Smart Farming

Projekt: Automatische Gießkanne

In diesem Modul werden die Teilnehmer:innen schrittweise an die Konzepte Smart Home & Smart Farming herangeführt. Sie lernen etwas über die Vorteile des vernetzten Wohnens, reflektieren dabei auch Vorbehalte gegenüber intelligenten Technologien, arbeiten Chancen heraus und übertragen diese auf einen ressourcenschonenden Einsatz in der Landwirtschaft (Smart Farming).

Fertiges Produkt/Projektergebnis:

Aufbau eines automatisierten Pflanzenbewässerungssystems mit Feuchtigkeitsmesser und Wasserpumpe mit Hilfe eines Calliope Mini.

Lernziele:

  • Die Teilnehmer:innen kennen die Definition des Begriffes Smart Home, können diesen abgrenzen und Alltagsbezüge herstellen.
  • Die Teilnehmer:innen verstehen einfache IoT Anwendungen und können diese im Alltag nutzen.
  • Die Teilnehmer:innen kennen die grundlegende Funktionsweise des Mikrocontrollers Calliope und können ihn programmieren.
  • Medien- und Digitalkompetenz der Teilnehmer:innen werden gestärkt.

Dauer:

  • 1 Projekttag

    • Wir empfehlen für den Einstieg in die Projektarbeit rund um IoT an einem ersten Projekttag unser Modul Basics mit den Teilnehmer:innen durchzuführen und zur kreativen Vertiefung können Sie an einem dritten Projekttag zum Anschluss an dieses Projekt unser Modul Design Lab anwenden.
    • Sie können alle Module, je nach Zeitbudget, aber auch einzeln erarbeiten

Kernzielgruppe:

  • 14-16 Jahre

Material:

  • Durstige Pflanze
  • Feuchtigkeitssensor – in diesem Fall zwei Nägel (ca. 5 cm lang) mit Krokodilklemmen
  • Einen Mikrocontroller: Calliope
  • Einen Computer mit Internetverbindung, um das Programm für den Mikrocontroller zu schreiben und ein Verbindungskabel (USB)
  • Wasser in einem Gefäß oder Gießkanne
  • Wasserschlauch und eine kleine Pumpe
  • Einen 9V-Batterieblock mit Clip sowie Kabel als Verbindung zum Mikrocontroller
  • Seitenschneider zum Durchtrennen der Kabel
  • ein paar Zahnstocher (oder einen Lötkolben)
  • Flipchart (für den Transfer)

Einführung:

  • Smart Home bezeichnet privat genutzte Heime, wie zum Beispiel eine Mietwohnung oder ein Eigenheim, in dem zahlreiche Geräte und Multimedia-Tools miteinander vernetzt sind. Von Heizung, Beleuchtung, Belüftung bis hin zur Waschmaschine und Kommunikationseinrichtungen – alle Geräte sind miteinander verbunden, interagieren und kommunizieren. Ziel ist es, die Bedürfnisse der Bewohner:innen zu erkennen und ihnen automatisiert zu entsprechen. Zudem sollen Energieeffizienz, Komfort und Sicherheit erhöht werden. (Streese et al., S. 8) Die Begriffe Hausautomatisierung oder Smart Living werden synonym verwendet.
  • Vernetzte Geräte und Künstliche Intelligenz (besser den Begriff KI-gestützte Systeme verwenden) können auch in der Landwirtschaft zur Anwendung kommen (Smart Farming) und nachhaltig den Umwelt- und Klimaschutz vorantreiben.

Ablauf in 5 Schritten

Aufbau der Materialien & Stromkreislauf herstellen

a) Versuchsaufbau: Sensor | Calliope Mini | Aktor (auch Effektor)

Im Einzelnen:

  • (Je nach Möglichkeiten) mindestens 1x Calliope Mini mit externem Batteriefach
  • Kabel als Verbindung zum Mikrocontroller (Hinweis: ein externes Batteriefach (benötigt werden 2 AAA-Batterien) und ein USB-Kabel werden standardmäßig mit dem Calliope mitgeliefert.)
  • PC mit Internetzugang, USB-Kabel, das den Mikrocontroller mit dem PC verbindet
  • durstige Pflanze
  • Feuchtigkeitssensor – in diesem Fall zwei Nägel (ca. 5 cm lang) mit Krokodilklemmen
  • Wasser in einem Gefäß oder Gießkanne
  • Wasserschlauch
  • eine kleine Pumpe
  • einen 9V-Batterieblock mit Clip
  • Seitenschneider
  • ein paar Zahnstocher

b) Prüfung des Stromkreislaufes

Wie kann Trockenheit mithilfe von Strommessung überprüft werden? Wasser leitet elektrischen Strom besser als trockene Pflanzenerde. Man kann also messen, wie feucht oder trocken die Erde ist, indem man einen Stromkreislauf durch die Erde leitet. Dies kann mit Hilfe eines Calliope Mini, der an eine Batterie angeschlossen wird, gemacht werden. Der Calliope wird zudem mit Krokodilklemmen mit 2 Nägeln verbunden, die in die Pflanzenerde gesteckt werden (mind. 10 cm Abstand).

Vorgehensweise:

1. Schließen Sie den Calliope, wie auf dem Bild zu sehen ist, an.

a) Zunächst müssen Sie prüfen, ob der Stromkreis geschlossen ist. Dazu gehen Sie wie folgt vor:

b) Klemmen Sie das eine Ende der Krokodilklemmen an die Nägel und stecken Sie diese dann mit mindestens 10 cm Abstand in die trockene Erde der Pflanze.

c) An das andere Ende der Krokodilklemmen klemmen Sie den Calliope. Eine Klemme Pin 0 und die andere Klemme den Pin –.

d) Verbinden Sie den Calliope zusätzlich mit dem externen Batteriefach. Dieses wird mitgeliefert und benötigt 2 AAA Batterien.

2. Öffnen Sie nun das Internetprogram Open Roberta: http:/lab.open-roberta.org

Zu Beginn fragt Sie das Programm, welches Gerät Sie programmieren möchten. Wählen Sie hier den Calliope Mini aus. Die Programmiersprache, die Sie verwenden heißt NEPO. NEPO ist in einfachen Blöcken aufgebaut, für die man keine komplizierte Programmiersprache kennen muss. Es stehen verschiedene Kategorien und Blöcke zur Verfügung, die wie bei einem Puzzle miteinander verbunden werden können. So werden dem Programm bestimmte Befehle erteilt, die der Mikrocontroller dann ausführt.

3. Verbinden Sie den Calliope Mini über das USB-Kabel mit dem PC. Der Calliope erscheint als Speicherlaufwerk mit dem Namen MINI.

4. Nun müssen Sie überprüfen, ob der Stromkreislauf geschlossen ist. Dazu programmieren Sie folgende Befehle:

a) Zunächst benötigen Sie den roten Start Block, dieser ist bereits voreingestellt zu sehen.

b) Sie wollen überprüfen, ob zu jedem Zeitpunkt Strom fließt. Dazu brauchen Sie die Schleife Wiederhole unendlich oft mache

c) Als nächstes benötigen Sie eine wenn/dann Funktion: wenn mache sonst

d) Mit dem wenn der wenn/dann Funktion verknüpfen Sie den Block Pin 0 gedrückt und wählen hier den Pin 0, da dieser mit einer der Krokodilklemmen verbunden ist.

e) Nun soll der Calliope, wenn Strom fließt über die 5×5 LED auf der Oberseite ein Symbol anzeigen. Wählen Sie dazu den Block zeige Bild. Der lilafarbene Block mit dem Herz kann belassen werden.

f) Wenn der Pin 0 allerdings keinen Strom misst, dann soll ein Kreuz X angezeigt werden. Also fügen Sie einen weiteren zeige Bild Block hinzu und wählen Sie über den Pfeil auf dem lilafarbenen Block ein X aus.

Dies ist der erste Code, den Sie anwenden. Um diesen auf den Calliope zu übertragen, wählen Sie unten rechts auf dem Computerbildschirm die Pfeiltaste aus. Es öffnet sich ein Fenster. Hier müssen Sie das Programm auf den Calliope laden. Dazu gehen Sie mit rechts Klick auf NEPOprog und wählen „Verknüpfte Datei laden“ (Windows) oder „Link speichern unter…“ (Mac). Es öffnet sich ein weiteres Fenster. Wählen Sie den Calliope MINI aus und klicken Sie auf sichern.

(Hinweis: Auf dem Calliope Mini kann immer nur ein Code eingespeichert werden. Sobald ein neuer Code aufgespielt wird, wird der vorhergehende überschrieben.)

Der Calliope blinkt nun kurz. Sobald das Blinken aufhört, müssen Sie den Reset-Kopf drücken oder kurz das USB-Kabel des Calliope vom Computer trennen und neu verbinden, dann ist das Programm auf dem Mikrocontroller gespeichert. Nun sollte im besten Fall ein rotes Herz aufleuchten. Ist dies nicht der Fall, müssen Sie den Stromkreis noch einmal überprüfen (sitzen die Klemmen richtig, ist die Batterie eingeschaltet, sind die Nägel tief genug in der Erde, ist das Programm auf Open Roberta richtig geschrieben [vgl. Punkte 1.-5.]). Erst wenn ein Herz angezeigt wird, können Sie fortfahren.

Feuchtigkeitsmessung

Nun muss die Feuchtigkeit in der Pflanzenerde gemessen werden. Da Wasser besser leitet als Erde, leitet feuchte Erde auch viel besser als Trockene. Um zu überprüfen, wie feucht die Erde ist, müssen Sie den Calliope bzw. die Sensoren erst anders anschließen, damit Sie diese Werte messen und ausgeben können. Dazu gehen Sie wie folgt vor:

a) Klemmen Sie eine Krokodilklemme an den Pin 1 und die andere den Pin +.

b) Den Code im Programm Open Roberta schreiben Sie nun wie folgt:

c) Entfernen Sie zunächst alle Blöcke außer den Start Block und die Schleife wiederhole unendlich oft.

d) Wählen Sie nun unter Aktion den Block zeige Text Hallo und fügen diesen an. Den bereits verknüpften Block Hallo können Sie löschen, da Sie einen Block mit einem analogen Pin benötigen.

e) Um diesen analogen Pin auswählen zu können müssen Sie im Open Roberta Menü das Programm ROBOTERKONFIGURATION öffnen:

Es öffnet sich ein weiteres Fenster. Hier wählen Sie den Pin und den Sensor aus.  Wählen Sie in der linken Spalte unter Sensoren den Block Sensor analog S pin P1(Da die Krokodilklemme an Pin 1 liegt, können Sie die Voreinstellung hier belassen.) und belegen Sie damit Pin 1.

Die Belegung der Pins finden Sie unter Roboterkonfiguration.

f) Wechseln sie von ROBOTERKONFIGURATION wieder zu Programm NEPOprog und wählen Sie hier unter Sensoren (im Expertenmodus Stern 2) den Block gib analogen Wert Pin S. 

Dieser Code ist jetzt fertig geschrieben und Sie können ihn wieder auf den Calliope übertragen. Der Calliope wird nun einen Wert zwischen 0 und 1024 ausspielen (Anzeige auf den LEDs). Die angezeigte Zahl entspricht dem Spannungspegel und gibt an, zu wieviel Prozent der Stromkreis geschlossen ist. Wird der Maximalwert von 1024 angezeigt, bedeutet das, dass der Stromkreis zu 100 Prozent geschlossen ist. Zur Orientierung: ein Wert von 500 steht für eher mäßig feucht, ab einem Wert von 900 ist die Erde sehr feucht.

Jetzt sollten Sie entscheiden, ab welchem Wert der Calliope anzeigen soll, ob die Pflanze glücklich ist oder durstig – Sie müssen also einen Grenzwert festlegen, der eingehalten bzw. über- oder unterschritten wird. Wir empfehlen den Wert 500. Um anzuzeigen, ob die Pflanze durstig ist oder nicht, wählen Sie einen traurigen Smiley und ein Herz-Symbol.

Wasserbedarf anzeigen

1.  In diesem Schritt soll der Calliope anzeigen, ob der Grenzwert von 500 unterschritten wurde und die Pflanze gegossen werden muss. Für „Bitte gießen“ wählen Sie ab besten einen traurigen Smiley. Für „Mir geht es prächtig“ einen Smiley mit Herzchen. Schreiben Sie dazu folgenden Code:

a) Entfernen Sie zunächst alle Blöcke bis auf Start und den Block Wiederhole unendlich oft mache. Diese beiden bleiben bestehen, da der Calliope dauerhaft anzeigen soll, wie feucht die Erde ist.

b) Fügen Sie nun eine + wenn mache (im Expertenmodus Quadrat 1 ) Funktion ein, die in einem nächsten Schritt anzeigen soll, ober der Wert 500 unterschritten wird.

c) Der Calliope soll in dem Fall einen traurigen Smiley anzeigen. Dafür brauchen Sie aus dem Bereich Logik die Funktion der Vergleichsoperatoren.

d) Fügen Sie den Vergleichsoperatoren mit einem = Zeichen  an den +wenn mache Block und fügen Sie den gib analogen Wert pin S Block ein. Nun müssen Sie noch das kleiner als Zeichen auswählen und den Wert 500 einfügen. Dazu wählen Sie bei Mathematik den Wert-Block und tragen den Wert 500 ein.

 

e) Nun fehlt noch der weinende Smiley. Wählen Sie aus Aktionen den zeige Bild Block aus und fügen Sie diesen an und wählen Sie den traurigen Smiley aus.

f) Fügen Sie nun aus Kontrolle und Entscheidungen einen weiteren + wenn mache Block an, um anzeigen zu lassen, dass der Wert 500 erreicht bzw. überschritten wird, die Pflanze also nicht gegossen werden muss.

g) Auch hier benötigen Sie wieder aus dem Bereich Logik einen Vergleichsoperatoren. In diesen setzten Sie wieder den gib analogen Wert pin S Block ein. Nun müssen Sie noch das größer/gleich auswählen und den Wert 500 einfügen. Dazu wählen Sie wieder bei Mathematik den Wert Block und tragen den Wert 500 ein.

h) Der Code ist jetzt fertig geschrieben und kann wieder auf den Calliope übertragen werden.

Automatisches Gießen programmieren

Die Pflanze soll automatisch gegossen werden, wenn sie zu wenig Wasser hat. Dafür benötigen Sie eine Pumpe. Die Motorensteuerung ist beim Calliope – im Gegensatz zu anderen Mikrocontrollern – bereits mit eingebaut. Über die fünf (oder sechs) Ports je nach Version (wir haben die Version 1.3) unten in der Mitte können zwei Motoren (A+B) und eine zusätzliche externe Stromversorgung für die Motoren angeschlossen werden.

Nun folgt der letzte Schritt.

1. Wir stellen Ihnen hier die einfache Variante ohne Löten vor. Dazu benötigen Sie neben den beiden Kabeln (grün und gelb) der Pumpe zusätzlich die Zahnstocher. Isolieren Sie zunächst ca. 1,5 cm von den Kabelenden ab, damit sie die Kabel anschließend mit den Ports verbinden können. Stecken Sie das Ende des grünen Kabels mit dem Zahnstocher in den 3. Port von links (s. Abb.), das ist die Motorensteuerung für den Motor A. Das gelbe Kabel, hier die Erdung des Motors, fixieren Sie mit dem Zahnstocher in dem Port Nr. 1 von links. (s. Abb.)

Nun benötigen Sie noch eine externe Stromquelle für den Pumpenbetrieb. Dazu nutzen Sie einen 9V-Batterieblock mit Kabelclip. 

Das rote Kabel ist der Anschluss für den Pluspol und kommt in den Port Nr. 5 von links. Das schwarze Kabel (Minuspol) kommt in Port Nr. 6.

Die Version mit Zahnstochern ist eine einfache aber eher provisorische Variante. Wir haben uns dazu entschieden, diese Version zu beschreiben, da sie ohne Löten funktioniert und somit niederschwelliger ist. Wenn Sie die Möglichkeit haben, zu löten, könnten Sie die Ports mit einer Stiftleiste fest verlöten und die Kabel dann mit speziellen Clips hier fest anbringen. (s. Abb.) Die Zahnstocherversion reicht aber zur Veranschaulichung und zum Ausprobieren vollkommen aus.

Version mit fester, gelöteter Stiftleiste

Variante Zahnstocher

Alternativ: Variante Löten

2. Jetzt müssen Sie noch den CODE schreiben:

a) Zunächst müssen Sie den Port, an den Sie den Motor (Port 3/ grünes Kabel der Pumpe) angeschlossen haben, belegen. Wählen Sie dazu unter ROBOTERKONFIGURATION Aktion und hier den Block Motor M pin Port A.

b) Jetzt müssen Sie den momentan bestehenden Code erweitern, um den Motor ansteuern zu können. Gehen Sie im Expertenmenü Stern 2 auf Aktion/Bewegen und wählen Sie hier Motor M an Tempo % (Voreinstellung 30). Als Tempoeinstellung empfehlen wir einen Wert von 50 %. (Manchmal ist dieser Wert zu hoch für die Pumpe, Sie können in diesem Fall den Wert auch bei 40 % einstellen – testen Sie einfach, was bei Ihnen am besten funktioniert, das kann je nach Pumpe variieren.)

c) Nun müssen Sie noch einstellen, dass die Pumpe wieder aufhört, Wasser zu pumpen, wenn der Feuchtigkeitswert von 500 erreicht ist. Wählen Sie dazu wieder im Expertenmenü 2 Aktion und dieses Mal den Block Stoppe Motor M auslaufen. Auslaufen bedeutet, dass der Motor langsam stoppt und nicht abrupt anhält wie bei es bei „bremsen“ der Fall wäre.

d) Der Code ist nun fertig geschrieben und muss jetzt auf den Calliope übertragen werden.

Machen Sie am Besten zuerst einen Trockendurchlauf. Wenn es funktioniert und die Pumpe anspringt, können Sie die Schläuche und die Wasserquelle anschließen. Wichtig ist, die Schläuche vorher vollständig mit Wasser zu füllen, da die Pumpe es sonst nicht schafft, die Luft selbst aus den Schläuchen zu pumpen. Das Befüllen können Sie zum Beispiel mit einem Trichter machen. Sind die Schläuche vollständig gefüllt, können Sie die Batterie des Calliope anschalten und los geht’s. Die Pflanze wird jetzt gegossen, bis der Wert von 500 erreicht ist, danach stoppt die Pumpe automatisch.

Noch ein grundsätzlicher Tipp zum Schluss: Sollten Sie einen Programmier-Block nicht gleich finden, müssen Sie eventuell in den anderen Expertenmodus wechseln. Sollte etwas nicht funktionieren, heißt es Ruhe bewahren und jeden einzelnen Schritt noch einmal zu überprüfen.

Voilá, Ihre automatische Gießkanne!

 

Transfer

Ist die automatische Gießkanne noch eine kleine IoT-Anwendung für ein “smartes” Zuhause, kann hier ein Transfer zu smarter Landwirtschaft stattfinden. Zunächst können Sie gemeinsam mit der Zielgruppe im Plenum oder in Gruppenarbeit die Teilnehmer:innen Ideen sammeln lassen, wie man smarte Geräte in der Landwirtschaft nutzen könnte.

Beispiele:

  • Landwirtschaftliche Nutzung eines Bewässerungssystems
  • Umweltschutzaspekte erarbeiten
  • Z. B.: es wird nur dort gewässert, wo auch Trockenheit herrscht und nicht großflächig (= Intelligente Bewässerung: Methode, um den Wasserverbrauch effizienter gestalten, ihn zu reduzieren und somit Ressourcen zu schonen.
  • Durch smarte Technologie kann Bodenbeschaffenheit gemessen und passgenau gedüngt etc. werden


Nachdem alle Vorschläge gesammelt und sortiert wurden (z. B. auf einer Flipchart), kann abschließend folgendes Tutorial zu den Aspekten: Precision Farming; Ertragsüberwachung; Intelligente Bewässerung; Farm Management Systems gemeinsam angesehen und diskutiert werden.

Wir empfehlen Ihnen zum Anschluss an dieses Projekt unser Modul Design Lab.

Literaturverzeichnis:

Strese, H., Seidel, U., Knape, T., & Botthof, A. (2010). Smart home in deutschland. Institut für Innovation und Technik (iit)46.

Autorin:

Dana Tretter

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