serial.print(lux); Serial.println("), Zusatzlicht AUS."); digitalWrite(auxLightRelayPin, HIGH); // Zusatzlicht AUS } } delay(5000); // Alle 5 Sekunden messen }

3.4 Fazit

Die intelligente Lichtsteuerung ist ein Schlüsselelement für die Effizienz und Produktivität moderner Aquaponik- und Hydroponik-Systeme. Durch die präzise Anpassung von Intensität, Spektrum und Photoperiode, unterstützt durch Echtzeit-Sensordaten und programmierbare Mikrocontroller, lassen sich nicht nur optimale Wachstumsbedingungen schaffen, sondern auch erhebliche Energieeinsparungen realisieren. Die Kombination aus dynamischer Lichtsimulation und bedarfsgesteuerter Zusatzbeleuchtung ermöglicht eine maximale Ausnutzung von natürlichem Licht und minimiert den Einsatz künstlicher Beleuchtung. Der nächste Artikel wird sich mit der Steuerung weiterer Umweltparameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO2-Konzentration befassen.

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