Forschungsprojekt "Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme"
Drahtlos bewässern

Im Rahmen des Forschungsprojektes "Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme" wird ein Funknetzwerk zur Bewässerung entwickelt und getestet. Es besteht aus Basisstationen und Funkknoten zur Bewässerungssteuerung sowie zur Erfassung der Bodenfeuchte und anderer klimatischer Parameter. Das System wird an 2 Standorten eingesetzt. Der Standort Weihenstephan wird von der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf und der Fürther Standort von der Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau in Zusammenarbeit mit dem Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Fürth betreut.

Das Ziel ist die Entwicklung einer neuen Bewässerungssteuerung auf Basis von Funktechnik und Internet, um den Anbauern eine zuverlässige Möglichkeit zur Steuerung und Kontrolle von Beregnungsanlagen zu bieten, ohne vor Ort sein zu müssen. Dadurch wird der Anwender durch Wegfall der oft täglich zurückzulegenden Fahrtstrecken für das Betätigen der Wasserhähne und Kontrollieren der Anlage entlastet. Dies führt letztendlich zu einer Zeit- und Kostenersparnis.

Gemüseanbauflächemit Bewässerungssystem

Das Projekt

Derzeit sind zwei Pilotanlagen mit insgesamt 10 Funkknoten in Betrieb. Der Schwerpunkt der ersten im Knoblauchsland aufgebauten Bewässerungsanlage besteht im Testen neuer Software und unterschiedlicher Magnetventiltypen, im Durchführen verschiedener Bewässerungsversuche und der Simulation von Rohrbrüchen. Zur Softwareentwicklung, für Tests neuer Hard- und Software und für den Vergleich unterschiedlicher Bodensensoren wird die zweite Anlage in Weihenstephan verwendet.
Im Rahmen eines Feldtages an der Vorversuchsfläche im Knoblauchsland Mitte Oktober 2012 mit allen am Projekt Beteiligten und weiterer interessierter Personen wurde der momentane Projektstand präsentiert und anhand von Vorführungen veranschaulicht.
Derzeit ist mit den verbauten Funkmodulen über eine Entfernung von ungefähr 300 Metern zwischen Basisstation und Funkknoten ein zuverlässiger, funkbasierender Datentransfer möglich. Die Datenübertragung vom Anwender bis hin zum auslösenden Ventil und zurück durchläuft folgende Schritte:
  1. Der Anwender erteilt am Computer gewünschte Aufträge zum Schalten der Ventile und zum Auslesen der Bodenfeuchte- und Drucksensoren. Der Anwender kann sich bei den auszuführenden Bewässerungsereignissen entscheiden, ob die Bodenfeuchtewerte als Schwellenwerte mitberücksichtigt werden sollen oder nicht.
  2. Diese Aufträge werden über eine Internetverbindung auf einen Datenbankserver gesendet.
  3. Die Basisstationen fragen den Datenbankserver in regelmäßigen Abständen nach neuen Aufträgen ab. Parallel werden durch die Basisstationen Kontrollalgorithmen ausgeführt, z.B. zur Überprüfung auf Leckagen.
  4. Die Mess- und Schaltaufträge werden von den Basisstationen an die entsprechenden Knoten gefunkt.
  5. Die Funkknoten führen diese Aufträge aus.
  6. Sobald die Aufträge ausgeführt wurden, funkt der Knoten ein Protokoll an die entsprechende Basisstation, die wiederum dieses Protokoll über den Datenbankserver an den Anwendercomputer sendet.

Stromversorgung via Solarzelle

Solarfunkknoten am Standort WeihenstephanZoombild vorhanden

Zwei solarbetriebene Funkknoten auf Mästen

Während die bisher verwendeten Einweg-Batterien eine Lebensdauer von knapp einer Saison hatten, sind die Solarvarianten auf eine langfristige Verwendung ausgelegt.

Auf Flächen der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf werden seit 2012 verschiedene Varianten der Stromversorgung mit Solarzellen getestet.

Ziel dieser Untersuchungen ist es sowohl die Solarzelle als auch die Größe des Akkus weitgehend zu miniaturisieren. Die Varianten unterscheiden sich in der Leistungsfähigkeit der Solarzelle sowie der Kapazität des verwendeten Blei-Gel-Akkus.

Angesichts der Kosten für die speziellen Einweg-Batterien wird sich die Umrüstung auf Solar nach ca. 2-3 Jahren amortisiert haben.

Erkennung von Leckagen und Magnetventilschaltungen

Simulation einer Leckage auf der Vorversuchsfläche im KnoblauchslandZoombild vorhanden

Wasser spritzt aus einer simulierten Leckage aus einem Rohr.

Im Knoblauchsland wurden durch die Bayrische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau verschiedene Versuche zur Simulation von Rohrbrüchen und Leckagen durchgeführt. Deren Erkennung stellt eine wichtige Erneuerung im Vergleich zu bereits angebotenen Freilandbewässerungssystemen dar. Anhand von Messungen des Wasserdurchflusses sowie des Wasserdrucks wurde evaluiert, bis zu welcher Grenze ein Rohrbruch, zuverlässig erkennbar ist.
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. Des Weiteren kontrollieren die mit den Knoten verbundenen Drucksensoren und Wasserzähler das zuverlässige Öffnen und Schließen der Magnetventile.

Konzeption neuer Knotengeneration

Die erste Version der Funkknoten und Basisstationen als zentrale Hardwarebestandteile des Funknetzes wurden zu Beginn des Jahres 2012 entwickelt und im weiteren Jahresverlauf im Rahmen verschiedener Versuche getestet. Aufgrund der ersten Erfahrungen und zur Verbesserung der Praxistauglichkeit ergab sich die Notwendigkeit, die Hardware weiter anzupassen. In dem geplanten Redesign sollen unter anderem folgende Punkte berücksichtig werden:
  1. Erhöhung der Reichweite auf mindestens 1,5 km.
  2. Erfassung von Impuls-Signalen (Kontaktwasserzähler, Regenmenge, Windgeschwindigkeit) auf Knotenebene. Bisher war es nur möglich diese auf der Ebene der Basisstation zu überwachen. Mit dieser Anpassung wird die Kontrolle einzelner Bewässerungsstränge ermöglicht.
  3. Erweiterung der Ein- und Ausgänge von bisher 2 auf maximal je 4 Ausgänge für Ventile und 4 Eingänge für analoge Sensoren. Somit können von einem Hydranten über einen Knoten mehrere Bewässerungsstränge betrieben werden.
  4. Außerdem soll es zukünftig möglich sein, die Bewässerung über Magnetschalter direkt am Knoten von Hand auszulösen, z.B. zur Befeuchtung vor der Ernte.

Software

Zur Bedienung der Funkknoten und Basisstationen wurde in 2012 ein spezielles Programm entwickelt, welches im Laufe der Vorversuche kontinuierlich weiterentwickelt und mit immer mehr Funktionen versehen wurde.
Zusätzlich wurde ein Programm zur Überwachung des gesamten Funkverkehrs der bestehenden Pilotanlagen und dem Aufzeichnen der gemessenen Daten zu Bodenfeuchte und Wasserdruck entwickelt. Mit diesem ist es möglich, den gesamten Funkverkehr zu überwachen und Daten aufzuzeichnen. Außerdem können Kommandos direkt an Knoten gesendet werden, z.B. zur Funktionsüberprüfung. Empfangene Sensordaten werden grafisch aufbereitet dargestellt.

Alternative Systeme

Zusätzlich zum eigenen System wurden vergleichbare Produkte evaluiert. Auf einem Feld eines Gemüseproduzenten war seit Ende Juli eine Station zur Bewässerungssteuerung eines Drittanbieters installiert. Diese Station kann per Internet über das GSM-Netz kontrolliert werden. Die Anbindung der Bodenfeuchtesensoren erfolgt bei diesem System ausschließlich kabelgebunden. An der Zentralstation mit dem GSM Kommunikationsmodul und der Solarversorgung können bis zu 6 bistabile Magnetventile angeschlossen werden. Mögliche Bodenfeuchtesensoren können über eine Datenleitung über sog. Messknoten integriert werden. Dabei ist es möglich mehrere Messknoten zu einer Sensorkette zusammenzuschließen. Durch die Verkabelung ist die Station im Feldeinsatz in ihrer Feldabdeckung limitiert. Zusätzlich stellen die Kabel eine Behinderung bei der Feldbestellung dar.

Ausblick und weitere Vorgehensweise

Für das weitere Vorgehen sind in den Wintermonaten 2012/2013 Tests im Gewächshaus des Amtes für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Fürth vorgesehen. Die Ziele sind eine kontinuierliche Verbesserung der Softwarekomponenten, die Abstimmung verschiedener Bewässerungssystemtypen und eine zuverlässige Systemüberwachung zu erreichen.
Des Weiteren wird, basierend auf den Versuchserkenntnissen aus 2012, ein Hardware-Redesign durchgeführt. Dabei werden unter anderem die verwendeten Funkmodule in Knoten und Basisstationen durch neuere Modelle mit einer Reichweite von bis zu 1,5 km ausgetauscht. Zusätzlich zum bisherigen Standard-Knoten befinden sich derzeit noch zwei weitere unterschiedlich große Funkknotentypen mit unterschiedlicher Anzahl für Sensor- und Ventilanschlüssen in der Entwicklung.
Für eine einfache und übersichtliche Eingabe der Bewässerungsaufträge und Aufbereitung der gemessenen Bodenfeuchtewerte und anderer erhobener Parameter wird das zugehörige Anwenderprogramm vollständig überarbeitet. Ziel ist eine einfach zu bedienende, Web-basierte Oberfläche zur Eingabe von Aufträgen sowie die Anzeige der Protokolle als Tabelle oder Grafik. Diese Oberfläche soll sowohl über Computer als auch mit dem Smartphone über eine optimierte Webseite bedienbar sein.
Beginnend im März 2013 werden die Versuche auf Gemüseflächen der Partnerbetriebe im Knoblauchsland weitergeführt und auf insgesamt 3 unabhängige Funknetze bestehend aus 3 Basisstationen und 12 Funkknoten ausgedehnt. In Weihenstephan findet die weitere Software- und Hardwareentwicklung in enger Zusammenarbeit mit dem Hersteller statt.

Projektpartner

  • Hochschule Weihenstephan-Triesdorf
  • Bayerische Landesanstalt für Wein- und Gartenbau
  • Firma AgrarSystem GmbH
  • Wasserverband Knoblauchsland
  • Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Fürth
  • Erzeugerring Knoblauchsland
Das Projekt wird finanziert durch das Bayerische Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (StMELF).