Forschungsprojekt „Optimierung des … · 1.1 Gegenwärtiges und zukünftiges...

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Forschungsprojekt

„Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme“

Leitung des Projektes

• Projektleitung LLD Gerd Sander (LWG) Prof. Dr. Heike Mempel (HSWT)

• Projektbetreuung Dr. Michael Beck (HSWT) LOR Andreas Schmitt (AELF Fürth)

• Bearbeiter Dr. Harald Hackl (LWG) Feldversuche Knoblauchsland

Dipl.-Ing. (FH) Christoph Mühlmann (HSWT) Entwicklung der Benutzeroberfläche

Ausführende Institutionen

• Bayerische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau, Veitshöchheim

• Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Freising

• Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, Fürth

Beteiligte Institutionen und Firmen • Firma AgrarSystem GmbH

• Erzeugerring Knoblauchsland

• Wasserverband Knoblauchsland

• Gemüsebaubetrieb Jürgen Lösel

• Gemüsebaubetrieb Herbert Hofer

• Gemüsebaubetrieb Hans Brunner

Laufzeit des Projektes

01.11.2011 – 31.10.2013

Finanzierung durch:

2

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ................................................................................................................. 7

1.1 Gegenwärtiges und zukünftiges Bewässerungsmanagement ........................... 7

1.2 Stand der Technik ............................................................................................. 8

1.3 Gemüseanbaugebiet Knoblauchsland ............................................................ 11

1.4 Wasserverband Knoblauchsland .................................................................... 11

1.5 Freilandbewässerung im Knoblauchsland ....................................................... 12

2 Initiierung und Ziele des Projektes „Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme“ .................................................................. 14

2.1 Ziele des Forschungsprojektes ....................................................................... 14

3 Material, Methoden, Technik, Umsetzung ............................................................. 16

3.1 Entwickelte Technik ........................................................................................ 16

3.1.1 Funknetzwerk ........................................................................................... 16

3.2 Verwendete und angepasste Technik ............................................................. 22

3.2.1 Energieversorgung ................................................................................... 22

3.2.2 Ergänzende Bewässerungssteuerungskomponenten .............................. 24

3.3 Technische Umsetzung ................................................................................... 29

3.3.1 Vorgehensweise ....................................................................................... 29

3.3.2 Arbeitsprogramm der einzelnen Projektpartner und die Versuchsstandorte .......................................................................................................................... 29

4 Ergebnisse der Freiland- und Gewächshausversuche .......................................... 33

4.1 Feldversuchsphase 2012 ................................................................................ 33

4.1.1 Magnetventiltest ....................................................................................... 33

4.1.2 Funkreichweiten ....................................................................................... 33

4.1.3 Erkennung von Leckagen und Rohrbrüchen ............................................ 34

4.1.4 Systemüberwachung ................................................................................ 38

4.2 Gewächshausversuchsphase 2012/2013 ....................................................... 38

4.3 Feldversuchsphase 2013 ................................................................................ 39

4.3.1 Adaptierung der Software ......................................................................... 43

4.3.2 Adaptierung der Hardware ....................................................................... 49

5 Ausblick ................................................................................................................. 56

6 Zusammenfassung ................................................................................................ 58

3

Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: a) Rainbird Vor-Ort Steuercomputer WP 1; b) Wassermengenventil

Arad ............................................................................................................................ 8

Abbildung 2: Kabelgebundene iMETOS Bewässerungssteuerung ............................. 9

Abbildung 3: Gemüseanbaugebiet Knoblauchsland in der Mitte des Städte-Dreiecks

Nürnberg-Fürth-Erlangen.......................................................................................... 11

Abbildung 4: Beregnungswasserhochbehälter mit Pumpenhäuschen ...................... 12

Abbildung 5: Ebenen des Funknetzwerks ................................................................ 16

Abbildung 6: a) Geöffnete Basisstation mit Funk- und GPRS-Modul, Funk- und

GPRS-Antenne, Trizepsplatine und abgehende Anschlussmöglichkeiten für

Wasserzähler und Wettersensoren; b) Geschlossene Basisstation (LxBxH:

24x16x12) ................................................................................................................. 17

Abbildung 7: a) Geöffneter Funkknoten mit 4 Sensor- und 2 Aktor-

Anschlussmöglichkeiten, Energieversorgung und Funkantenne; b) Geschlossener

Funkknoten (LxBxH: 17x12x8) ................................................................................. 18

Abbildung 8: Energieversorgungsmöglichkeiten der Funkknoten a)

Batterieversorgung; b) Solarstromversorgung bestehend aus Solarmodul,

Lithiumionenakku und Laderegler; c) Kombinierte Energieversorgung des

Funkknotens mit Batterie oder Solar ........................................................................ 23

Abbildung 9: Magnetventiltypen a) Baccara; b) Dorot; c) RainBird; d) Bermad; e)

Aquanet Plus ............................................................................................................ 24

Abbildung 10: Kapazitive Sensoren a) 10HS; b) VH400 ........................................... 25

Abbildung 11: Bodenwasserspannungssensoren a) Watermark 200 SS-V; b)

Tensiometer mit CVR-Kopf; c) TensioMark .............................................................. 27

Abbildung 12: MTK-N - Mehrstrahlzähler ................................................................. 28

Abbildung 13: Wasserdrucksensoren a) CTE / CTU7000; b) EPT3100-01000-B-3-A

................................................................................................................................. 28

Abbildung 14: a) Vorversuchsfläche im Knoblauchsland bei Ronhof; b)

Versuchsflächen der drei Partnerbetriebe im Knoblauchsland ................................. 30

Abbildung 15: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus beim

Gemüsebaubetrieb Hans Brunner. Die Bewässerungssteuerungskomponenten bei

4

den Betrieben Jürgen Lösel und Herbert Hofer waren ähnlich angeordnet, jedoch

war nur jeweils nach einem Magnetventile ein Wasser ............................................ 31

Abbildung 16: Ergebnis des Funkreichweitentests am 31.5.2012 ............................ 33

Abbildung 17: Simulation von Leckagen auf der Vorversuchsfläche im

Knoblauchsland. a) Große Leckage; b) Mittelgroße Leckage; c) Kleine Leckage ... 34

Abbildung 18: Beregnungsmenge und Wasserdruck abhängig von der

Kreisregneranzahl ohne Leckage ............................................................................. 35

Abbildung 19: Beregnungsmenge abhängig vom Wasserdruck und der

Kreisregneranzahl ohne Leckage ............................................................................. 35

Abbildung 20: Beregnungsmenge und Wasserdruck bei großer und mittelgroßer

Leckage .................................................................................................................... 36

Abbildung 21: Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen anhand der

Beregnungsmenge ................................................................................................... 36

Abbildung 22: Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen anhand des

Wasserdrucks ........................................................................................................... 37

Abbildung 23: Gewächshausversuchsaufbau mit Funkknoten, die kabelgebunden mit

Magnetventilen und Tensiometern verbunden waren ............................................... 39

Abbildung 24: Basisstation mit nach außen geleiteter GPRS-Antenne,

Stromversorgung über Autobatterie .......................................................................... 40

Abbildung 25: Versuchsfeld des Betriebes Hans Brunner mit solarversorgten

Funkknoten und der auf dem Pumpenhäuschen stehenden Basisstation mit

verlängerter Funkantenne......................................................................................... 41

Abbildung 26: Software „PCFunkMonitor“ mit verschiedenen Einstellmöglichkeiten

und den angezeigten binären Code der Sende- und Empfangsmeldung ................. 45

Abbildung 27: Software „AmberTest“ mit der Möglichkeit bestimmte Funkknoten

anzusprechen und sich die Daten zu Bodenfeuchte, Magnetventilschaltungen und

Energiestatus der Funkknoten graphisch anzeigen zu lassen .................................. 46

Abbildung 28: Irrigation Manager .............................................................................. 47

Abbildung 29: Gravimetrischer Wassergehalt (Säulen) und Wasserspannungsverlauf

(Punkte mit Datenlinien) der digitalen Tensiometer an den Messpunkten 3, 5 und 7

im Boden mit Bewässerungsintervallen (blaue senkrechte Linien) ........................... 51

5

Abbildung 30: a) Funkknoten ohne Funkantennenverlängerung und Solarversorgung

auf ca. 1,5 m langem, und fixem Metallknotensteher; b) Funkknoten ohne

Funkantennenverlängerung und Solarversorgung auf kurzem, bodennahem und

fixem Metallknotensteher; c) und d) Funkknote ........................................................ 52

Abbildung 31: Funkknoten mit Funkantennenverlängerung auf kurzem

Kippknotensteher mit Variationsmöglichkeiten in der Anbringung des Solarmoduls 52

6

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Solarstromversorgte Funkknoten mit verschiedenen Kombinationen von

Solarmodul- und Lithium-Ionen-Akku-Typen ............................................................ 22

Tabelle 2: Solarmodultypen mit unterschiedlichen Konfigurationen und Größen ..... 23

Tabelle 3: Lithium-Ionen-Akkus mit unterschiedlichen Konfigurationen und Größen 23

Tabelle 4: Ergebnisse der Konfigurationsabstimmung mit Kondensatorschaltung für

die Magnetventile ermittelt anhand von Versuchen mit variabler

Versorgungsspannung, Wasserdruck und Leckagensituation .................................. 50

7

1 Einleitung

1.1 Gegenwärtiges und zukünftiges Bewässerungsma-nagement Aufgrund des Klimawandels mit den zu erwartenden mittleren Jahrestemperatur-

erhöhung und der Verlagerung des mittleren Jahresniederschlages aus der

Hauptvegetationszeit heraus ist in den kommenden Jahrzehnten in Bayern bei der

gartenbaulichen Produktion mit einem erhöhten Bewässerungsbedarf zu rechnen.

Die zusätzlich verstärkt und häufiger auftretenden Dürreperioden und Extrem-

wetterereignisse werden einen großen Einfluss auf die Produktivität der Land-

wirtschaft und auf die verfügbaren Wassermengen haben.

Vor allem im Freilandgemüsebau wird bereits heute ein erheblicher Arbeitsaufwand

betrieben, um eine ertragsoptimierte Bewässerung, bei möglichst geringem

Arbeitseinsatz zu gewährleisten und die notwendigen Qualitäten und Erträge

erzielen zu können. Vor allem bei größeren Gemüsebetrieben und bei weit entfernt

liegenden Schlägen ist ein enormer Arbeits- und Zeitaufwand notwendig nur um die

Ventile zu betätigen und die Beregnungsanlagen zu kontrollieren. Die Vielfalt der

angebauten Kulturen und die Satzstaffelung im kleinstrukturierten Gemüsebau

stellen dabei besondere Anforderungen an die Bewässerungssteuerung.

Eine zusätzliche Belastung entsteht in der heißen Jahreszeit, in der zur

Verdunstungsminimierung und kulturabhängigen Vermeidung von Beschädigungen

des Pflanzenbestandes empfohlenen nächtlichen Beregnung. Da dieser Aufwand

die Betriebe witterungsabhängig kosten- und zeitmäßig negativ belasten kann, sind

vor allem größere Betriebe auf der Suche nach effizienten, kostengünstigen und an

den Freilandgemüsebau angepassten Bewässerungssteuerungsmöglichkeiten. Der

je nach Witterung bedingte für die Pflanzenproduktion notwendige teilweise hohe

Wasserverbrauch steht allerdings in dem sich verschärfenden Konflikt zwischen

Umweltschutz und Pflanzenproduktion. In der EU-Wasserrahmenrichtlinie

(2000/60/EG) ist unter anderem die nachhaltige Bewirtschaftung von Wasser-

ressourcen vorgeschrieben um nachteilige Auswirkungen auf das Schutzgut Wasser

zu vermeiden oder möglichst gering zu halten.

8

Damit eine Bewässerung über den notwendigen Pflanzenbedarf hinaus vermieden

werden kann, sind abhängig vom Boden, der angebauten Kultur und den

klimatischen Verhältnissen objektive Kriterien zum bedarfsgerechten Wassereinsatz

im Freilandgemüseanbau heranzuziehen.

Derzeit werden automatische Systeme zur kostengünstigen und arbeitssparenden

Magnetventilsteuerung jedoch ohne Berücksichtigung von Bodenfeuchte oder

Wetterbilanzen in der Feldbewässerung nur in wenigen Betrieben eingesetzt. Die

Gründe für ein bedarfsgerechtes Bewässerungssteuerungssystem liegen zum einen

in den teilweise hohen Investitionskosten der aktuell angebotenen Technik. Zum

anderen wird für den Freilandgemüsebau noch kein optimales Bewässerungs-

steuerungssystem angeboten.

Zusätzlich zur Wahl der richtigen, wassersparenden und an die jeweiligen Kulturen

angepassten Bewässerungstechnik werden automatische und möglichst drahtlose

Systeme zur bodenfeuchte- oder klimatisch gesteuerten Bewässerung und zur

Überwachung der Bewässerungsanlage in der Landwirtschaft in Zukunft an

Bedeutung gewinnen. Damit kann der Wasserverbrauch je produzierter Einheit

Lebensmittel minimiert und der ökologisch und ökonomisch sinnvolle Einsatz der

Ressource Wasser gerechtfertigt und nachgewiesen werden.

1.2 Stand der Technik Zurzeit werden im kleinstrukturierten Gemüsebau vereinzelt stationäre

Zeitsteuerungen mit Vor-Ort-Bedienung (z.B.: GARDENA Bewässerungscomputer

C2030 duo plus www.gardena.com; WP 1; STP Plus 4, 6 oder 9 www.rainbird.de;

AquaPro Plus www.netafim.com; uvm.) oder Mengenventile (z.B. Bermadon

Wassermengenventil 900-50 AMV 80 2“; Wassermengenventil Arad oder Ginon;

uvm.) (Abbildung 1), die immer direkt vor Ort eingestellt werden müssen, eingesetzt.

Abbildung 1: a) Rainbird Vor-Ort Steuercomputer WP 1; b) Wassermengenventil Arad

http://www.gardena.com/

http://www.rainbird.de/

http://www.netafim.com/

9

Die angebotenen Zeitsteuersysteme sind meist nur mit den vom Hersteller des

Bewässerungsautomaten angebotenen Ventilen kompatibel. Des Weiteren ist es bei

vielen Systemen nicht möglich, Bodenfeuchte- oder andere klimatische Sensoren

anzuschließen und deren gemessenen Daten in der Bewässerungssteuerung zu

berücksichtigen. Diese Systeme werden von Praktikern auch als sehr arbeits-

aufwändig, bezüglich kurzfristiger Bewässerungsentscheidungen als unflexibel und

zur Leckagenerkennung als nicht geeignet angesehen. Die Entscheidung für eine

Bewässerung erfolgt meist aus gärtnerischer Intuition und Erfahrung. Werden

Sensorsysteme oder komplexere Bewässerungssteuerungen verwendet, so sind

diese zumeist kabelgebunden, z.B. die ICA Station bzw. iMETOS-Station der Fa.

Pessl (www.metos.at) (Abbildung 2). Durch die Kabelbindung zwischen Knoten und

Basisstation führt dies einerseits zu Reichweiteneinschränkungen und andererseits

insbesondere bei den verschiedenen pflanzenbaulichen Maßnahmen im Gemüse-

bau zu Problemen, Behinderungen und oftmals zu Beschädigungen (Kabeldurch-

trennungen).

Im Bereich der funkbasierten Steuer- und Regelsysteme wurden in den letzten

Jahren in den Bereichen der Überwachung von Industrieanlagen, der Heim-

automatisierung sowie im Umweltmonitoring, insbesondere auch in der

Landwirtschaft, verstärkt Anstrengungen unternommen, drahtlose Systeme zu

etablieren. Neben Forschungsprojekten, die drahtlose Sensor-Aktor-Netzwerke

entwickeln (Intelligente Funkbasierte Bewässerung, IFuB; Wireless Sensor Actor

Networks, WSANs) werden bereits am Markt befindliche Systeme in der Regel nur

zur Bestandsüberwachung eingesetzt (Drahtlose Sensor-Netzwerke/Wireless

Sensor Networks, WSN). Bereits am Markt erhältliche funkbasierte Systeme können

Abbildung 2: Kabelgebundene iMETOS Bewässerungssteuerung

http://www.metos.at/

10

bislang nicht die Erfordernisse speziell im Freilandgemüsebau erfüllen, da entweder

die Reichweite, die Kompatibilität mit bereits bei den Gemüsebaubetrieben

vorhandenen Sensoren und Magnetventilen oder die erwünschte Kombination aus

Ventilschaltungen, Feuchte- und Klimasensorauslesungen und das zuverlässige

Erfassen von Leckagen nicht erfüllt werden (A753 addWAVE GPRS RTU; A724

addSWITCH Series 4 Valve Controller www.adcon.at).

Für die Bedingungen des Freilandgemüsebaus sind bisher keine funkbasierten

Steuersysteme erhältlich, die eine gemeinsame Nutzung der zugrunde liegenden

Funk-Infrastruktur von mehreren Betrieben ermöglichen. Als Nachteil der bisher am

Markt erhältlichen Systeme sind erstens die teilweise hohen Anschaffungskosten,

zweitens die größtenteils kabelgebundene Infrastruktur, drittens die fehlende oder

unzureichende Möglichkeit Ventile zu schalten und viertens die mangelnde

Flexibilität, die verschiedenen im Gartenbau gebräuchlichen Boden- und Klima-

Sensoren anzubinden, zu nennen. Die Kompatibilität zu verschiedensten

Komponenten ist ein wesentlicher Punkt für die Akzeptanz in der Praxis. Obwohl die

Anzahl der Hersteller für Sensoren und Aktoren begrenzt ist, so besteht ein weiterer

notwendiger Test- und Anpassungsbedarf an bereits erhältliche Systeme oder in der

Entwicklung befindliche Bewässerungssteuerungen. Eine möglichst große

Kompatibilität mit Sensoren und Aktoren würde die Akzeptanz der

Funkbewässerungssteuerung steigern.

Die aktuellen Systeme bieten bisher keine oder nur eingeschränkte Möglichkeiten

der Fernbedienung und –überwachung. Eine Leckagenerkennung oder

Systemüberwachung zur Erkennung fehlerhafter Magnetventilschaltungen ist

üblicherweise (Ausnahme: Durchflusserkennung bei IRRIWISETM von Netafim,

www.netafim.com/product-search/IrriWise; Durchflusserkennung bei A757

addPULSE GPRS www.adcon.at) nicht vorhanden. Die Reichweite zwischen

einzelnen Funk-Geräten liegt häufig nur im Bereich weniger hundert Meter, größere

Reichweiten werden häufig über sog. Router oder Relaisstationen erreicht. Da

allerdings nicht sichergestellt ist, dass der Nutzer auf Flächen Dritter die

notwendigen Router aufstellen kann, muss bereits bei wenigen Funkgeräten eine

GSM Station vorhanden sein, obwohl aus technischer Sicht Funk-Netze mit einer

größeren räumlichen Ausdehnung möglich wären.

http://www.adcon.at/

http://www.netafim.com/product-search/IrriWise

http://www.adcon.at/

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1.3 Gemüseanbaugebiet Knoblauchsland Das Knoblauchsland (Abbildung 3) hat eine landwirtschaftliche Nutzfläche von 2100

ha, davon ca. 1000 ha Gemüsebaufläche und ca. 50 ha Gewächshausfläche.

Hauptkulturen im Freiland sind Spargel (ca. 80 ha), Kopfsalat und bunte Salate (70

ha), Kopfkohl (ca. 65 ha), Rettich und Kohlrabi (je ca. 50 ha), Porree (ca. 50 ha),

Sellerie (ca. 40 ha) und Möhren (ca. 40 ha). Insgesamt gibt es im Knoblauchsland

ca. 190 Gemüsebaubetriebe mit einer durchschnittlichen Betriebsgröße zwischen

10-12 ha. Diese Betriebe können bei einem Pro-Kopf-Verbrauch von 90 kg Gemüse

pro Jahr den Bedarf von etwa 425000 Verbrauchern decken. An zentralen

Vermarktungseinrichtungen stehen die Absatzgenossenschaft „Franken-Gemüse

Knoblauchsland eG“ und der städtische Großmarkt, über den jährlich etwa 23000 t

Gemüse vermarktet werden, zur Verfügung. Daneben sichert die Selbstvermarktung

an Endverbraucher, Großküchen, Gaststätten und den Groß- und Einzelhandel den

Absatz der erzeugten Produkte.

1.4 Wasserverband Knoblauchsland Der Wasserverband Knoblauchsland stellt im Rahmen des Beileitungsprojektes über

eine zentrale Brunnenfassung in der sogenannten „Kapellenruh“ an der Rednitz und

mithilfe von 7 Hochbehältern (Fassung je Behälter 6000 m³) mit je einem

Druckpumpwerk (Leistung 0-1000m³/h) das für die Gemüseproduktion notwendige

Beregnungswasser bereit (Abbildung 4). Die Hauptleitung, die nicht zur Versorgung

der Hydranten benutzt wird, ist die Zuflussleitung von der Wasserfassung zu den

Hochbehältern (0-8,5 bar). Die Hauptdruckleitungen sind jene Verteilerleitungen von

http://de.wikipedia.org/wiki/Knoblauchsland Abbildung 3: Gemüseanbaugebiet Knoblauchs-land in der Mitte des Städte-Dreiecks Nürnberg-Fürth-Erlangen

12

den Pumpwerken zu den Hydranten. Diese liegen im näheren Umkreis des

Pumpwerks und den darin vorliegenden Druck (ca. 7-9,2 bar) erzeugt das

Pumpwerk. Von den Pumpwerken fließen in Spitzenzeiten bis zu ca. 1200 m³/h auf

die Hauptdruckleitungen, die sich mit zunehmendem Abstand zum Pumpwerk immer

weiter bis hin zu den einzelnen Hydranten am Feld verzweigen. Werden an einer

Hauptdruckleitung zu viele Verbraucher parallel betrieben, kann es in Zeiten mit

hohem Wasserbedarf durchaus zu Druckschwankungen und damit auch zu

Problemen in der Wasserverteilung kommen. Der Durchfluss ist je nach

Schlaggröße und Länge am Hydrant bis zu 25 m³/h.

Das vom Wasserverband betreute, unterirdisch verlegte Druckrohrleitungsnetz

umfasst eine Länge von ca. 150 km und ca. 1500 Hydranten. Der Abgang auf der

Druckleitung ist meist in 2" ausgeführt. Hier ist dann eine Sechskantreduzierung auf

1 1/2" als "Sollbruchstelle" montiert. Je nach Verlegungstiefe folgt ein 1 1/2"

Standrohr (30-50 cm) mit Schrägsitzventil zum Absperren. Das jährliche,

genehmigte Wasserkontingent beträgt 2,1 Mio. m³. Davon benötigt werden im

langjährigen Durchschnitt etwa 2 Mio. m³. Durch das ausgebaute Leitungsnetz

können ca. 850 ha Freilandgemüsefläche mit Wasser versorgt werden. Nur in den

Randbereichen des Knoblauchslandes werden von einzelnen Betrieben eigene

Brunnen mit Pumpaggregaten für die Versorgung ihrer Gemüseflächen mit Wasser

betrieben.

1.5 Freilandbewässerung im Knoblauchsland Das vorherrschende Freilandbewässerungssystem im Knoblauchsland ist die

Bewässerung mit Perrotrohren und Kreisregnern unterschiedlichen Typs. Der

durchschnittliche Wasserverbrauch bei 8,5 bar Druck am Regner liegt bei ca. 1,5

m³/Stunde (eigene Tests mit einem etwas anderen Regnertyp lieferten einen

Wasserverbrauch von 35 l/min, entsprechend 2,1 m³/h) und die Wurfweite (abhängig

von Regnertyp, Düsengröße und Wurfhöhe) liegt zwischen 18 und 22 m. Bei den

Perrotrohren sind fast ausschließlich 50er Rohre (2“) in Verwendung, vereinzelt

Abbildung 4: Beregnungswasserhochbehälter mit Pumpenhäuschen

13

jedoch abnehmend 70er Rohre (2 ¾“). In der Regel hängen laut Beregnungs-

ordnung 10-12 Regner an einem Hydranten im Abstand von 12 bzw. 18 m. Die

Anzahl der Regner und deren Aufstellung sind stark abhängig von der Schlaggröße

und Schlaglänge. Wenn ein kurzer Schlag mit 6 Regnern vorhanden ist, können

auch zwei oder drei Stränge aus einem Hydrant beregnet sein. Generell ist es

vielfach notwendig größere Gemüsebauflächen in Sektoren aufzuteilen und diese

nicht parallel, sondern nacheinander zu betreiben, um jeden Regner mit ausreichend

Wasserdruck und Wassermenge zu versorgen.

Nur vereinzelt sind im Knoblauchsland Beregnungsmaschinen im Einsatz.

Eine Bewässerungssteuerung über Wassermengenventile oder über direkt am Ventil

angebrachte Steuercomputer ist wenig verbreitet. Die Bewässerung erfolgt fast

ausschließlich durch Betätigen des Wasserhahns direkt am Feld. Sowohl für diese

Tätigkeit als auch für die laufende Kontrolle vor Ort sind vor allem bei größeren

Betrieben aufgrund der Entfernungen zwischen den einzelnen Feldern Fahrstrecken

von bis zu 40 km am Tag notwendig. Für die Entscheidung, ob eine Bewässerung

durchgeführt werden soll, fehlen objektive Kriterien. Häufig werden diese

Entscheidungen nach dem „gärtnerischen Gefühl“ getroffen oder unterliegen auch

den Zwängen der betrieblichen Arbeitsorganisation.

Ein weiteres Problem besteht im Auftreten von Leckagen und Rohrbrüchen, die zu

teilweise massiven Überschwemmungen der eigenen Flächen oder auch der

Nachbargrundstücke führen. Die derzeit angebotenen Systeme sind nicht in der

Lage dies zu erkennen und zu melden. Ursächlich für die Leckagen ist unter

anderem die Verwendung überalterter Perrotrohre.

In Bezug auf die Arbeitskosten, die Verbesserung der Produktqualität, dem

bewussten Ressourceneinsatz, dem Erkennen von lokal übermäßig starkem

Wasserverlust durch Leckagen und Rohrbrüchen und der Vermeidung möglicher

Umweltgefahren, zum Beispiel durch eine verstärkte Nitratauswaschung, besteht

weiterhin ein hohes Optimierungspotential bei Bewässerungssteuerungssystemen.

14

2 Initiierung und Ziele des Projektes „Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchs-land durch Funksysteme“ Sowohl die bereits auf dem Markt befindlichen Systeme als auch bisherige

Forschungsprojekte bieten keine optimale Lösung für ein auf die Bedingungen des

Gemüsebaus abgestimmtes Bewässerungssteuerungssystem. Auch das Vorgänger-

projekt „Optimierung der Bewässerungssteuerung für den Freilandgemüseanbau im

Knoblauchsland“ der LWG Veitshöchheim, welches seinen Schwerpunkt in der

Testung und Verbreitung vorhandener Technologien zur Bewässerungssteuerung

hatte, konnte keine optimale Lösung zur Automatisierung der Bewässerung im

Freilandgemüseanbau ausarbeiten.

Unter Miteinbeziehung interessierter Gemüsebaubetriebe wurde ein neues Projekt

„Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch

Funksysteme“ entwickelt. Das Projekt startete am 01.11.2011 und wurde vom

Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten finanziert.

2.1 Ziele des Forschungsprojektes Auf Basis der Erkenntnisse vorheriger Projekte ist die Neuentwicklung eines

funkbasierten Bewässerungssteuersystems speziell für den Freilandgemüsebau das

Ziel des Projektes. Den Anbauern soll eine zuverlässige Möglichkeit zur Steuerung

und Kontrolle von Beregnungsanlagen gegeben werden, ohne dass sie vor Ort sein

müssen.

Die Realisierung erfolgte durch die Kooperationspartner Bayerische Landesanstalt

für Weinbau und Gartenbau Veitshöchheim, der Hochschule Weihenstephan-

Triesdorf (ehemalige Staatliche Forschungsanstalt für Gartenbau Weihenstephan)

und dem Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Fürth, in enger

Zusammenarbeit mit der Firma AgrarSystem GmbH. Begleitet wurde das Projekt

durch verschiedene Institutionen und Betriebe, dem Erzeugerring Knoblauchsland,

dem Wasserverband Knoblauchsland, sowie den drei Gemüsebaubetrieben Jürgen

Lösel, Hans Brunner und Herbert Hofer.

Die bereits entwickelten Prototypen sollten im ersten Schritt speziell an die

Verhältnisse des Knoblauchslandes angepasst werden. Ziel war es, dieses System

ihn ähnlichen kleinstrukturierten, aber auch großflächigeren und weitläufigeren

15

Gebieten mit gartenbaulichen Kulturen sowie anderen Sonderkulturen verwenden zu

können. Hierfür wurden die von der Firma AgrarSystem GmbH in Zusammenarbeit

mit dem Ing.-Büro Sauer Jürgen entwickelten Hardware- und Softwarekomponenten

sowohl an der HSWT, auf einer Vorversuchsfläche im Knoblauchsland und bei drei

an dem Projekt beteiligten Gemüsebaubetrieben getestet und erprobt (siehe die

Kapitel „Feldversuchsphase 2012“ und „Feldversuchsphase 2013“).

Die weiteren Ziele und Entwicklungsschritte waren:

- Abstimmung der Schaltimpulse an den Ausgängen der Funkknoten für ein

zuverlässiges Öffnen und Schließen der Magnetventile unterschiedlicher

Hersteller (Bermad, Galcon, Netafim, Baccara, Rainbird) bei in der Praxis

realistisch zu erwartenden Wasserrohrdrücken.

- Abstimmung der Funkknotenkonfiguration für die vorgesehenen volumetrischen

Bodenfeuchtesensoren und Wasserspannungssensoren.

- Erkennung von Leckagen im Bewässerungsrohrsystem, in den meisten Fällen

hervorgerufen durch die teilweise überalterten Perrotrohre.

- Aufzeichnung des Wasserverbrauchs und die Erkennung von Ventilschaltungen.

- Möglichkeit der Bewässerungssteuerung über Desktop-Computer, Laptop und

Smartphone anhand vorgegebener Zeiten mit/ohne Berücksichtigung von

Bodenfeuchtewerte als objektive Kriterien oder Bewässerung anhand des

Geisenheimer Modells.

- Erstellung einer bedienerfreundlichen web-basierten Benutzeroberfläche zur

Auftragserteilung und für die automatische Darstellung der Ergebnisse in Graphen

und Tabellen.

Das Forschungsprojekt „Optimierung des Bewässerungsmanagements im

Knoblauchsland durch Funksysteme“ wies Pilotcharakter auf und ist als solches ein

Leuchtturmprojekt für den bayerischen Gartenbau. Der Transfer von

Schlüsseltechnologien in den Gartenbausektor beinhaltet eine Chance für die

bayerischen Gartenbauer, langfristig am immer härter werdenden Markt neue

Impulse zu setzen und das vorhandene Wasser effektiver zu nutzen.

16

Benutzer Server-Cluster Basisstationen Funkknoten

3 Material, Methoden, Technik, Umsetzung 3.1 Entwickelte Technik 3.1.1 Funknetzwerk Das Funknetzwerk lässt sich in die vier Ebenen Benutzer, Server-Cluster,

Basisstationen und Funkknoten unterteilen (Abbildung 5).

3.1.1.1 Basisstation Die Basisstationen (Abbildung 6) bilden mit den ihr zugeordneten Funkknoten lokal

ein Netz in sternförmiger Punkt-zu-Multipunkt-Topologie. Diese lokalen Netze

decken jeweils einen Teilbereich mit einem bestimmten Radius um die Basisstation

herum ab. Zu Beginn des Projektes wurde mit Funkreichweiten von bis zu ca. 200 m

gearbeitet mit dem Ziel diese durch Verwendung eines neueren Langstrecken-

funkmodules auf ca. 1,5 km zu vergrößern. Die zentrale Verwaltung des

Gesamtnetzes, der Austausch von Daten zwischen dem Benutzer und den

Basisstationen und die Einspeisung externer Daten (z.B. Wetterdaten usw.) obliegen

dem zentralen Cluster.

Die verwendeten Funkmodule sowohl der Basisstationen als auch der Funkknoten

senden und empfangen im Bereich von 868MHz und nutzen ein proprietäres

Protokoll zur Datenübertragung. Der gewählte Frequenzbereich ermöglicht eine

Abbildung 5: Ebenen des Funknetzwerks

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ausreichend hohe Datenübertragungsrate bei vergleichsweise geringer Dämpfung,

z.B. durch Pflanzenbestände.

Die Basisstationen sind einerseits für die Verwaltung des lokalen 868MHz-

Funketzes zuständig, andererseits werden auf ihnen die Algorithmen zur

Bewässerungssteuerung und -kontrolle ausgeführt. Die zugehörigen Mess- und

Schaltaufträge werden dabei lokal an die Funkknoten verteilt, deren Ergebnisse auf

der Basisstation verarbeitet und an den zentralen Cluster übertragen.

Die Anbindung an das Internet zur Kommunikation mit dem Cluster kann dabei über

Ethernet/LAN und W-LAN erfolgen. Steht vor Ort beides nicht zur Verfügung, so

kann auch auf GPRS/Mobilfunk zurückgegriffen werden.

Das Mastergehäuse besteht aus einem nach IP67 geschützten Gehäuse, wodurch

das Gehäuse sowohl staubdicht als auch geschützt gegen die Wirkungen beim

zeitweiligen Untertauchen in Wasser ist. Die aus dem Master ragenden Anschlüsse

sind an deren Ende mit Superseal-Steckern versehen, die im verbundenen Zustand

wasserdicht sind.

Bei kleinstrukturierten Anbaugebieten, wie es im Knoblauchsland der Fall ist, können

mehrere Betriebe gleichzeitig eine Basisstation nutzen, sofern diese im Funkbereich

der mit Aufträgen zu versorgenden Funkknoten möglichst zentral (z.B. an den

Pumpenhäusern der Wasserspeicherbecken) angebracht ist. Bei größeren,

exponiert liegenden Betrieben vor allem mit zusammenhängenden Flächen können

Basisstationen, angebracht an einem leicht erhöhten Punkt (z.B. privates

Pumpenhäuschen) auch nur von einem Anwender genutzt werden.

a) b) Abbildung 6: a) Geöffnete Basisstation mit Funk- und GPRS-Modul, Funk- und GPRS-Antenne, Trizepsplatine und abgehende Anschlussmöglichkeiten für Wasserzähler und Wettersensoren; b) Geschlossene Basisstation (LxBxH: 24x16x12)

18

3.1.1.2 Funkknoten Die einzelnen Funkknoten (Abbildung 7) werden dynamisch einer Basisstation zugeordnet

und dienen ausschließlich der Erfassung von analogen Messwerten, digitalen Signalen

sowie Schalten von Aktoren.

Um den unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, können die Funkknoten auf

die vorliegenden Feldverhältnisse mit einer bestimmten, möglichen Anzahl an Aktor- und

Sensoranschlussmöglichkeiten konfiguriert werden. Zur Stromversorgung ist

Batteriebetrieb sowie die Verwendung einer Solarzelle mit Akku möglich. Die Funkknoten

bestehen aus einem nach IP67 geschützten Gehäuse, wodurch das Gehäuse sowohl

staubdicht als auch geschützt gegen die Wirkungen beim zeitweiligen Untertauchen in

Wasser ist. Die Aus- und Eingänge sind mit Superseal-Steckern versehen.

3.1.1.3 Server-Cluster Eine SQL-Datenbank sowie Webserver werden durch den Server-Cluster zur Verfügung

gestellt und sind in sich redundant ausgelegt. Dieser Cluster führt alle lokal vorhandenen

Daten zentral zusammen und ist für den Datenaustausch zwischen den lokalen Netzen

zuständig. Außerdem fungiert er als Schnittstelle zu weiteren externen Datenquellen, z.B.

Wetterdaten aus dem Messnetz Bayern.

Der Cluster ist für die globale Verwaltung des gesamten Funknetzes zuständig, die flexible

Zuordnung der einzelnen Funkknoten zu ihren Netzen als auch die Eigentumsverhältnisse

der Funkknoten werden hier zentral gespeichert.

a) b) Abbildung 7: a) Geöffneter Funkknoten mit 4 Sensor- und 2 Aktor- Anschlussmöglichkeiten, Energieversorgung und Funkantenne; b) Geschlossener Funkknoten (LxBxH: 17x12x8)

19

3.1.1.4 Benutzer Die Anbauer können über den Cluster ihre Bewässerung administrieren. Der im Cluster

enthaltene Webserver wird hierzu sowohl eine entsprechende Webseite zur Verfügung

stellen, als auch ein Dateninterface für externe Programme. Für den Zugriff mit einem

Smartphone soll eine für mobile Geräte optimierte Webseite zur Verfügung gestellt

werden.

3.1.1.5 Funktionsweise des Funknetzwerkes Die Datenübertragung vom Benutzer bis hin zum auslösenden Ventil und zurück

durchläuft folgende Schritte:

I: Der Anwender erteilt am Computer gewünschte Aufträge zum Schalten der Ventile

und zum Auslesen der Bodenfeuchte- und Drucksensoren. Der Anwender kann sich

bei auszuführenden Bewässerungsereignissen entscheiden, ob die

Bodenfeuchtewerte als Schwellenwerte mitberücksichtigt werden sollen oder nicht.

II: Diese Aufträge werden an einen Datenbankserver gesendet.

III: Die Basisstationen fragen den Datenbankserver in regelmäßigen Abständen nach

neuen Aufträgen ab.

IV: Die Aufträge werden von den Basisstationen an die entsprechenden Knoten gefunkt.

Gleichzeitig werden auf den Basisstationen Algorithmen zur Bewässerungssteuerung

und -kontrolle ausgeführt.

V: Die Funkknoten führen diese Aufträge aus.

VI: Sobald die Aufträge ausgeführt wurden, funkt der Knoten ein Protokoll an die

entsprechende Basisstation. Diese sendet das Protokoll an den Datenbankserver.

VII: Der Anwender kann das Protokoll vom Datenbankserver abrufen.

3.1.1.6 Anforderungen an Hard- und Software Folgende Anforderungen an das Bewässerungssteuersystem wurden gestellt:

• Funkeichweite ~ 1,5km

• Einstellbare Serverzugriffszeiten in minimal 10-minütigen Abständen für eine

möglichst flexible Bewässerungssteuerung

20

• Bis zu 2 Ventil-Ausgänge und 4 Analog-Sensor-Eingänge pro Funkknoten

• Kompatibilität mit möglichst vielen, am Markt erhältlichen Magnetventil-,

Bodenfeuchtesensor- und Klimasensor- Typen

• Zuverlässige Leckagenerkennung ab einer bestimmten Leckagengröße

• Vollständige Datenaufzeichnung inklusive Fehlerprotokollierung

• Sollte es zu Fehlern bei Magnetventilschaltungen oder zu Leckagen kommen, so

soll an die zuständige Person eine Warnung (inklusive Fehlerfeedback) verschickt

werden. Bei Leckagen sollte die Bewässerung automatisch getoppt werden.

• Bedienung über Smartphone/App und Desktopcomputer bzw. Laptop/Webbrowser

• Manuelles Auslösen oder Stoppen von Bewässerungsvorgängen direkt am

Funkknoten (z.B. über Magnetschalter) um gezielt einzelne Ventile vor Ort bei

spontan zu erledigenden Pflegemaßnahmen oder Ernten Ein- bzw. Ausschalten zu

können

• Die Hardwarekomponenten müssen eine robuste und gegen Witterungseinflüsse

geschützte Bauweise aufweisen

• Die Software muss robust und störungsfrei laufen und muss eine intuitive

Programmführung bieten

• Die Energieversorgung der Funkknoten sollte sowohl über Batterie als auch autark

über Solarstrom möglich sein

• Die Bewässerungseinstellung sollte wählbar sein d.h. Bewässerung entweder nach:

o Fixen Bewässerungszeiten

o Feuchteschwellen (ev. Wind- bzw. Regenschwellen)

o Klimatische Wasserbilanzen (z.B: Geisenheimer Modell)

3.1.1.7 Erkennung von Leckagen und Magnetventilschaltungen Als wichtige Neuerung im Vergleich zu bereits angebotenen

Freilandbewässerungssystemen können sowohl Leckagen und Rohrbrüchen einer

21

bestimmten Größe als auch das korrekte Schalten der Magnetventile erkannt werden.

Anhand der Messungen des Durchflusses mithilfe des Reedschalters der Wasserzähler

sowie des Wasserdrucks mithilfe von in die Perrotrohre gebohrte Wasserdrucksensoren

wurde evaluiert, bis zu welcher Grenze ein Rohrbruch, abhängig von der aktiven

Regneranzahl, zuverlässig erkannt werden kann.

22

3.2 Verwendete und angepasste Technik 3.2.1 Energieversorgung Die Energieversorgung der Basisstation erfolgt idealerweise über Netzstrom mit einem

zwischengeschalteten 12V Netzteil. Eine Versorgung über Batterie oder über Solarstrom

ist aufgrund des erhöhten Stromverbrauchs der Basisstation ungeeignet.

Die Funkknoten können sowohl mit Batterien (4 Mal 3,6 V Monobatterien mit 19000 mAh,

siehe Abbildung 8a) oder über Solarstrom (Solarpanel in Kombination mit Lithium-Ionen-

Akku und Laderegler, siehe Abbildung 8b) versorgt werden. Eine Kombination aus

Solarstrom und Batterie ist ebenfalls möglich, wodurch bei länger andauernden

Schlechtwetterphasen und starker Bewölkung automatisch von Solarstrom auf Batterie

gewechselt werden kann (Abbildung 8c).

An Laderegler, deren Aufgabe primär darin besteht den Akku sowohl vor einer Überladung

als auch vor einer Tiefenentladung zu schützen, wurde der Typ „Solar-Laderegler 12/24 V“

(Max. Modulstrom: 4 A; Max. Last-Strom 4 A; Ladespannung: 13,8/27,6 V) verwendet.

Zur Ermittlung der idealen bzw. möglichen Solarstromversorgung wurden verschiedene

Typen von Akkus (Tabelle 3) und Solarmodulen (Tabelle 2) in verschiedenen

Kombinationen in den Funkknoten der beteiligten Betriebe getestet (Tabelle 1).

Tabelle 1: Solarstromversorgte Funkknoten mit verschiedenen Kombinationen von Solarmodul- und Lithium-Ionen-Akku-Typen

Betrieb Brunner Solarmodul Akku

Knoten 0 Conrad Modell TPS-103 4W Multipower 0,8-12 AMP Knoten 1 Conrad Modell TPS-103 4W Panasonic LC-R121R3PG Knoten 2 Conrad Modell TPS-103 4W Panasonic LC-R121R3PG Knoten 3 Pollin 12V 3W 250mA Panasonic LC-R121R3PG

Betrieb Hofer Solarmodul Akku

Knoten 0 Pollin 12V 3W 250mA Panasonic LC-R121R3PG Knoten 1 Westfalia/ 2W 17,5 V 114mA Panasonic LC-R122R2PG Knoten 2 GOP 5W 17,8V 0,29A Multipower 0,8-12 AMP Knoten 3 Conrad Modell TPS-103 4W Multipower 0,8-12 AMP

Betrieb Lösel Solarmodul Akku

Knoten 0 Westfalia/ 2W 17,5 V 114mA Panasonic LC-R122R2PG Knoten 1 Pollin 12V 3W 250mA Panasonic LC-R122R2PG Knoten 2 Pollin 12V 3W 250mA Panasonic LC-R122R2PG Knoten 3 GOP 5W 17,8V 0,29A Multipower 0,8-12 AMP

23

Tabelle 2: Solarmodultypen mit unterschiedlichen Konfigurationen und Größen

Voelkner Wetelux PGLS-12250 Pollin Solarmodul Gohl

Generell Amorphes Solarmodul mit Doppelverglasung und Alu-miniumrahmen für hohe Witterungsbeständigkeit.

Amorphes So-larmodul

Polykristallines Solarmodul, IP67, Temperaturberich von -40 - 85°C

Abmessung (L x B x H) (mm)

315 x 315 x 19 315 x 240 x 20 180 x 180 x 25

Nennleistung Pmpp (W) 4 W 2 3 5 Kurzschluss-Strom Isc (mA) 320 320 275 Leerlauf-Spannung Uoc (V) 21 21 14,4 Nennspannung Umpp (V) 17,5 17,5 12 Nennstrom Impp (mA) 230 230 250 Gewicht (kg) 1,56 1 0,58

Tabelle 3: Lithium-Ionen-Akkus mit unterschiedlichen Konfigurationen und Größen

Panasonic LC-R121R3PG

Multipower MP0 Panasonic LC-R122R2PG

Multipower MP3-12C

Abmessung (L x B x H) (mm) 97 x 48 x 50 96 x 25 x 62 177 x 34 x 60 134 x 67 x 65,5 Kapazität (Ah) 1,3 0,8 2,2 3 Nennspannung (V) 12 12 12 12 Max. Entladestrom für 30 sec (A) 16 60

Lade-Spannung (V) 14,4 bis 15 14,4 bis 15 Max. Lade-Strom (A) 0,24 0,9 Lebensdauer bis (Jahre) 5 5

a) b) c) Abbildung 8: Energieversorgungsmöglichkeiten der Funkknoten a) Batterieversorgung; b) Solarstromversorgung bestehend aus Solarmodul, Lithiumionenakku und Laderegler; c) Kombinierte Energieversorgung des Funkknotens mit Batterie oder Solar

24

3.2.2 Ergänzende Bewässerungssteuerungskomponenten 3.2.2.1 Magnetventile a) Baccara 2“ DC mit Baccara Spule 9-18V DC Puls (Abbildung 9a): Pulszeit 25-50

msec; Max. Durchfluss 45 m³/h, Druckbereich 0-10 bar

b) Dorot 80-T 2“ DC mit Dorot Spule 9-18V DC Puls (Abbildung 9b): Pulszeit 15-100

msec; Max. Durchfluss 40 m³/h, Druckbereich 0-10 bar

c) RainBird 200-PGA 2“ mit RainBird Spule 9- 20(?)V DC Puls (Abbildung 9c): Pulszeit

??; Max. Durchfluss 34,05 m³/h, Druckbereich 0-10 bar

d) Bermad 2“ mit Magnetspule 2-Wege DC 6-20V Puls (Abbildung 9d): Pulszeit 20-100

msec; Max. Durchfluss, Druckbereich 0-10 bar

e) Aquanet Plus 2“ mit Magnetspule 9V DC Puls mit Druckregulator (Abbildung 9e): mit

der Möglichkeit zur Wasserdruckregulation, zum Anschließen eines Manometers und

Drehschalter für das manuelle Ventilöffnen und –schließen und für den

automatischen Modus. Pulszeit min. 80 msec; Max. Durchfluss 34 m³/h,

Druckbereich 0,2-10 bar

3.2.2.2 Bodenfeuchtesensoren Verschiedene Bodenfeuchtesensortypen und deren Messgenauigkeit werden in der im

Rahmen dieses Forschungsprojektes entstandenen Bachelorarbeit von Herrn Florian

Demling mit dem Titel „Einsatz von Bodenfeuchtesensoren zur Bewässerungssteuerung

im Knoblauchsland“ beschrieben.

3.2.2.2.1 Wassergehaltssensoren Kapazitive Sensoren messen den absoluten, d.h. volumetrischen Wassergehalt (m³/m³

oder %) in einem Bodenvolumen. Dies lässt jedoch keine Aussage über die tensio-

metrische Verfügbarkeit des Wassers im Boden zu. Die Messwerte sind abhängig von der

Bodenart und mit anderen Standorten nicht vergleichbar. Die Messung basiert auf den

a) b) c) d) e)

Abbildung 9: Magnetventiltypen a) Baccara; b) Dorot; c) RainBird; d) Bermad; e) Aquanet Plus

25

dielektrischen Eigenschaften des Bodens, wobei unterschiedliche elektronische Verfahren

Anwendung finden. Ein sehr sorgfältiger Einbau im Boden ist wichtig, weil Hohlräume an

der Messelektrode diese Wellen erheblich stören. Die Vorteile der kapazitiven Sensoren

liegen in ihrer Wartungsfreiheit und darin, dass der Boden direkt nach der nutzbaren

Feldkapazität beurteilt werden kann und somit eine Aussage über die zu verabreichende

Wassermenge getroffen werden kann.

a) 10HS (Abbildung 10a): misst den volumetrischen Bodenwassergehalt anhand der

Dieelektrizitätskonstanten des Bodens über die Methode der Kapazitäts-

/Frequenzbereich-Technologie. Zusätzlich beinhaltet der 10HS einen Hochfrequenz-

Oszillator, der dafür sorgt, dass der Sensor in jeglicher Form von Böden, auch bei

geringem Salzgehalt und wenig Struktur, sehr genau misst.

Messbereich 0-53% +/-3%; Signal: 0,3-1,250 V; Versorgung: 3-15 V;

Bestromungsdauer: 10 ms

b) VH400 (Abbildung 10b): misst den volumetrischen Bodenwassergehalt anhand der

Dieelektrizitätskonstante des Bodens. Der Sensor ist robust gegenüber Salinität und

korrodiert nicht.

Messbereich 0-100%; Signal: 0-3 V; Versorgung: 3,3-20 V;

Bestromungsdauer: 400 mS

3.2.2.2.2 Bodenwasserspannungssensoren Im Gegensatz zum Wassergehalt, der angibt, wie viel Wasser den Pflanzen zur Verfügung

steht, gibt die Bodenwasserspannung jene Kraft an, mit welcher das Wasser an den

Bodenteilchen gebunden ist bzw. jenen Widerstand, den die Pflanzen überwinden

müssen, um das Wasser dem Boden zu entziehen (Unterdruck in kPa bzw. hPa). Diese

a) b) Abbildung 10: Kapazitive Sensoren a) 10HS; b) VH400

26

Bodenwasserspannung gibt indirekt die pF-Werte (den dekadischen Logarithmus des

Betrags der Bodenwasserspannung) an. Bezogen auf den Grundwasserspiegel entspricht

der pF-Wert – unter hydrostatischen Verhältnissen – dem vertikalen Abstand zur Grund-

wasseroberfläche (mWS). Die Feldkapazität von Böden liegt bei einem pF-Wert zwischen

1,8 und 2,5. Bei einem pF-Wert von 4,2 (entsprechend zirka 160 m Abstand zum

Grundwasser) ist der permanente Welkepunkt (PWP) definiert, welcher besagt, dass die

meisten Pflanzen selbst bei guter Durchwurzelung dem Boden nicht mehr genug Wasser

entziehen können und daher irreversibel welken.

a) Watermark 200 SS-V (Abbildung 11a): erfasst die Bodenwasserspannung über den

elektrischen Bodenwiderstand mithilfe eines Paares von korrosionsbeständigen

Elektroden, die in eine kleinkörnige Matrix eingebettet sind. Ändert sich der

Bodenwassergehalt, so ändern sich auch der Widerstand und somit auch die

Bodenwasserspannung.

Messbereich 0-239 kPa; Signal: 0-2,8 V; Versorgung: 3,2-30 V; 1.5 mA;

Bestromungsdauer: 500 mS

b) Tensiometer mit CVR-Kopf (Typ ES-CVR) (Abbildung 11b) als elektronischer

Drucksensor, der als Analogsensor die Saugspannung des Tensiometers ständig

misst. Diese Bauart besteht aus einem piezoresistiven Druckaufnehmer für

Differenzdruckmessung mit zusätzlichem Messumformer für die jeweiligen

Signalarten. Die Messgenauigkeit beträgt pauschal 0,5 %. Die Sensoren sind störfest

nach CE und verpolsicher, der elektrische Anschluss erfolgt über einen festen

Kabelausgang.

Signal: 0,1-2,5 V, Versorgung: 4-15 V

c) TensioMark (Abbildung 11c): Erfassung der Bodenwasserspannung mithilfe eines

thermischem Messverfahren. Basis dieses Verfahrens ist die direkte Abhängigkeit

der Wärmekapazität eines Substrates von seinem Wassergehalt, ermittelt durch

kurze Heizimpulse in einem Gleichgewichtskörper. Diese sehr kleine, innere

Messzelle steht beidseitig über dünne, feinporige Keramikplatten mit dem zu

messenden Boden in Verbindung und in ständigem Austausch. Sie reagiert sehr

empfindlich auf jede Änderung der Bodentension und ermöglicht damit die direkte

Saugspannungsmessung in vergleichbarer Funktion eines Tensiometers. Das

Messverfahren selbst und die innenliegende Messzelle sorgen für eine

Unempfindlichkeit gegenüber Bodeneinflüssen, wie verschiedene Bodenarten, -

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Hydrostatischer_Zustand&action=edit&redlink=1

27

temperaturen und -dichten oder den Salzgehalt. Da der TensioMark wartungsfrei und

nicht wassergefüllt ist, wird er auch als „Trockenes Tensiometer“ bezeichnet.

Versorgung 9-12 V DC, Signal 0-2,500 V bei den Messbereichen 0- 100, 1250 oder

2500 hPa; Strombedarf ca. 30 mA/6 sec., im Standby 3 mA, Ausgangswiderstand

100 Ohm; Genauigkeit vergleichbar zum Tensiometer.

3.2.2.3 Wasserzähler Der MTK-N - Mehrstrahlzähler als Trockenläufer (Fa. Metherm GmbH oder Fa. ZENNER

International GmbH & Co. KG) (Abbildung 12) eignet sich besonders gut für den

Feldberegnungseinsatz. Er besitzt ein staub- und wasserdichtes, konfirmitätsbewertetes

Zählwerk mit Reed-Kontaktgeber für einen waagerechten und senkrechten Einbau. Es

handelt sich bei diesem Mehrstrahlzähler um einen Flügelradzähler als Volltrockenläufer,

d.h. Ausführung mit Magnetkupplung und Rollenzählwerk. Die Magnetkupplung überträgt

die Drehung des Flügelrades zuverlässig auf das Zählwerk. Um Störungen durch unreines

Wasser auszuschalten arbeitet nur das Flügelrad im Nassraum. Das Wasser tritt durch

mehrere am Umfang des Flügelbechers tangential angebrachte Löcher ein, trifft auf den

dadurch vollbeaufschlagten Flügel und tritt durch eine zweite, höher liegende Öffnungs-

reihe wieder aus (Mehrstrahlprinzip). Störungen durch unreines Wasser können das

gekapselte, evakuierte und drehbare Zählwerk nicht beeinträchtigen, wodurch dieser

besonders bei wechselnden Wasserqualitäten, bei Trinkwasserqualitäten mit Gefahr der

Ablagerung von Rost oder anderen Schwebeteilchen oder bei langjährigem Einsatz

a) b) c)

Abbildung 11: Bodenwasserspannungssensoren a) Watermark 200 SS-V; b) Tensiometer mit CVR-Kopf; c) TensioMark

28

besonders geeignet ist.

Mediumtemperaturbereich 0-30°C; Umgebungstemperatur im Betrieb 0-55°C; Nenndruck

16 bar; Anzeigebereich 0,05-99.999.999m³; Reedimpuls (anpassbar): für uns 10 l/Impuls

3.2.2.4 Wasserdruck-Sensor a) CTE/CTU7000 mit abgestimmter Konfiguration (Abbildung 13a): Dies ist ein

piezoresistiver, temperaturkompensierter Drucksensor. Das Anschlusskabel und der

in das jeweilige Perrotrohr gebohrte Drucksensor sind über ein Schraubgewinde

voneinander trennbar. Druckbereich: 0-10 bar; Versorgung: 12 V; Signal: 0-2,5 V

b) EPT3100-01000-B-3-A (Abbildung 13b): Der EPT3100 ist ein piezoresistiver,

hochwertiger, komplett in Edelstahl gehaltener Drucksensor geeignet für

Druckmessungen in Gasen und Flüssigkeiten. Er ist immun gegenüber

eindringenden, elektromagnetischen Interferenzen, weist nur geringe statische und

thermische Fehler, eine hohe Genauigkeit und Langzeitstabilität, und eine hohe

Resistenz gegenüber Stößen und Vibrationen auf. Druckbereich: 0-10 bar;

Versorgung: 12 V, Signal: 0-5 V, Tmax = 125°C

Abbildung 12: MTK-N - Mehrstrahlzähler

Abbildung 13: Wasserdruck-sensoren a) CTE / CTU7000; b) EPT3100-01000-B-3-A

29

3.2.2.5 Niederschlags-Sensor Rain Collector II von DAVIS Instruments: Der Niederschlagssensor basiert auf der Technik

des sich selbstleerenden Kipplöffelmechanismus mit einem magnetischen Reedschalter.

Die Messgenauigkeit liegt bei +/-3% und die Auflösung beträgt 0,2mm.

3.2.2.6 Wind-Sensor Windsensor WIS01: Der Windsensor misst Windgeschwindigkeiten bis zu 140 km/h bei

einer max. Abweichung von 5%. Das Signal ist ein Impuls mit 1 Hz pro 20km/h (=0,05 Hz

pro 1km/h). Da der Windsensor kein Heizelement integriert hat, ist er für Messungen im

Winter nur bedingt geeignet.

3.3 Technische Umsetzung 3.3.1 Vorgehensweise Die Fa. AgrarSystem GmbH hatte die Aufgabe die gemeinsam mit dem Ing.-Büro Sauer

Jürgen entwickelten Hardwarekomponenten (Basisstationen und Funkknoten) zur

Verfügung zu stellen. In der ersten Freilandversuchsphase 2012 wurden eine Basisstation

und vier Funkknoten für die Versuche auf einer Vorversuchsfläche im Knoblauchsland

geliefert. In der Freilandversuchsphase 2013 lieferte die Fa. AgrarSystem GmbH zwei

weitere Basisstationen und acht Funkknoten, deren Platinendesign nach den

Erkenntnissen der ersten Versuchsphase etwas abgeändert wurde. Die zur Verfügung

gestellte Software wurde laufend nach den Erkenntnissen der Versuche auf der

Vorversuchsfläche und den Flächen der Partnerbetriebe erweitert und verbessert. Es

bestand jedoch zur weiteren Anpassung keine Zugriffsmöglichkeit seitens Dritter.

3.3.2 Arbeitsprogramm der einzelnen Projektpartner und die Versuchs-standorte 3.3.2.1 LWG Veitshöchheim in Kooperation mit dem AELF Fürth Herr Dr. Harald Hackl führte die Versuche in 2012 auf der mit Grünland bewachsenen

Vorversuchsfläche bei Ronhof (Abbildung 14a), in 2013 auf den drei von den Partner-

betrieben zur Verfügung gestellten, mit verschiedenen Gemüsekulturen bewirtschafteten

Flächen (Abb. 9b) und in den Wintermonaten 2012/2013 in dem kleinen Gewächshaus

des AELF Fürth durch. In enger Zusammenarbeit mit der HSWT und der Fa. AgrarSystem

GmbH flossen die Versuchsergebnisse in Verbesserungsmaßnahmen der Hard- und

Softwarekomponenten ein.

30

Im Jahr 2012 wurden auf der Grünlandfläche bei Ronhof Vorversuche zur Funkstabilität

und zu Funkreichweiten mit dem Amber Modul AMB8425 durchgeführt. Die

Kommunikation zwischen der Basisstation und den Funkknoten mit Datenaufzeichnung

wurde auf ihre Stabilität und Korrektheit überprüft. Die Software wurde dabei laufend

während der Versuchsphase von der Fa. AgrarSystem GmbH verbessert und ergänzt.

Verschiedene Magnetventiltypen wurden mit der Platinenkonfiguration von 2012 getestet.

Die Wasserdruckverhältnisse in den vom Wasserverband versorgten Perrotrohren und die

pro Zeiteinheit verbrauchten und vom Wasserdruck abhängigen Wassermengen wurden

erhoben. Für einen optimalen Funkverkehr wurden die 4 Funkknoten provisorisch auf

Metallsteher auf einer Höhe von ca. 1 m über dem Boden befestigt. Die Basisstation

befand sich in ca. 50-100 m Entfernung zu den einzelnen Funkknoten in einem Bauwagen

mit auf das Dach geleiteter GPRS-Antenne.

In den Wintermonaten 2012/2013 wurden die Laufzeitstabilitätsversuche wie bereits auf

der Vorversuchsfläche weitergeführt. Anstelle von im Freiland üblichen Perrotrohren wurde

ein kleines Beet bepflanzt mit Kohlrabi mit von einer Haupt-PE-Leitung abgehenden

Mikrosprinklern bewässert.

In 2013 wurden die Gemüseflächen der drei Gemüsebaubetriebe ausgestattet mit je einer

Basisstation und 4 Funkknoten. Die Lage der Gemüseflächen ist in Abbildung 14b

eingezeichnet.

Der Betrieb Hans Brunner (Abbildung 15) hatte auf seiner Fläche einen eigenen

Tiefbrunnen, wodurch zusätzlich bevor Magnetventile geschaltet werden konnten eine

Pumpe über die Basisstation aktiviert werden musste. Die beiden Betriebe Jürgen Lösel

Abbildung 14: a) Vorversuchsfläche im Knoblauchsland bei Ronhof; b) Versuchsflächen der drei Partnerbetriebe im Knob-lauchsland

31

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Knoten 2

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Magnetventil

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Regnerleitung

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Knoten 3

Knoten 1Knoten 0

und Herbert Hofer bezogen Wasserverbandswasser, wodurch auf diesen Flächen keine

Pumpe geschaltet werden musste.

Die am weitesten verbreitetsten Magnetventiltypen wurden unter unterschiedlichen

Spannungsstufen mit und ohne Kondensatorschaltung und unterschiedlichen

Druckverhältnissen bis ca. 9,5 bar Wasserdruck getestet. Anhand der Versuchsergebnisse

wurde die Knotenkonfiguration auf zuverlässiges Ventilschalten angepasst. Die Software

wurde mit zusätzlichen Funktionen versehen und die Datenaufzeichnungen wurden

erweitert.

Zur möglichst geringen Beeinflussung von Pflegemaßnahmen auf den Feldern wurden

mehrere Knotensteherdesigns getestet. Für eine über längere Betriebszeit

kostengünstigere autarke Solarversorgung im Vergleich zu Einwegbatterien wurden

verschiedene Kombinationen von Solarmodul- und Lithiumionenakku-Typen getestet.

Aufgrund des hohen Arbeitspensums und der laufend neu auftretenden Schwierigkeiten

und Herausforderungen wurde das Hauptaugenmerk auf die Komponenten des Betriebes

Brunner gelegt.

Abbildung 15: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus beim Gemüsebaubetrieb Hans Brunner. Die Bewässerungs-steuerungskomponenten bei den Betrieben Jürgen Lösel und Herbert Hofer waren ähnlich angeordnet, jedoch war nur jeweils nach einem Magnetventile ein Wasser

32

3.3.2.2 HSWT Am Institut für Gartenbau an der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf wurden mehrere

Arbeitsschwerpunkte des Projektes durch Herrn Dipl.-Ing. (FH) Christoph Mühlmann

bearbeitet, in Zusammenarbeit mit Dr. Michael Beck. Auf Versuchsflächen der ehemaligen

Staatlichen Forschungsanstalt für Gartenbau Weihenstephan wurde eine Anlage

bestehend aus einer Basisstation sowie 6 Funkknoten aufgebaut.

Sowohl mit der Basisstation, als auch mit zwei USB-Funksticks wurden verschiedene

Tests durchgeführt. Untersucht wurden die Stabilität der Software sowie die der

Datenkommunikation zwischen Basisstation und Funkknoten. Verschiedene Sensoren und

Magnetventile wurden auf ihre grundsätzliche Kompatibilität mit dem System untersucht.

Außerdem wurde ein Konzept zur Stromversorgung der Funkknoten über Solarenergie

entworfen und umgesetzt. Im Rahmen dieser Arbeiten wurden auch die ersten beiden

Generationen der Knotenständer entwickelt.

Zum komfortablen Testen der direkten Kommunikation mit den verschiedenen Funkknoten

wurde das Windows-Programm “AmberTest” entwickelt. Dieses Programm ermöglicht das

Aufzeichnen von Sensor-, Aktor- und Zustandsdaten (z.B. Batteriestatus) über längere Zeit

und bereitet diese grafisch auf.

Als wesentliche Arbeit wurde eine webbasierte Oberfläche erstellt, die es ermöglicht die

Bewässerung am Desktop-Computer bzw. Laptop zu steuern. Eine Anpassung der

Oberfläche an mobile Endgeräte (Smartphone, Tablets) wurde bereits begonnen und wird

im beantragten Folgeprojekte weitergeführt.

3.3.2.3 Fa. AgrarSystem GmbH Die Firma AgrarSystem GmbH war für die Verbesserung und Adaptierung der

Bewässerungssoftware, für die Lieferung der Funkknoten und Basisstationen und somit für

einen möglichst reibungslosen Ablauf der Versuche auf der Vorversuchsfläche und den

Gemüseflächen der Partnerbetriebe verantwortlich.

33

4 Ergebnisse der Freiland- und Gewächshausversu-che

4.1 Feldversuchsphase 2012 4.1.1 Magnetventiltest Im Jahr 2012 wurden auf der Vorversuchsfläche mit der von der Fa. AgrarSystem

GmbH voreingestellten Aktorkonfiguration Magnetventiltests durchgeführt mit dem

Ergebnis, dass die Magnetventiltypen Aquanet und RainBird über den

Wasserdruckbereich bis ca. 9 bar zuverlässig schalteten. Das Magnetventil von

Bermad schaltete bis auf wenige Ausnahmen ebenfalls zuverlässig. Die

Magnetventile von BJ und Baccara waren mit der Aktorknotenkonfiguration von 2012

nicht verwendbar.

4.1.2 Funkreichweiten An mehreren Tagen im Jahr 2012 wurden Funkreichweitentests durchgeführt. Das

Testergebnis vom 31.5.2012 (Abbildung 16) zeigt eine maximale, stabile

Funkdistanz von bis zu 300 m.

Fläche 1

Fläche 2

Ventilschaltung über Funkstick klappte

Ventilschaltung über Funkstick klappte nicht zuverlässig

Ventilschaltung über Funkstick klappte nicht mehr

Knoten

Abbildung 16: Ergebnis des Funkreichweitentests am 31.5.2012

34

Die Funkreichweite ist abhängig vom Funkmodultyp und von den Umwelt-

bedingungen, denen die Funkmodule unterliegen (Antennenleistung, Gegenstände

zwischen Sender und Empfänger, Funkmodulabstand zum Boden,

Empfängerempfindlichkeit).

4.1.3 Erkennung von Leckagen und Rohrbrüchen Als wichtige Neuerung im Vergleich zu bereits angebotenen Freilandbewässerungs-

systemen können Leckagen und Rohrbrüche einer bestimmten Größe erkannt

werden. Damit dies realisiert werden kann, muss das auf jeder Bewässerungsfläche

verlegte Bewässerungsrohrsystem bei den potentiell vorherrschenden und

vorkommenden Wasserdruckverhältnissen „vermessen“ werden. Das bedeutet, dass

abhängig vom Wasserdruck die Wassermenge pro Zeit erfasst werden muss, um auf

dieser Grundlage Leckagen und Rohrbrüche in einem Bewässerungssystem mit

einer bestimmten Anzahl an Bewässerungssträngen und Sprinkler- bzw.

Tropfertypen erfassen zu können. Die ersten Versuche zur Leckagenerkennung

anhand von simulierten Leckagen unterschiedlicher Größe wurden auf der

Vorversuchsfläche im Knoblauchsland durch die Bayerische Landesanstalt für Wein-

und Gartenbau durchgeführt (Abbildung 17). Anhand von Messungen des

Wasserdurchflusses sowie des Wasserdrucks wurde evaluiert, bis zu welcher

Grenze ein Rohrbruch, zuverlässig erkennbar ist. Unterschiedlich große Leckagen

werden unterschiedlich gut über den Wasserdruck und die Wassermenge erkannt.

Während sehr kleine Leckagen (Abbildung 17c) in der Praxis meist keine negativen

Auswirkungen haben, ist die Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen

(durch ein nicht verbundenes, offenes Rohr; durch eine sich unter dem Wasserdruck

öffnende Perrotrohrverbindung oder durch einen Rohrknick) (Abbildung 17a und

Abbildung 17b) von großer Bedeutung, da deren Folge (1) eine übermäßig starke

punktuelle Wasserabgabe, (2) eine Beschädigung des Pflanzenbestandes um die

Leckage, (3) eine mögliche Überschwemmung von Straßen oder Nachbarflächen

a) b) c)

Abbildung 17: Simulation von Leckagen auf der Vorversuchsfläche im Knoblauchsland. a) Große Leckage; b) Mittelgroße Leckage; c) Kleine Leckage

35

und (4) ein Sinken des Wasserdruckes im gesamten Bewässerungsrohrsystem ist.

Die Ergebnisse der Leckagensimulationsversuche ergaben folgendes:

Liegt keine Leckage vor, so sind sowohl die Beregnungsmenge als auch der

Wasserdruck in den oder dem Bewässerungsrohr(system)en abhängig von der

aktiven Kreisregneranzahl und dem von einer Pumpe bereitgestellten Wasserdruck

(Abbildung 18 und Abbildung 19). Im vorliegenden Bewässerungsrohrsystem stieg

die Wassermenge bis zu einer Anzahl von 16 Regnern linear mit der Regneranzahl

an, während der Druck von ca. 8 bar auf 6 bar sank (Abbildung 18).

Kreisregner aktiv

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ber

egnu

ngsm

enge

be

i X R

egne

rn (l

min

-1)

0

100

200

300

400

500

600

Was

serd

ruck

(bar

)

0

2

4

6

8

10

Wasserzähler manuell abgelesen

Wasserzähler elektrisch abgelesen

Wasserdruck

Abbildung 18: Beregnungsmenge und Wasserdruck abhängig von der Kreisregneranzahl ohne Leckage

Kreisregner aktiv0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Bere

gnun

gsm

enge

be

i X R

egne

rn (l

min

-1)

0

100

200

300

400

500

600

7-8 bar5 bar3 bar2 bar1 bar0.5 bar

Abbildung 19: Beregnungsmenge abhängig vom Wasserdruck und der Kreisregneranzahl ohne Leckage

36

Tritt nun eine zumindest mittelgroße Leckage ein, so sinkt der Wasserdruck (in

unseren Versuchen sank der Druck auf <~4 bar bei offenem Rohr und <~5 bar bei

mittelgroßer Leckage) und gleichzeitig erhöht sich die Beregnungsmenge signifikant,

nahezu unabhängig von der Regneranzahl bzw. von dem Ort im

Bewässerungsstrang, wo die Leckage auftritt (Abbildung 20).

Das vorläufige Ergebnis zeigt eine zuverlässige Erkennung von offenen Rohren

sowie großen und mittelgroßen Leckagen, die abhängig von der aktiven

Regneranzahl zu einer signifikanten Erhöhung des Wasserverbrauchs und zu einer

Senkung des Wasserdrucks führen (Abbildung 19 und Abbildung 20).

Zusätzlich zur Angabe der Wassermenge, liefert der Wasserzähler noch einen

weiteren Wert, sog. Clocks (b-Wert für den Wasserstrom), der abhängig vom

Bewässerungsstrang offen nach Regner X (aktive Stränge)

1 (Str.1)

7 (Str.1)

11 (Str.2)

16 (Str.2)

1 (Str.1 und 2)

7 (Str.1 und 2)

11 (Str.1 und 2)

1 (Str.1) u 11 (Str.2

)

7 (Str.1) u 13 (Str.2

)

9 (Str.1) u 16 (Str.2

)

Bere

gnun

gsm

enge

be

i X R

egne

rn (l

min

-1)

0

200

400

600

800

Was

serd

ruck

(bar

)

0

1

2

3

4

5

6

Total offenes Rohr Stark undichte Rohrverbindung Total offeness Rohr

Stark undichte Rohrverbindung

Abbildung 20: Beregnungsmenge und Wasserdruck bei großer und mittelgroßer Leckage

Abbildung 21: Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen anhand der Beregnungsmenge

37

Wasserdruck indirekt proportional zum Wasserverbrauch ist. Diese Clocks wurden

als Parameter zur Erkennung der Leckagen anstelle der Wassermenge

herangezogen.

Die Erfassung der Leckagen erfolgte im Jahr 2012 direkt über die Basisstation, die

kabelgebunden mit den Drucksensoren und dem Wasserzähler verbunden war.

Durch Setzen von Wasserdruck- und Wasserverbrauchsschwellenwerten zwischen

den Werten, die den Zustand bei Leckage und ohne Leckage anzeigen, konnten

Leckagen einer gewissen Größe zuverlässig erkannt werden (Abbildung 21 und

Abbildung 22).

Aufgrund der angedachten Funknetzwerkkonfiguration mit zentraler Positionierung

der Basisstation und Positionierung der Funkknoten direkt auf dem Feld, ist im

Folgeprojekt „Mobile Bewässerungssteuerung durch Funknetze“ vorgesehen die

Wasserdrucksensoren und den Wasserzähler direkt an die Funkknoten anzubinden,

wobei die Verrechnungsalgorithmen zur Leckagenerkennung weiterhin an der

Basisstation durchgeführt werden sollen.

Für eine zukünftige, einfache und schnelle Implementierung der Leckagenfunktion in

das betriebliche Bewässerungsmanagement ist vorgesehen nur den Normal-

wasserdruck und die davon abhängende, verbrauchte Wassermenge (abhängig

auch von den aktiven Regnern bzw. der Tropferanzahl) bei der Bewässerungs-

installation zu erfassen. Jede signifikante Abweichung (Abweichung vom

Normalzustand in % einstellbar vom Anwender) stellt eine Leckage dar.

Da diese Leckagenerkennungsfunktion durch die zu beschaffende Hardware

(Wasserzähler mit Reedkontakt und/oder Wasserdrucksensor) zusätzliche Kosten

Schwelle Wasserdruck

Abbildung 22: Erkennung von mittelgroßen und großen Leckagen anhand des Wasserdrucks

38

verursacht, kann angenommen werden, dass einige Betriebe aus Kostengründen

auf diese Funktion verzichten. Daher ist vorgesehen, dass in der Bedieneroberfläche

die Leckagenfunktion optional zu aktivieren bzw. zu deaktivieren sein wird.

4.1.4 Systemüberwachung Mit der Realisierung der Systemüberwachungsfunktion wurde zwar bereits in den

Jahren 2012 und 2013 begonnen, jedoch wird im Folgeprojekt noch weiter intensiv

daran gearbeitet werden.

Die Aufgabe der Basisstationen ist auch über die mit den Funkknoten verbundenen

Drucksensoren und/oder Wasserzähler das zuverlässige Öffnen und Schließen der

Magnetventile zu kontrollieren. Nach jedem Ventilschalten werden zeitversetzt (um

vor allem beim Schließen der Ventile das verzögerte Schließen zu berücksichtigen)

die jeweiligen Wasserdrucksensoren und Wasserzähler ausgelesen. Stimmt der

Soll-Zustand nicht mit dem Ist-Zustand überein, so wird abermals (bis zu X mal)

versucht das betreffende Ventil zu öffnen oder zu schließen. Sollte ein Ventilöffnen

oder –schließen nicht möglich sein, so erhält der Anwender eine Warn-SMS und der

Schaltfehler wird automatisch aufgezeichnet.

4.2 Gewächshausversuchsphase 2012/2013 In den Wintermonaten 2012/2013 wurde die Funkbewässerungssteuerung im

Gewächshaus des AELF Fürth an einem Rettichsortenversuch der Meisterschüler

Gemüsebau des AELF Fürth weiter getestet. Vier Funkknoten und eine Basisstation

wurden verwendet (Abbildung 23) und wie bereits auf der Vorversuchsfläche in den

Monaten zuvor wurde das Hauptaugenmerk auf Systemstabilität hinsichtlich des

Funkverkehrs gelegt. Zwei Bewässerungsstränge mit Mikrosprinkler in bestimmten

Abständen zueinander wurden über Aquanet-Magnetventile kontrolliert. Mithilfe von

Tensiometern wurde die Bodenwasserspannung in regelmäßigen Abständen erfasst

und bei Bedarf wurde über die Funkbewässerungssteuerung die Bewässerung

aktiviert.

Als Problem stellte sich vor allem im Vorraum des Gewächshauses die von Tag zu

Tag variierende Qualität des GPRS-Empfangs heraus, wodurch vor allem an

bestimmten Tagen die Kommunikation über GPRS eingeschränkt war und somit

auch keine Protokolle über die Basisstation abgefragt werden konnten.

39

4.3 Feldversuchsphase 2013 In den Monaten Mai bis Oktober wurde auf drei Gemüseflächen der Betriebe Hans

Brunner, Jürgen Lösel und Herbert Hofer je ein Funknetzwerk bestehend aus einer

Basisstation sowie 4 Funkknoten aufgebaut (Abbildung 14b).

Die Betriebe Jürgen Lösel und Herbert Hofer bezogen auf den Versuchsflächen das

Beregnungswasser über den Wasserverband Knoblauchsland. Direkt auf den

Versuchsflächen gab es keine Möglichkeit einer Netzstromversorgung, wodurch

versucht wurde die Basisstationen über 12 V Autobatterien zu versorgen (Abbildung

24). Da vor allem bei täglicher Beanspruchung der Basisstationen, deren Strom-

verbrauch durchaus hoch ist1, konnte die Energieversorgung der Basisstationen

über mehrere Tage nicht mit einer einmalig aufgeladenen Autobatterie abgedeckt

werden.

Eine ausreichende kontinuierliche Aufladung der Autobatterie über Solarenergie

hätte ein vergleichsweise großes Solarmodul benötigt. Aufgrund der dafür

anfallenden Kosten- und dem eher schwierigen Handlings eines großen Panels wird

diese Möglichkeit erst im Folgeprojekt weiter verfolgt. Als Folge konnten die

Basisstationen an diesen beiden Standorten bisher nur über wenige Tage

kontinuierlich verwendet werden. 1 Bei derzeitigem Betriebsmodus 0,5A/h = 1,2Ah/Tag ohne Nahfunkverkehr. Bei 24 Internetbesuchen á 1 Minute zu je 1,5A = 0,5Ah/Tag. Summe 1,7Ah/Tag oder 51Ah/Monat, bei 12V und ohne Funkverkehr

Abbildung 23: Gewächshausversuchsaufbau mit Funkknoten, die kabelgebunden mit Magnetventi-len und Tensiometern verbunden waren

40

Die Funkknoten wurden bei Freilandarbeiten per Laptop direkt über einen USB-

Funkstick2 der Firma AmberWireless abgefragt. Neue Versionen der Funkknoten-

software wurden so getestet und die gemessenen Bodenfeuchtewerte der

angebundenen Sensoren abgefragt.

Der Betrieb Hans Brunner hatte an dem gewählten Versuchsstandort einen eigenen

Tiefbrunnen mit kleinem Pumpenhäuschen direkt am Feldrand, über das die Basis-

station mit Netzstrom versorgt werden konnte. Die Basisstation wurde mit einer um

ca. 1 m verlängerten Funkantenne in einer Holzkiste auf das Dach des kleinen

Pumpenhäuschens gestellt. Die Holzkiste war notwendig, um die Basisstation vom

Blechdach des Pumpenhäuschens „abzuschirmen“. Die einzelnen Funkknoten

wurden gemeinsam mit der Solarstromversorgung in bis zu 100m Entfernung von

der Basisstation auf eigens dafür konstruierten Vorrichtungen platziert (Abbildung

25). Aufgrund der Energieversorgungsprobleme auf den Feldern von Herbert Hofer

und Jürgen Lösel wurde der Großteil der Versuche, Tests von Neuentwicklungen

und anderer neuer Hard- und Softwarekomponenten auf der Gemüsefläche von

Hans Brunner durchgeführt.

Damit im kommenden Versuchsjahr im Rahmen des von der Landwirtschaftlichen

Rentenbank geförderten Projektes „Mobile Bewässerungssteuerung durch

Funknetze“ auch auf jenen Flächen der Partnerbetriebe Versuche durchgeführt

werden können, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

2 Modell AMB8465, siehe http://amber-wireless.de/162-0-AMB8465.html

Abbildung 24: Basisstation mit nach außen geleiteter GPRS-Antenne, Stromversorgung über Autobatterie

41

1) Die neuen Basisstationen müssen mit den neuen Funkmodulen mit bis zu 2 km

Funkreichweite bestückt werden.

2) Die Basisstationen müssen ab Beginn der nächsten Versuchsperiode in den

Pumpenhäusern des Wasserverbandes Knoblauchsland untergebracht

werden. Dort steht sowohl das 230V-Stromnetz, als auch eine auf Glasfaser

basierende Internetverbindung zur Verfügung.

In der Freilandversuchsphase 2013 wurden folgende Ziele verfolgt:

• Weiterentwicklung der Basisstations-. Funkknoten- und Anwendersoftware

mit dem Ziel einen fehlerfreien Funk- und GPRS-Kontakt zwischen den

einzelnen Komponenten des Funknetzwerkes zu erreichen.

• Entwicklung einer bedienerfreundlichen Oberfläche für die Verwendung und

Steuerung der Bewässerung.

• Weiterentwicklung der Stromversorgung über Solarenergie, um hier die

Zuverlässigkeit der Funkknoten zu erhöhen.

• Testung der fünf am weitesten am Markt verbreiteten Magnetventiltypen auf

zuverlässiges Ein- und Ausschalten über die Funkknoten.

• Testung der für das Funkbewässerungssystem vorgesehenen

Bodenfeuchtesensoren im Hinblick auf deren Messgenauigkeit, Kompatibilität

und Handling.

Abbildung 25: Versuchsfeld des Betriebes Hans Brunner mit solarversorgten Funkknoten und der auf dem Pum-penhäuschen stehenden Basisstation mit verlängerter Funkantenne

42

• Weitere Entwicklung und Testung geeigneter Funkknotensteher für einen

optimalen, möglichst störungsfreien Feldeinsatz.

• Testung der über die Basisstationen angebundenen Klimasensoren

(Niederschlags- und Windsensoren)

43

4.3.1 Adaptierung der Software 4.3.1.1 Basisstations- und Funkknoten- Software Funkknoten- und Basisstations-Software sind verantwortlich für alle Prozesse, die

direkt auf den Basisstationen und den Funkknoten und auf den Übertragungswegen

über Funk- und Internetverkehr ablaufen.

4.3.1.1.1 Basisstations-Software Die Software der Basisstation befindet sich auf einer Mini-SD-Karte, die sich in dem

SD-Kartenslot des Trizeps befindet, der wiederum auf der obersten von zwei

Platinen steckt. Damit die Software der Basisstation aktiv ist, muss diese mit einem

für die Aktivierung vorgesehenen Namen benannte werden (in unserem Fall:

update.exe). Die Aufgaben der Basisstationssoftware sind folgende:

• Die Basisstation stellt die Verbindung zwischen Anwender und den

Funkknoten her.

• Der Kontakt zu den Funkknoten erfolgt über die Funkfrequenz von 868MHz.

• Die Verbindung zum Datenbankserver erfolgt über GPRS oder WLAN.

• Durch Zugriffe in bestimmten Zeitabständen (einstellbar oder voreingestellt)

auf den Datenbankserver holt sich der Master die aktuellen Auftragslisten von

jedem Anwender und sendet im Gegenzug das von den Funkknoten

erhaltene Protokoll an den Datenbankserver.

• Während die Knotensoftware keine Berechnungen der gemessenen

Sensorwerte durchführt, besteht eine weitere Aufgabe der

Basisstationssoftware darin Systemfehler anhand von Sensorwerten

(Wasserdruck, Wassermenge), sofern diese Parameter berücksichtigt werden

sollen, zu erkennen.

• Die Basisstationssoftware ist zuständig für das Erkennen der in ihrem

„Zuständigkeitsbereich“ liegenden Funkknoten. Die Funkknoten werden

entweder fix einer Basisstation zugeordnet oder die Zuordnung erfolgt

automatisch von den jeweiligen Basisstationen anhand der Höhe der

Funkfeldstärke (dies muss allerdings noch entwickelt werden).

44

• Bei fehlgeschlagenen Serverbesuchen aufgrund schlechter

Internetverbindung aktiviert die Basisstationssoftware einen sog. Kaltreset,

wodurch der Hauptprozessor ausgeschaltet wird und das System nochmals

neu startet.

• Die auf dem Datenbankserver liegenden Protokolllisten werden bei

Serverzugriffen vonseiten der Basisstation mit den neuen Protokolleinträgen

ergänzt. Die Auftragslisten auf dem Datenbankserver werden hingegen bei

hochladen einer neuen Auftragsliste komplett mit dieser überschrieben.

4.3.1.1.2 Funkknoten-Software Die Aufgaben der Funkknotensoftware bestehen im Erkennen/Entschlüsseln und im

Ausführen der von den Basisstationen über die Funkfrequenz von 868MHz

gesendeten Aufträge (Schalten von Magnetventilen, Auslesen von verschiedenen

Sensoren zu Bodenfeuchte, Wasserdruck und Wassermenge). Des Weiteren wird

ein Protokoll mit den ausgeführten Aktionen und des ausgelesenen Sensorwerten,

die an der Basisstation im Hinblick auf Leckagenerkennung und

Systemüberwachung analysiert werden, an die Basisstation gefunkt.

Ein Funkknotensoftware-Update erfolgt durch „Flashen“ der Funkknotenplatine mit

dem kostenlosen Programm Elprotronic FET-Pro430-Lite.

4.3.1.2 Testsoftware, Anwendersoftware und –oberfläche Für die Bedienung der Funkbewässerungssteuerung und für vorgeschaltete Tests

auf Funkreichweite und Funkstabilität wurden verschiedene Softwareprogramme an

der HSWT (AmberTest, IrriMan) und von der Fa. AgrarSystem GmbH

(PCFunkMonitor, Irrigation-Manager) entwickelt.

4.3.1.2.1 PCFunkMonitor Mithilfe der Software „PCFunkMonitor“ (Abbildung 26) von der Fa. AgrarSystem

GmbH und eines am Desktop-Computer oder Laptop angeschlossenen Funksticks

(bei uns Model: USB Funkstick AMB8465 868MHz) können über die Funkfrequenz

von 868MHZ einzelne Funkknoten, die sich innerhalb der Funkreichweite befinden,

hinsichtlich Magnetventilschaltung oder Sensorwerte abgefragt und gesteuert

werden. Sowohl die zu übertragenden Informationen beim Sendevorgang vom

Funkstick zum Funkknoten als auch jene Informationen am Weg zurück werden

45

verschlüsselt über binäre Codes dargestellt. Diese Software wurde verwendet zur

Ermittlung der Funkreichweite und für spontane Funkknoten- bzw. Magnetventil- und

Bodenfeuchtesensorabfragen, ohne die Basisstationen dafür miteinbeziehen zu

müssen.

4.3.1.2.2 AmberTest Die an der HSWT entwickelte Software „AmberTest“ (Abbildung 27) wurde

ursprünglich zur Überprüfung der Funkknoten-Software entwickelt. Im Verlauf des

Projektes wurde es um weitere Funktionen ergänzt und dient nun in erster Linie der

kontinuierlichen Datenaufzeichnung und der Kontrolle des Funksystems.

Abbildung 26: Software „PCFunkMonitor“ mit verschiedenen Einstellmöglichkeiten und den angezeigten binären Code der Sende- und Empfangsmeldung

Abbildung 27: Übersicht über den Status der verschiedenen Funkknoten (links) sowie Aufzeichnung der Funkkomunikation im Klartext (rechts)

46

Über längere Zeiträume lässt sich der Datenaustausch per Funk beobachten

(Abbildung 28). Zusätzlich zu den Messdaten der Bodenfeuchte-Sensoren werden

Schaltkommandos für Ventile bzw. Aktoren sowie weitere Informationen (Spannung

der Batterie, Feldstärke des Funksignals) erfasst und aufgezeichnet. Ventile lassen

sich sowohl direkt als auch automatisch über einfache Testprogramme schalten. Die

erfassten Daten werden grafisch aufbereitet und stehen auch in Tabellenform zur

Verfügung.

4.3.1.2.3 Irrigation Manager Die Software „Irrigation Manager“ (Abbildung 29), entwickelt von der Fa.

AgrarSystem GmbH, bietet für den Anwender die Möglichkeit Bewässerungs- und

Sensorabfrageaufträge einzugeben, Datenbankserverbesuche festzulegen und sich

das von der Serverdatenbank geladene Protokoll anzusehen. Voraussetzung für den

Zugriff auf die Serverdatenbank ist eine Internetverbindung über GPRS oder WLAN.

Die erteilten Aufträge können beginnend ab einer vorzugebenden Startzeit täglich,

jeden zweiten Tag oder täglich wiederholend ausgeführt werden. Die Aufträge

können entweder einzeln formuliert werden oder mit bestimmten minütlichen oder

stündlichen Abstandsfolgen wiederholt werden. Für jedes im Programm

vorgesehene Magnetventil können Gießzeiten eingegeben werden. Bei den

Bodenfeuchtesensoren besteht die Möglichkeit der einmaligen oder in

anzugebenden Zeitabständen mehrmaligen Messung. Einzelne Aufträge oder die

gesamte Auftragsliste kann gelöscht werden. Beim Hochladen der Auftragsliste wird

die bereits dort gespeicherte und einem bestimmten Anwender zugeordnete

Auftragsliste komplett von der neuen Auftragsliste überschrieben. Sobald die

Abbildung 28: Software „AmberTest“ mit der Möglichkeit bestimmte Funkknoten anzusprechen und sich die Daten zu Bodenfeuchte (links), Magnetventilschaltungen und Energiestatus (rechts) der Funkknoten graphisch anzeigen zu lassen

47

Basisstation auf den Dantebankserver zugreift, holt diese sich die neuen Aufträge

und gleichzeitig wird das neue Protokoll auf den Datenbankserver übertragen.

4.3.1.2.4 IrriMan Mit dem Ziel, dem Anwender eine einfach zu bedienende Oberfläche zur Verfügung

stellen zu können, wurde an der HSWT begonnen, die Software IrriMan zu

entwickeln (Abbildung 30). Diese besteht aus einer web-basierten Oberfläche für

den Endbenutzer, aus einer Datenbank zur System- und Datenverwaltung, sowie

aus verschiedenen Schnittstellen zur Kommunikation zwischen den einzelnen

Komponenten.

Die Webanwendung wurde Serverseitig mit Apache und PHP realisiert. Auf Seiten

des Benutzers wird HTML5 in Kombination mit dem JavaScript-Framework jQuery

verwendet.

Abbildung 29: Irrigation Manager

Abbildung 30: Dialog zum Erstellen eines Bewässerungsauftrages (links). Dialog für einen einmaligen Bewässerungslauf (rechts)

48

Die Benutzeroberfläche wird im beantragten Projekt „Mobile Funkbewässerung

durch Funknetze“ weiter entwickelt und soll für die Benutzung mit mobilen

Endgeräten (Smartphone, Tablet) optimiert werden.

4.3.1.2.5 Datenbank-System Zur Speicherung der Daten und Einstellungen wird ein zentraler Datenbankserver

verwendet, dieser wird derzeit an der HSWT betrieben (Abbildung 31). Basierend

auf OpenSource-Software (MySQL unter Linux) ist es möglich, diesen als MySQL-

Cluster kostengünstig nach Bedarf auf zusätzliche Server-Hardware zu skalieren.

Zur Kommunikation mit der Datenbank wurden unterschiedliche Schnittstellen

entworfen. Diese ermöglichen den Datenaustausch der Basisstationen mit dem

Datenbank-System. Das Datenformat basiert auf XML, Bibliotheken zur Verwendung

dieser Schnittstellen auf Client-Seite stehen für Windows (.Net) als auch Linux

(Mono) zur Verfügung. Server-seitig wurden die Schnittstellen für Asp.Net (IIS unter

Windows Server) und PHP (Apache unter Linux) entwickelt.

Eine plattformunabhängige Implementierung in weiteren Sprachen, insbesondere

Java (Android), ist für das Folgeprojekt angedacht. Auch sollen zusätzliche Schnitt-

stellen für den Zugriff durch neue Benutzersoftware entwickelt werden.

Error-Reporting

Devices

Data

Control Loops

Geodata (GIS)

Network

Company

Acreages (Schlagdatei)

Cultures (Kulturdatei)

Companies

PK company

nameFK1 contact

Networks

PK network

nameFK1 company comment

Devices

PK device

nameFK3 nodeFK4 deviceinfo

Loops

PK loop

NameFK1 schlagFK2 parentLoop

Users

PK user

nameFK1 companyFK2 contact password

Acreages

PK acreage

FK1 parent (recursion)FK3 soiltypeFK4 geodata area typeFK2 company

CultureGroup

PK culturegroup

FK1 parent (recursion) More Data ???

Cultures

PK culture

FK1 culturegroup name

Varieties

PK variety

FK1 culture name supplier

Batch (Charge)

PK batch

FK1 variety bestBefore lot

CultureBatch

PK cultureBatch

FK1 batchFK2 acreage

Data

FK2 device Time Value

Units

PK unit

Name KürzelFK1 parentUnit SIFaktor

Geodata

PK geodata

type [Point|Polygon] name

Coordinates

PK coordinate

FK1 geodata latitude longitude height

VarietyScores (Sortenbonitur)

PK varietyscore

FK1 variety score

SoilTypes

PK soiltype

type [S|lS|sL|L|...] group [light|medium|heavy] Weitere Informationen: Verdichtung Staunässe Frostgefahr Beregnung Eingentumsverh.

Contacts

PK contact

address1 address2 zip city country phone mobile fax web mail

Jobs

PK job

FK3 algorithmFK4 loop StartTime Duration Comment

Nodes

PK node

FK1 network serialFK2 company isBasestation

DeviceInformations

PK deviceinfo

type [sensor|actor]FK1 unit information correctionFactor Weitere Informationen

Algorithms

PK algorithm

Name

Sensors

FK1 job threshold errorMin errorMaxFK2 device

Actors

FK1 jobFK2 device

Variables

FK1 job Name Value

Adresses

PK address

FK1 node validSinceFK2 geodata

CompanyMessageRecipients

FK1 userFK2 company

CompanyFailureRecipients

FK1 userFK2 company

JobFailureRecipients

FK1 userFK2 job

NetworkFailureRecipients

FK1 userFK2 company

JobMessageRecipients

FK3 userFK4 job

DebugFailureRecipients

FK1 user

DebugMessageRecipients

FK1 user

Abbildung 31: Datenbank-Entwurf mit Informationen u.a. zum Netzwerk, Regelkreisen und vorhandenen Geräten

49

4.3.2 Adaptierung der Hardware 4.3.2.1 Solarversorgung Verschiedene Kombinationen von Solarmodul, Lithium-Ionen-Akku und Laderegler

wurden unter variierenden Einstrahlungsverhältnissen getestet. Die Ergebnisse im

Versuchsjahr 2013 zeigten eine unterschiedlich stabile Energieversorgung der

Funkknoten, abhängig von Einstrahlungsintensität, Solarmodulleistung und Akku-

kapazität. Bei regelmäßigen Funkknotenabfragen und geringer Sonneneinstrahlung

über mehrere Tage konnte nur bei einer ausreichenden Solarmodulgröße verbunden

mit einer gewissen Akkukapazität eine konstante Energieversorgung der Funkknoten

gewährleistet werden. Das kleine Solarmodul PGLS-12250 von Pollin schnitt bei

geringer Einstrahlung am schlechtesten ab und konnte Energie für eine stabile und

konstante Energieversorgung zu wenig Energie generieren. Eine hohe Akku-

kapazität ist vor allem dann wichtig, wenn bei geringer Einstrahlung das Solarmodul

nur wenig Strom liefern kann, wodurch auch bei geringer Einstrahlung und hoher

Akkukapazität die Funkknoten länger stabil mit Energie versorgt werden können.

Höhere Akkukapazitäten bedingen zwangsweise bei den bisher verwendeten Blei-

gel-Akkus große Akkuabmessungen und stehen einer Hardware-Miniaturisierung

entgegen.

4.3.2.2 Magnetventile Die für unser Funkbewässerungssystem verwendeten Magnetventile (Baccara;

Dorot; RainBird; Bermad; Aquanet Plus) benötigen für zuverlässiges Schalten einen

auf ihre Konfiguration abgestimmten Schaltimpuls mit einer gewissen Zeitdauer und

Spannung. Durch die Untersuchung der zu den jeweiligen Magnetventilen

erhältlichen Ministeuercomputer (z.B. für das Bermad- und das Aquanet Pro-

Magnetventil wird der dazu passende Minischaltcomputer Aquapro Plus 9V DC

angeboten) und anhand von Tests auf der Vorversuchsfläche mit den angepassten

Funkknotenkonfigurationen wurde für alle im Projekt verwendeten Magnetventiltypen

jene Konfiguration ermittelt, mit denen die Magnetventile im Wasserdruckbereich

von 0-9,5 bar mit und ohne Leckage bzw. offenem Rohr zuverlässig auf- und

zumachen (Tabelle 4). Eine Impulsgenerierung über eine Kondensatorschaltung,

eine Impulsdauer von 80-100ms und eine Spannung von >12 Volt haben sich für alle

Magnetventiltypen und für alle potentiell auftretenden Wasserdruck- und

Leckagensituationen als optimal erwiesen.

50

Tabelle 4: Ergebnisse der Konfigurationsabstimmung mit Kondensatorschaltung für die Magnetventile ermittelt an-hand von Versuchen mit variabler Versorgungsspannung, Wasserdruck und Leckagensituation

Keine Leckage Bermad neu 2013 Rainbird neu 2013 BJ neu 2013 Baccara 2012 Aquanet Plus

Ein [V]

Aus [V] [bar] Ein

[V] Aus [V] [bar] Ein



[V] Aus [V] [bar]

>7 >7 9,5

(max) >7 >7 10

(max) >7 >9 8,5-9 (max) >9 >7

9,5-10 (max) >7 >7

9 (max)

>7 >7 6 >7 >7 6 >9 >9 6 >9 >9 6 >7 >7 6 >7 >7 4 >7 >7 4 >9 >9 4 >9 >7 4 >7 >7 4

Leckage am Rohrstrangende >7 >7 2,5-3,5 >12 >9 2-3 >7 >7 2-3 >9 >7 2-3 >9 >7 2-3

4.3.2.3 Bodenfeuchtesensoren In Bezug auf die verschiedenen Bodenfeuchtesensoren stellten sich im bisherigen

Projektverlauf die unterschiedlichen elektrischen Konfigurationen der Sensoren als

problematisch dar: Signalspannungen sowie die Versorgungsspannung und

Mindestbestromungsdauer variieren zwischen den Sensoren. Aus diesem Grund ist

es zwingend notwendig, dass jeder Sensoreingang der Funkknoten spezifisch an

den jeweiligen Bodenfeuchtesensor angepasst wird um korrekte Feuchtewerte zu

erhalten.

Die Praktikabilität und die Genauigkeit der Bodenfeuchtesensoren, und ein Vergleich

von Bodenfeuchtewerten ausgewählter Bodenfeuchtesensoren erhoben mit den

dazu passenden Auslesegeräten und den Funkknoten wurde in der Bachelorarbeit

von Herrn Florian Demling mit dem Titel „Einsatz von Bodenfeuchtesensoren zur

Bewässerungssteuerung im Knoblauchsland“ genau beschrieben. Unter anderem

wurden die Bodenwasserspannungswerte und deren Verläufe mehrerer Tensio-

meter, die in einem Gewächshausversuch des AELF Fürth im Gewächshausboden

an einem Salatbeet verwendet wurden, verglichen mit dem gravimetrisch erhobenen

Bodenwassergehalt (Abbildung 32).

51

4.3.2.4 Funkknoten- und Energieversorgungs- Befestigungen Zu Beginn der Versuchsperiode 2013 wurden alle Funkknoten mitsamt der

zugehörigen Energieversorgung an langen, stabilen Metallstehern befestigt

(Abbildung 33a). Nach kurzer Zeit stellte sich heraus, dass diese Steher, die an

unterschiedlichen Positionen der Versuchsfelder in den Boden gesteckt wurden,

aufgrund ihrer Länge bei bestimmten Pflegemaßnahmen mit Landmaschinen

hinderlich waren und versetzt werden mussten. Aus diesem Grund wurden in einem

ersten Schritt die Knotensteher gekürzt, sodass diese nun aufgrund ihrer Höhe von

Landmaschinen bzw. den Geräten zur Bestandespflege „überfahren“ werden können

(Abbildung 33b). Da nun die Funkknoten mit den kurzen Funkantennen (Länge von

8,2 cm, dies entspricht einer einfachen Wellenlänge der verwendeten Funkfrequenz)

bodennah an den Knotenstehern angebracht waren, konnte sowohl über größere

Funkentfernungen als auch bei einem Knotenstandort in einer leichten Senke kein

stabiler Funkverkehr mehr gewährleistet werden. Als Verbesserung wurde zwischen

Knotenplatine und Funkantenne ein geschirmtes Koaxialkabel eingesetzt. Mit dieser

Verlängerung entlang eines biegsamen Drahtes wurde die sich am Ende des Kabels

befindliche Funkantenne vom Boden weg geleitet (Abbildung 33c und d).

Abbildung 32: Gravimetrischer Wassergehalt (Säulen) und Wasserspannungsverlauf (Punkte mit Datenlinien) der digitalen Tensiometer an den Messpunkten 3, 5 und 7 im Boden mit Bewässerungsintervallen (blaue senkrechte Linien)

52

Die nächste Weiterentwicklung bestand im Austausch der fixen Metallsteher gegen

im Wintersport übliche Kippstangen, die sich über eine Metallfeder neigen können.

Die Biegsamkeit dieser Metallfeder kann über Verschraubungen eingestellt werden.

Diese Kippstangenvariante bietet die Möglichkeit das Solarmodul an unterschiedli-

chen Stellen anzubringen, sowohl in der Mitte mit überstehender Stange, als auch

am obersten Punkt der Kippstange (Abbildung 34). Die mittlere Anbringung

(Abbildung 34a) mit überstehender Kippstange bietet den Vorteil, dass bei Überfahr-

ten mit Landmaschinen die Kippstange durch die Bearbeitungsgeräte herunter ge-

bogen werden könnte, ohne Funkknoten und Solarmodul dabei zu schaden.

4.3.2.5 Veröffentlichungen und Vorträge Die im Rahmen des Projektes „Optimierung des Bewässerungsmanagements im

Knoblauchsland durch Funksysteme“ generierten Ergebnisse und Entwicklungen

wurden anhand von Publikationen veröffentlicht und an Tagungen in Form von

Vorträgen oder Postern vorgestellt.

a) b) c)

a) b) c) d)

Abbildung 33: a) Funkknoten ohne Funkantennenverlängerung und Solarversorgung auf ca. 1,5 m langem, und fixem Metallknotensteher; b) Funkknoten ohne Funkantennenverlängerung und Solarversorgung auf kurzem, bodennahem und fixem Metallknotensteher; c) und d) Funkknote

Abbildung 34: Funkknoten mit Funkantennenverlängerung auf kurzem Kippknotensteher mit Variationsmöglichkei-ten in der Anbringung des Solarmoduls

53

• Veröffentlichungen:

o Beck M. (2011): Optimierung des Bewässerungsmanagements im

Knoblauchsland durch Funksysteme. Informationsdienst Weihenstephan,

Ausgabe Dezember 2011.

www.hswt.de/forschung/infodienst/2011/dezember/forschungsprojekt.html

o Beck M., Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Peisl S. (2012):

Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch

Funksysteme. Informationsdienst Weihenstephan, Ausgabe Oktober 2012.

www.hswt.de/forschung/infodienst/2012/oktober/forschungsprojekt.html

o Hackl H., Mühlmann C., Beck M., Kirchberger F., Schmitt A., Sander G.,

Peisl S. (2012): Optimierung des Bewässerungsmanagements im

Knoblauchsland durch Funksysteme.

www.lwg.bayern.de/gartenbau/45378/

o Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.

(2012): Optimal bewässern per Funk – Bewässerungsmanagement mit

Funksystemen im Knoblauchsland. Gemüse – Das Magazin für den

professionellen Gartenbau, 12/2012.

o Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Schmitt A., Beck M., Sander G.,

Peisl S. (2013): Optimierung des Bewässerungsmanagements im

Knoblauchsland durch Funksysteme. Mitteilung für die Gartenbaubetriebe

im Bereich Gartenbauzentrum Bayern Mitte, 01/2013.

o Mühlmann C., Hackl H., Beck M., Peisl S. (2012): Funknetz zur

Bewässerung im Knoblauchsland. Proceedings der 32. GIL-Jahrestagung,

Potsdam, Seite 215-218.


(2013): Funkbasierte Bewässerung fürs Bedienen aus der Ferne –

Forschungsprojekt im Knoblauchsland zur Arbeitserleichterung durch den

Einsatz von Funk beim Wassermanagement. TASPO, 24/2013.


(2013): Bewässerungsmanagement im Knoblauchsland – Funkbasierte

Bewässerungssysteme. Gartenbau-Profi, 7/2013.

http://www.hswt.de/forschung/infodienst/2011/dezember/forschungsprojekt.html

54

o Hackl H., Mühlmann C., Beck M., Kress O., Sander G., Peisl S. (2013):

Entwicklung einer funkbasierten Steuerung von Bewässerungsanlagen -

Ein Forschungsprojekt in Kooperation mit Gemüseproduzenten im

Knoblauchsland. Schule und Beratung, 9-10/2013.

• Vorträge:

o Beck M., Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Peisl S. (2012):


Funksysteme. Tagung der Gesellschaft für Kunststoffe in der

Landwirtschaft (GKL), Bamberg, am 23.04.2012.

o Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Sander G., Peisl S. (2012):

Funksysteme zur Steuerung der Bewässerung. Fortbildungsseminar des

Kuratoriums für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL), Bad

Waldsee, am 19.09.2012.

o Hackl H., Mühlmann C., Beck M., Peisl S. (2013): Optimierung des

Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme.

Gemüsebautag Knoblauchsland, Nürnberg-Neunhof, am 29.01.2013.



Jahressitzung des Wasserverbandes Knoblauchsland, Nürnberg-Neunhof,

am 04.02.2013.

o Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.

(2013): Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland

durch Funksysteme. Arbeitsbesprechung der bayerischen

Gemüsebauberater, Landshut, am 07.02.2013.

o Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Beck M., Peisl S. (2013):


Funksysteme. Versammlung zu den Bewässerungsprojekten Bayerns,

Wolnzach, am 14.02.2013.



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22. Bundesberatertagung für Fachberater Gemüsebau, Grünberg, von

05.-07.03.2013.

• Posterpräsentationen/Vorführungen:

o Hackl H., Mühlmann C., , Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.


durch Funksysteme. 3. Agrar-wissenschaftliches Symposium, Freising, am

20.09.2012.

o Beck M., Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Sander G., Peisl S.


durch Funksysteme. Feldtag zum Forschungsprojekt, Fürth-Ronhof, am

18.10.2012.

o Beck M., Hackl H., Mühlmann C., Kirchberger F., Sander G., Peisl S.

(2012): Erreichtes – Noch zu Erreichendes. Feldtag zum

Forschungsprojekt, Fürth-Ronhof, am 18.10.2012.

o Hackl H., Beck M., Mühlmann C., Kirchberger F., Sander G., Peisl S.

(2012): Erkennung von Rohrbrüchen und Leckagen. Feldtag zum

Forschungsprojekt, Fürth-Ronhof, am 18.10.2012.

o Mühlmann C., Beck M., Hackl H., Kirchberger F., Sander G., Peisl S.

(2012): Aktuelle Bewässerungssteuerungsmöglichkeiten und Ist-Situation

im Knoblauchsland. Feldtag zum Forschungsprojekt, Fürth-Ronhof, am

18.10.2012.

o Mühlmann C., Hackl H., Kirchberger F., Beck M., Sander G., Peisl S.

(2012): Funknetz zur Bewässerung im Knoblauchsland. 33. GIL-

Jahrestagung, Potsdam, vom 20.-21.02.2013.



durch Funksysteme. Tag der Offenen Tür des Versuchsbetriebes für

ökologischen Gemüsebau der Bayerischen Landesanstalt für Weinbau

und Gartenbau, Bamberg, am 21.07.2013.

56

5 Ausblick Die Entwicklung einer Bewässerungssteuerung über Funknetzwerke ist komplex.

Damit den Anwendern ein auf ihre betrieblichen Verhältnisse abgestimmtes und

optimales Bewässerungssteuersystem mit vielfältigen Funktionen angeboten werden

kann, sind ein zuverlässiger Funkverkehr, eine einfache Bedienbarkeit und eine

Konfigurationsabstimmung der Soft- und Hardware auf verschiedene zusätzlich

notwendige Sensoren und Magnetventile notwendig.

Ein Teil dieser angestrebten Ziele konnte bereits verwirklicht werden. Da aber noch

einige Ziele unerreicht blieben, wurde mit Beginn 01.11.2013 ein Projekt mit dem

Titel „Mobile Bewässerungssteuerung durch Funknetze“ beantragt, welches sich

aufbauend auf den Ergebnissen und Erkenntnissen des Projektes „Optimierung des

Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme“ mit der

Weiterentwicklung der Funkbewässerungssteuerung und der Implementierung neu

hinzugekommener Features bis hin zur Markreife beschäftigt.

Die in dem Folgeprojekt verfolgten Ziele liegen in einer möglichst hohen Flexibilität in

Bezug auf die Funkreichweiten (mind. 1,5 km) zwischen Basisstation, Funkknoten

und neu hinzukommenden Relaisstationen, in der Anbindung weiterer Sensor- und

Aktorsysteme sowie im Handling der Hardwarekomponenten. Die Leckagen- und

generelle Systemüberwachung wird in ihrer Erkennungsgenauigkeit noch weiter

verfeinert.

Des Weiteren werden zeit- und bodenfeuchteabhängige, klimatisch- und

benutzergesteuerte Bewässerungsmöglichkeiten in die bereits entwickelte

Steuersoftware implementiert. Die Benutzeroberfläche für die Steuerung des

Bewässerungssystems soll für den Anwender möglichst einfach und übersichtlich,

jedoch mit allen notwendigen Einstell- und Eingabemöglichkeiten gestaltet werden.

Damit die vom Anwender erteilten Bewässerungsaufträge möglichst zeitnah

ausgeführt werden, werden die Serverdatenbankzugriffszeiten möglichst kurz

gewählt (ca. 10 Minuten).

Neben der möglichst starken Hardwareminiaturisierung v.a. der Funkknoten, liegt ein

weiteres Hauptaugenmerk in einer zuverlässigen und kostengünstigen Energie-

versorgung. Die Stromversorgung über Solartechnik in Kombination soll mit der

Lithium-Polymer-Akkutechnologie optimiert werden. Als weitere Alternative zur

57

Stromerzeugung kann eine Wasserturbine in die im Knoblauchsland üblicherweise

verwendeten 2“-Bewässerungsrohre eingebaut werden. Diese Wasserturbine wird in

einer Forschungskooperation zwischen der Hochschule Amberg-Weiden und der

Hochschule Regensburg entwickelt3.

Gegen Ende des geplanten Folgeprojektes (Dezember 2015) ist mit einer

marktreifen und bereits auf Partnerbetriebsflächen getesteten

Bewässerungssteuerung zu rechnen.

3 TWO-Wasserrohr, Prof. Dr. A. Weiss (HS Amberg-Weiden), Prof. Dr. M. Schubert (HS Regensburg)

58

6 Zusammenfassung Damit im Freilandgemüseanbau unabhängig von den jährlich schwankenden

Wetterverhältnissen die notwendigen Qualitäten und Erträge bei möglichst

nachhaltigem Wasserressourceneinsatz erzielt werden können, wird ein erheblicher

Arbeits- und Zeitaufwand betrieben. Basierend darauf und auf Erkenntnissen

vorheriger Projekte war in dem Projekt „Optimierung des Bewässerungs-

managements im Knoblauchsland durch Funksysteme“ das Ziel, ein funkbasiertes

Bewässerungssteuersystem speziell für den Freilandgemüsebau gemeinsam mit

mehreren Projektpartnern aus der Forschung, Wirtschaft und der Praxis zu

entwickeln. In zwei Freilandsaisonen auf Vorversuchsflächen im Knoblauchsland

und an der HSWT und auf Gemüsebauflächen der Praxisbetriebe wurden die

zentralen Funkknoten- und Basisstationskomponenten gemeinsam mit den

verschiedenen Magnetventilen und Sensoren getestet und sukzessive

weiterentwickelt. Von zentraler Bedeutung war es, einen zuverlässigen Funkverkehr

zwischen den Basisstationen und den Funkknoten und eine lückenlose

Protokollierung der Bewässerungsereignisse, Bodenfeuchte- und Klimawerte zu

realisieren. Dabei wurde eine möglichst hohe Kompatibilität zu den am Markt

erhältlichen Boden-, Wasserüberwachungs- und Klimasensoren und den

Magnetventilen unter Berücksichtigung von deren unterschiedlichen elektrischen

Konfigurationen angestrebt. Des Weiteren wurden verschiedene

Funkknotenstehervarianten für einen störungsfreien Feldeinsatz und eine autarke

Energieversorgung über möglichst kleindimensionierte Solarpanele und Lithium-

Ionen-Akkus getestet. Die Softwarebenutzeroberfläche für Desktop-Computer und

Laptop wurde in einer ersten Version bereits unter Abstimmung mit einem

Partnergemüsebaubetrieb möglichst benutzerfreundlich erstellt.

In dem beantragten Folgeprojekt „Mobile Bewässerungssteuerung durch Funknetze“

werden die bereits begonnenen Entwicklungen weitergeführt, auf Robustheit im

Praxiseinsatz getestet und noch weiter mit den beteiligten Partnerbetrieben auf die

Verhältnisse im Freilandgemüsebau abgestimmt. Das Ziel in diesem Projekt ist

letztendlich die Entwicklung eines sich im Knoblauchsland und generell im

Gemüsebau bewährten und marktreifen Funkbewässerungssystems.

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Autoren:

• Dr. Harald Hackl

• Dipl.-Ing. (FH) Christoph Mühlmann

• Dr. Michael Beck

Veitshöchheim, den:______________

Veitshöchheim, den: ______________

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Gerd Sander Abteilungsleiter

Gartenbau LWG

Prof. Dr. Sebastian Peisl Präsident LWG

Forschungsprojekt „Optimierung des … · 1.1 Gegenwärtiges und zukünftiges...

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