Urbane Selbstversorgung

Projektvorstellung

Das Ziel des Projekts ist es die Entwicklung einer benutzerfreundlichen WebApp, die eine effiziente Verwaltung von automatischen Gewächshäusern oder der Geräte für das eigene Gemüsegarten ermöglichen soll. Damit könnten auch unerfahrene Anwender, die kein “Grünen Daumen” als Talent besitzen ebenfalls erfolgreich ein Garten betreiben, Denn die Web App übernimmt die wesentlichen und wichtigsten Aufgaben für Sie – von einer automatischen Bewässerung bis zu der Anzeige für den optimalen Zeitpunkt Ihrer Ernte. 

 

Die wichtigsten Merkmale:

Cloud basiert

Die Daten werden zentral auf eine Cloud geladen und sind somit von überall der Welt erreichbar

Echtzeit Datenbank

Alle Informationen werden in Echtzeit übertragen dank der implementierte Echtzeit - Datenbank - Technologie

Geräteübergreifend

Dank der Web basierte Applikation benötigt man keine spezifische Plattform. Jedes Gerät das ein Browser hat, eignet sich dafür.

Funktionen

Temperatur und Feuchtigkeitskontrolle:

Regulierung mit Sensoren, Ventilatoren und Thermostaten für optimale Pflanzenbedingungen.

Bewässerungssystem:

Automatisches Bewässerungssystem mit Zeitplänen oder Sensoren zur Anpassung an den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens.

Beleuchtung

Energieeffiziente LED-Beleuchtung, gesteuert durch Zeitpläne oder Sensoren.

Belüftung:

Automatische Systeme wie Klappen oder Ventilatoren für eine bessere Luftzirkulation.

Steuerungssystem:

Integrierte Überwachung und Anpassung der Komponenten über eine benutzerfreundliche Oberfläche.

Überwachung und Alarme:

Sensoren überwachen wichtige Parameter wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Auslösen von Alarmen bei Abweichungen

Die Idee

Die Idee Findung zu diesem Projekt kam im Urlaub 2022 in Bulgarien. Vielekennen das! Man ist im Urlaub und stellt immer wieder fest, dass das Gemüse im Ausland einfach besseren Geschmack hat als das Gemüse in Deutschland. Der Gedanke stand im Raum, wie kann ich es bewerkstelligen dieses leckere Gemüse in der Heimat zu konsumieren? Recherchen ergaben, dass wahre vom Ei ist nur der Eigenanbau (Überdüngung, Saureren Regen, usw). Ein weiteres Problem was auf die Gesellschaft zu kommt sind die stetig wachsende Bevölkerungsanzahl. In naher Zukunft wird es an Ackerland fehlen, um alle zu versorgen. Alternativen zum traditionellen Anbau muss her. Ein viel versprechendes Konzept ist der vertikale Anbau! In dieser Präsentation stelle ich zwei Modelle für den vertikalen Eigenanbau vor, mit der berücksichtig auf erneuerbarer Energie und voller Automation!

  • Kommune –mehrstöckigesGewächshaus–ZellenVermietung
  • Zuhause-Do ityourself

Fakten & Recherche

Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion ist erforderlich, um den Nahrungsmittelbedarf im Jahr 2050 zu decken.
0 %
Weltbevölkerung bis 2050
0 Mrd.
Die Zunahme neuer landwirtschaftlicher Flächen, die erforderlich ist, um den Nahrungsmittelbedarf im Jahr 2050 bei Anwendung traditioneller landwirtschaftlicher Methoden zu decken.
0 Mrd. ha

Vertikale Landwirtschaft:
Ein Schritt in Richtung der grünen Städtde der Zukunft

Die Agrarindustrie steht vor einer Vielzahl von Herausforderungen und versucht, mit den sich ständig verändernden Märkten und natürlich dem Klimawandel Schritt zu halten. Um die Sache noch schwieriger zu machen, wird geschätzt, dass im Jahr 2050 fast 80 % der Weltbevölkerung in städtischen Gebieten leben werden. Aufgrund dieser Urbanisierung und der industriellen Entwicklung nimmt die Zahl der Ackerflächen –Flächen, die für den Anbau von Nutzpflanzen genutzt werden –zu –nimmt von Tag zu Tag ab.

Wie in unserem Smart-Farming-Leitfaden erläutert, wird die Weltbevölkerung voraussichtlich von 7,8 Milliarden im Jahr 2021 auf 9,7 Milliarden im Jahr 2050 wachsen –was bedeutet, dass die landwirtschaftliche Produktion bis zu diesem Zeitpunkt um 70 % gestiegen sein muss. Wenn traditionelle landwirtschaftliche Praktiken so weitergeführt werden, wie sie heute praktiziert werden, werden schätzungsweise 1 Milliarde Hektar neues Land benötigt, um dieses Ziel zu erreichen –das sind etwa 20 % mehr als Brasilien. Derzeit sind bereits mehr als 80 % der weltweiten Fläche, die für den Anbau von Nutzpflanzen geeignet ist, genutzt, und 2015 berichteten Wissenschaftler, dass seit 1975 ein Drittel der weltweiten Ackerfläche verloren gegangen sei. 

Der Bedarf an einer alternativen Lösung für unsere Lebensmittelversorgung ist da!
Könnte diese Lösung vertikale Landwirtschaft sein?

Was ist eine Vertikale Landwirtschaft?

Wie der Name schon sagt, bezeichnet VerticalFarming die Praxis der Nahrungsmittelproduktion auf vertikalen, mehrstufigen Flächen in einer geschlossenen und kontrollierten Umgebung. Bei der vertikalen Landwirtschaft werden Gemüse und andere Lebensmittel in vertikal gestapelten Schichten produziert, die üblicherweise in Strukturen wie Wolkenkratzer, umfunktionierte Lagerhallen oder Schiffscontainer integriert werden.

WIE FUNKTIONIERT ES?

Vertikale Landwirtschaft kann durch den Einsatz verschiedener Technologien betrieben werden. Abhängig von der Art der verwendeten Technologien können die Vorgehensweisen unterschiedlich sein

FÜR EIN AUTOMATISCHES GEWÄCHSHAUS BENÖTIGT MAN …

…verschiedene Komponenten und Ausstattungen, um den Anbau von Pflanzen zu optimieren und zu automatisieren. Hier sind einige wichtige Dinge, die in einem automatischen Gewächshaus enthalten sein können:

Temperatur und Feuchtigkeitskontrolle:

Ein automatisches Gewächshaus sollte über ein System verfügen, das die Temperatur und Luftfeuchtigkeit reguliert. Dies kann durch Ventilatoren, Klimaanlagen, Heizungen und Befeuchtungssysteme erreicht werden. Automatische Sensoren und Thermostate helfen dabei, die optimalen Bedingungen für das Pflanzenwachstum aufrechtzuerhalten.

Bewässerungssystem:

Ein automatisches Bewässerungssystem ist essentiell, um den Pflanzen die richtige Menge an Wasser zuzuführen. Es kann Tropfbewässerung, Sprinkler oder auch ein Nebelsystem umfassen. Automatische Bewässerungssysteme basieren oft auf Zeitplänen oder auf Sensoren, die den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens messen und die Bewässerung entsprechend anpassen.

Beleuchtung

Um das Pflanzenwachstum zu unterstützen, benötigt ein automatisches Gewächshaus oft künstliche Beleuchtung. LED-Leuchten sind eine beliebte Wahl, da sie energieeffizient sind und das Spektrum des Lichts an die Bedürfnisse der Pflanzen anpassen können. Zeitsteuerungen und Sensoren können die Beleuchtung entsprechend dem Tageslichtzyklus oder den spezifischen Anforderungen derPflanzen steuern.

Belüftung:

Die Belüftung ist wichtig, um die Luftzirkulation im Gewächshaus zu verbessern und ein gesundes Wachstum der Pflanzen zu fördern. Automatische Lüftungssysteme, wie z.B. Klappen oder Ventilatoren, können die Luftströmung regulieren und den Austausch von Innen-und Außenluft ermöglichen. Dies hilft auch, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus auszugleichen.

Steuerungssystem:

Ein automatisches Gewächshaus erfordert ein Steuerungssystem, das die verschiedenen Komponenten integriert und überwacht. Dieses System kann Sensoren, Zeitpläne, Automatisierungstechnologie und eine Benutzeroberfläche umfassen, um Einstellungen anzupassen und Daten zu überwachen.

Überwachung und Alarme:

Um potenzielle Probleme zu erkennen, können Sensoren im Gewächshaus installiert werden, um wichtige Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Gehalt oder Bodenfeuchtigkeit zu überwachen. Bei Abweichungen von den optimalen Bedingungen können automatische Alarme ausgelöst werden, um den Gärtner zu benachrichtigen und Maßnahmen zu ergreifen.

D.I.Y. VOLLAUTOMATISIERTE GEWÄCHSHAUS

Vorbereitungen

Nachdem wir das Gewächshaus haben, müssen wir es vorbereiten.Je nach Größe des Gewächshauses sollten Sie skizzieren, wo was hin soll. Dabei überlegen Sie:

  • Die Sinnvolle Platzierung von Regale, Pflanztische und Bodenbeeten
  • Wo sollen die Laufwege sein

Wenn Sie alles so weitorganisiert haben, bereiten Sie das Gewächshaus für die Arbeiten vor. ⇒Wichtig ist, dass Sie im oder am Gewächshaus alle notwendigen Anschlüsse haben!

Beachten Sie, dass vor allem alle elektrischen Anschlüsse und Verbindungen vor Feuchtigkeit und hohen Temperaturen geschützt werden müssen.

  • Überlegen Sie sich gut, wo Sie den Raspberry Pi platzieren. Der Raspberry Pi und alle anderen elektrischen Komponenten müssenvor der Feuchtigkeit und den Temperaturen geschützt sein.
  • Greifen Sie dazu auf ein gesondertes Gehäuse zurück und setzen Sie neben passiven Kühlkörpern auch aktive Lüfter am Raspberry-Pi bzw. am Gehäuse ein. Verdecken Sie die Lüfter nicht.
  • Am besten ist ein trockenes und feuchtigkeitsgeschütztes Nebengebäude.
  • Achten Sie dabei auf eventuelle Kabelwege.
  • Kabel sollten Sie grundsätzlich in einem geschützten Kabelkanal oder Kabelrohren verlegen.
  • Wenn Sie an elektrischen Systemen arbeiten, denken Sie bitte immer an die 5 Sicherheitsregeln der Elektrotechnik.
  • Bei der Installation von Leitungen und Elektrik arbeiten Sie bitte immer mit einem Elektriker zusammen, der die Installation auch abnehmen kann

Projektumsetzung

Überblick über mein IOT System

Für mein IOT-System habe ich mich entschieden, Firebasevon Google als Vermittler zu nutzen, um meine eigene kostenlose Cloud-Datenbank zu erstellen. Anschließend habe ich mit dem MIT App Inventor eine Smartphone-Anwendung entwickelt, die mit der Firebase-Datenbank und dem Raspberry Pi kompatibel ist. Mithilfe einer kostenlosen Python-Bibliothek kann die App auch mit der Datenbank kommunizieren.

Mein IOT-System funktioniert auf folgende Weise. Ich verwende einen Raspberry Pi, um nützliche Informationen über meinen Garten wie Helligkeit, Luftfeuchtigkeit und Bodenfeuchtigkeit von verschiedenen Sensoren zu erfassen und an eine Cloud-Datenbank zu senden. Sobald die Informationen in der Cloud gespeichert sind, kann ich sie von überall aus über eine von mir entwickelte Smartphone-App abrufen. Der Prozess funktioniert auch umgekehrt, das bedeutet, ich kann Anweisungen wie den Zustand der Wasserpumpe an den Garten zurückschicken, und dieser führt dann die entsprechenden Befehle aus.

Hier sind einige der wichtigsten Merkmale meines Gartens:

Benötigte Materialien

Die Gesamtkosten für dieses Projekt belaufen sich auf etwa 60 Euro.

Für den Bau meines IOT-Pflanzgefäßes benötige ich Materialien, die leicht in örtlichen Geschäften oder online zu finden sind. Hier ist eine Liste aller benötigten Teile:

Verkabelung der Elektronik

Nachfolgend ist eine Tabelle mit den verschiedenen Modulen und Sensoren aufgeführt, sowie deren Anschlüsse auf dem Grove Pi + Shield.

  1. Temperatur-und Luftfeuchtigkeitssensor ==> Anschluss D4
  2. Relaismodul ==> Anschluss D3
  3. Feuchtigkeitssensor ==> Anschluss A1
  4. Lichtsensor ==> Anschluss A0

Der erste Schritt besteht darin, eine Datenbank für das System zu erstellen. Klicken Sie auf den folgenden Link (Google Firebase), der Sie zur Firebase-Website führt (Sie müssen sich mit Ihrem Google-Konto anmelden). Klicken Sie auf die Schaltfläche “Loslegen”, um zur Firebase-Konsole zu gelangen. Erstellen Sie dann ein neues Projekt, indem Sie auf die Schaltfläche “Projekt hinzufügen” klicken. Geben Sie die erforderlichen Informationen (Name, Details usw.) ein und schließen Sie das Projekt ab, indem Sie auf “Projekt erstellen” klicken.

Ich benötige nur die Datenbankfunktionen von Firebase, also wähle ich “Datenbank” im linken Menü aus. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche “Datenbank erstellen”, wählen Sie die Option “Testmodus” und klicken Sie auf “Aktivieren”. Stellen Sie als nächstes sicher, dass die Datenbank als “Echtzeit-Datenbank” anstelle von “Cloud Firestore” festgelegt ist, indem Sie oben im Dropdown-Menü darauf klicken. Gehen Sie zur Registerkarte “Regeln” und ändern Sie beide “false”-Werte in “true”. Klicken Sie schließlich auf die Registerkarte “Daten” und kopieren Sie die Datenbank-URL, die später benötigt wird.

Zum Schluss müssen Sie auf das Zahnradsymbol neben der Projektübersicht klicken, dann auf “Projekteinstellungen” gehen, zur Registerkarte “Dienstkonten” wechseln und schließlich auf “Datenbankgeheimnisse” klicken, um den Sicherheitscode Ihrer Datenbank zu notieren. Wenn Sie diese Schritte abgeschlossen haben, haben Sie erfolgreich Ihre Cloud-Datenbank erstellt, auf die Sie von Ihrem Smartphone und vom Raspberry Pi aus zugreifen können.

Erstellen der Datenbank

Einrichten der App

Der nächste Teil des IOT-Systems ist die Smartphone-Anwendung. Ich habe mich entschieden, den MIT App Inventor zu verwenden, um meine eigene maßgeschneiderte App zu erstellen. Um meine erstellte App zu verwenden, öffne ich zunächst den folgenden Link (MIT App Inventor), der mich zur Website führt. Ich klicke dann oben auf dem Bildschirm auf “Apps erstellen” und melde mich mit meinem Google-Konto an.

Ich lade die .aia-Datei herunter, die unten verlinkt ist. In der Registerkarte “Projekte” klicke ich auf “Projekt (.aia) von meinem Computer importieren”, wähle ich die heruntergeladene Datei aus und klicke auf “OK”. Im Komponentenfenster scrolle ich ganz nach unten, bis ich “FirebaseDB1” sehe. Ich klicke darauf und ändere “FirebaseToken” und “FirebaseURL” in die Werte, die ich zuvor notiert habe.

Nachdem ich diese Schritte abgeschlossen habe, kann ich die App herunterladen und installieren. Ich kann die App direkt auf mein Telefon herunterladen, indem ich auf die Registerkarte “Erstellen” gehe und auf “App (QR-Code für .apkbereitstellen)” klicke. Anschließend scanne ich den QR-Code mit meinem Smartphone oder klicke auf “App (.apkauf meinem Computer speichern)”, um die APK-Datei auf meinen Computer herunterzuladen. Von dort aus verschiebe ich sie auf mein Smartphone und installiere sie.

Der Raspberry Pi muss mit der neuesten Version von Raspbian geflashtwerden. Falls Sie, wie ich, das Grove Pi+ Shield verwenden möchten, flashenSie Ihren Raspberry Pi stattdessen mit der neuesten Version von “Raspbian forRobots”. Sobald der Raspberry Pi geflashtist, muss eine zusätzliche Python-Bibliothek installiert werden. Öffnen Sie das Terminal und geben Sie die folgenden Befehle ein:

sudopipinstallrequests==1.1.0

sudopipinstallpython-firebase

Laden Sie anschließend die unten angehängte Datei herunter und speichern Sie sie in einem Verzeichnis auf Ihrem Raspberry Pi. Öffnen Sie die Datei und scrollen Sie zur Zeile 32. Ersetzen Sie in dieser Zeile den Teil “pasteyourURL here” durch die URL Ihrer Datenbank, die Sie zuvor notiert haben. Stellen Sie sicher, dass Sie die URL zwischen den ‘ ‘s einfügen. Wenn Sie damit fertig sind, öffnen Sie das Terminal und führen Sie das Python-Skript mit dem Befehl “python” aus.

Programmierung des Raspberry Pi

Verwendung der App

Die Benutzeroberfläche meiner App ist ziemlich selbsterklärend. In den oberen vier Feldern werden die Echtzeitwerte für Helligkeit, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Feuchtigkeitsgehalt des Bodens in Prozent angezeigt. Diese Werte können aktualisiert werden, indem ich auf die Schaltfläche “Werte abrufen” klicke, die den Raspberry Pi anweist, die Cloud-Datenbank zu aktualisieren, gefolgt von der Schaltfläche “Aktualisieren”, die den Bildschirm aktualisiert, sobald die Datenbank aktualisiert wurde.

Der untere Teil des Bildschirms ist für das Tropfbewässerungssystem vorgesehen. Die Schaltfläche “Ein” schaltet die Wasserpumpe ein, während die Schaltfläche “Aus” sie ausschaltet. Die Schaltfläche “Auto” berechnet den genauen täglichen Wasserbedarf basierend auf den verschiedenen Sensorwerten und bewässert die Pflanzen zweimal täglich um 8 Uhr morgens und 16 Uhr abends.

Das Ergebnis: