Intelligente Bewässerungssysteme

Transkript

1 Intelligente Bewässerungssysteme Dr. Walter Schmidt AG Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

2 Gedanken eines geplagten Landwirtes: Muss ich heute bewässern? Was sagt der Wetterbericht? Heute wird s heiss, da kann ich nur gegen Abend beregnen. Da muss der Giovanni noch eine Spätschicht fahren! Er soll am besten mit den Rüebli anfangen. Hoffentlich hat er gestern Abend den Hahnen wieder zugemacht? Mich nimmt s Wunder ob der Dimitry das Leck hat flicken können. Gottverdammi nachamal, jeden Tag das gleich Theater. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

3 Frage: Bewässern Sie intelligent? Wir richten uns nach der Wetterprognose und bewässern nicht, wenn Regen angesagt ist Ich nehme eine Bodenprobe und wenn diese bröselt, dann muss ich bewässern Man sieht s den Pflanzen gut an, wann Sie wieder Wasser brauchen Wir haben ein Tensiometer und wenn dieses unter 150 hpa anzeigt, bewässern wir Wir verwenden Zeitschaltuhren und bewässern nur nachts Wir haben eine Zeitschaltuhr mit einem Regensensor, der blockiert die Uhr wenn es regnet Wir haben im Glashaus einen Computer mit Lichtsummen-Steuerung Wir haben den Grömi, der weiss am besten wann wir bewässern müssen.. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

4 Grundvoraussetzung Unumgängliche Voraussetzung für eine intelligente Bewässerung ist die Kenntnis über den momentanen Wasserstatus in den betreffenden Bewässerungszonen. Diese Kenntnis kann nur durch zuverlässige Bodenfeuchtesensoren erhalten werden. T Peak T Schwellw. Temperatur Die Sensorspitze wird kurz erwärmt T Boden t 0 Die Abkühlkurve wird elektronisch gemessen. Je schneller die Abkühlung desto feuchter die Erde nass feucht t nass t feucht trocken t trocken Zeit Diese Sensoren dürfen nur das pflanzenverfügbare Wasser messen! Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland Bodenfeuchtesensoren 200 m 20 km

5 Bauformen A B C D E F 18 cm 26 cm 42 cm 18 cm 350 cm 500 cm 18 cm 350 cm 500 cm 120 cm 120 cm Knickgelenk 350 cm 500 cm 42 cm 45 cm Schraub-Anker Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

6 Vorteile Sensor misst nur das pflanzenverfügbare Wasser Absolut wartungsfrei Einfach zu installieren (30 Sekunden) Rel. Feuchte-% vorkalibriert, daher sofort einsetzbar Punktmessung Messresultat von Dünger- oder Salzgehalt unabhängig Gleichzeitige Messung der Bodentemperatur Geringer Energieverbrauch, d.h. lange Batterielebensdauer Sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis MHP-Sensoren sind bereits weltweit im Einsatz (ca Stück) Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

7 Was kann man mit dem Sensor machen? Monitoring: Die Messdaten aufzeichnen, darstellen und analysieren Aktives Monitoring: Aufzeichnen und bei Erreichen eines Schwellwertes aktiv informieren (SMS) Automatisch, intelligent Bewässern: Dazu benötigt man einen intelligenten Algorithmus Eine geeignete Wasserversorgung Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

8 Monitoring: Wenn manuell bewässert wird. IoT-Konzept Internet Gateway Öffentliches oder privates LoRaWAN-Netz Big Data Analysis Service Provider Behörden Lokal installierte Komponenten Anwendungen: Grossflächige Wassermanagement-Systeme Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

9 Pilotversuch: Solothurn Berner Universität für angewandte Wissenschaften Biel Gateway Vorteile: Grossflächige Abdeckung möglich Swisscom Low-Power-Network steht zur Verfügung Geringe Investitionskosten Man könnte auch den Server der Stadtverwaltung nutzen Nachteile Sensoren sollten auch ein GPS-Modul beinhalten, damit auch die Position übermittelt werden kann (Stromverbrauch Sensoren!) Im Stadtgebiet benötigt man zusätzliche Gateways Sensoren im öffentlichen Bereich müssen vandalensicher versteckt werden. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

10 Monitoring: Wenn manuell bewässert wird Internet GSM/GPRS ISM Band Der Logger verschickt automatisch oder auf Anfrage die Daten als -Anhang an eine -Adresse. Die Daten können mittels der DataViewer Software analysiert werden. Den Sensoren kann ein Namen gegeben werden, sodass eine Zuordnung der Messwerte einfach möglich ist. Max. 99 Sensoren 20 km Reichweite (freie Sicht) Sensoren melden die Bodenfeuchte und Bodentemperatur per Funk an den Datenlogger. Dieser speichert die Daten und zeigt sie am Display an. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

11 Projekt Cressier, CH 7 PlantControl CX 90 Sensoren (20 km) 20 Landwirte werden über eine Ringleitung vom Schiffenersee mit Wasser versorgt. Projekt wird zu 50% durch das BLW subventioniert. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

12 Das Konzept (geplant) Internet Daten Analyse Big Data Analyse Max. 99 Bodenfeuchtesensoren 20 km Funkreichweite (IoT) Router Lokal, beim Landwirtschaftbetrieb installierte Anlage PlantControl Max. 5 Düngerinjektoren Max. 40 Magnetventile (Kabel oder Funk) Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

13 Bewässerungssteuerung 20 km 200 m 20 km Repeater Funkventilansteuerung für 8x9VDC Ventile Es können maximal 4 Funkventilsteuerungen mit je 8 Ausgängen an die Zentrale angeschlossen werden. Die Summe aller Ventile (Kabel + Funk) ist max. 40. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland Die Sensoren werden den einzelnen Bewässerungszonen zugeordnet, wobei auch mehrere Sensoren in einer Zone platziert werden können. Es können max. 4x8=32 Ventile per Kabel angeschlossen werden. Das erste Ventil ist dem Masterventil vorbehalten. Man kann 24VAC, 9VDC Impuls oder auch 24VDC Ventile anschliessen.

14 Bodenfeuchte Bodenfeuchte Steuerungsarten Jedes Ventil (Ausnahme Masterventil) kann auf 4 unterschiedliche Arten gesteuert werden: Modus 2: Automatik 1 Trockenschwellwert Modus 3: Automatik 2 Modus 4: Geklontes Ventil Steuerventil Geklontes Ventil (parallel) Geklontes Ventil (seriell) Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

15 Nacht Automatik 1 Schwellwert 75% Vorteile: Bei manchen Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn eine ganz bestimmte Bewässerungsdauer eingestellt werden kann. Z.B.: Minimierung des Drainwassers. Bei Anwendungen mit einer sehr kurzen Bewässerungsdauer ist diese Regelung besser als die Automatik 2, da diese grössere Ausschläge zeigen kann. Nachteil: - Bei längeren Sperrzeiten kann es vorkommen, dass der Feuchtewert wesentlich unter dem Grenzwert liegt. Dann dauert es länger, bzw. es braucht viele Bewässerungen bis der Normalzustand wieder erreicht wird. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

16 Beispiel: Automatik 1 Bodenfeuchte Schwellwert 80% Bodentemperatur Bewässerungsdauer Die Anzahl Bewässerungen ist abhängig von der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit, der Windstärke, der Blatttemperatur etc. Der zeitliche Verlauf der Bodenfeuchte subsummiert alle diese Einflussgrössen. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

17 DRA-Technologie: Selbst-Kalibrierung Frage: Wie lange muss bewässert werden um die Bodenfeuchte vom Niveau 1 auf das Niveau 2 anzuheben? Bodenfeuchte trocken nass Sättigung Feld - kapazität Trocken - schwellwert Kumulierte Wassermenge Die Steigung gibt an, wie lange man bewässern muss um die Bodenfeuchte um eine Einheit zu erhöhen Zeit Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

18 Beispiel: Automatik 2 Zielwert Temperatur Bodenfeuchte Schwellwert Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

19 Beispiel: Automatik 2 Bodenfeuchte Sensoren in Erdbeeren Bodentemperatur Bewässerungsdauer (min) Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

20 Die Vorteile: Wassereinsparung durch: Vermeidung einer Überbewässerung Es wird nur soviel bewässert, wie die Pflanzen effektiv benötigen Kosteneinsparungen Wasser, Dünger, Energie, Personal (Wochenende-Zuschlag) Stressreduktion Für die Pflanzen: Höherer Ertrag, höhere Widerstandfähigkeit gegen Krankheiten und Schädlinge Für den Nutzer: Das System macht alles selbst. Wenn etwas nicht funktioniert, dann wird man durch ein SMS darüber informiert Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

21 Bewässerungssteuerungs-SYSTEM Frost + Hitzealarm per SMS Repeater SMS Bypass-Ventil Einstellbare Nachspülzeit Fernstart von Diesel- oder Elektropumpen Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland Düngermischer 5 Düngerinjektoren und ein Bypass-Ventil können jedem Ventil zugeordnet werden

22 PlantControl CX Ventilmodule Buffer-Akkus 8 X 24VAC oder 9 VDC Imp. oder potentialfreie Kontakte 8 X 24VAC oder 9 VDC Imp. oder potentialfreie Kontakte 5 X 24VAC oder 9 VDC Imp. für Dosatrons, 1x Bypass, 1x Frost 1x Hochtemp. 8 X 9 VDC Imp. 8 X 9 VDC Imp. Max. 31 Steuerventile Nr. 0 = Masterventil 230 VAC Funkventilsteuerung Solarzelle und/oder Autobatterie Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

23 Aktives Alarmierungssystem Wichtigster Alarm: Kein Wasser Nach jeder Bewässerung wird nach einer einstellbaren Frist nochmals die Bodenfeuchte gemessen. Wird keine Erhöhung festgestellt, so wird ein entsprechender SMS Alarm verschickt. Dieser Fall kann eintreten, wenn: Ventil nicht aufgemacht hat Wenn der Sensor das Wasser nicht fühlen konnte Auf alle Fälle muss eine Kontrolle durchgeführt werden Zusätzlich noch 20 weitere Alarmmeldungen die entweder nur am Display angezeigt, oder als SMS verschickt werden können. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

24 Wichtige Aspekte: Wo muss der Sensor platziert werden? Dort wo die Pflanze das Wasser aus dem Boden aufnimmt: Wurzelballen Wo sollte die Elektronik mit den Funkantenne platziert werden? Möglichst hoch Wie viele Sensoren werden benötigt? Pro Bewässerungszone 1-2 Sensoren Bodenfeuchte % Sensor 1 Sensor 2 Zeit Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

25 Spezifische Probleme: Baumschulen Viele verschiedene Container-Grössen pro Bewässerungszone Wo es möglich ist, Aufräumen. Wenn dies nicht möglich ist, dann mehrere Sensoren verwenden. Die Regelung erfolgt dann über den Mittelwert der Messungen Wasserzufuhr durch die Anzahl der Tropfer an die Grösse der Container anpassen Oberkopfbewässerung nur während der Nacht Sehr viele Bewässerungszonen, die meist nicht parallel bewässert werden können Erfahrung: Durch die vollautomatische Bewässerung kann die totale Bewässerungszeit pro Tag reduziert werden Vor dem Start der eigentlichen Bewässerung kann man mit mehreren zusätzlichen (geliehenen) Sensoren eine Vormess-Phase durchführen. Diese zeigt die momentane Situation und liefert Hinweise auf Verbesserungen Oftmals sind die bestehenden Anlagen (Ventile, Leitungen..) veraltet und müssen erneuert werden. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

26 Beispiel: Kombination Bewässerung und Monitoring Repeater Bewässerung 200 m Monitoring 20km Sensoren Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

27 Beispiel Automatischer Start von Giesswagen nach Erreichen eines Feuchte- Schwellwertes. Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

28 Blumengärtnerei, CH Die Tische können frei bewegt werden Anstau-Bewässerung Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

29 Beispiel: Anstaubewässerung Landesanstalt für Landwirtschaft des Bundeslanden Hessen, Geisenheim Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

30 Beispiel Funkventilsteuerung Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

31 Fallstudie: Biobetrieb Monitoring Zone Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

32 Fallstudie: Biobetrieb Im ersten Einsatzjahr (2013) wurden gegenüber % Wasser gespart m 3 67% gespart! 710 m 3 Wasserverbrauch 2012 Wasserverbrauch 2013 Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

33 Fallstudie: Biobetrieb 45% Ertragssteigerung % + 26% + 61% + 58% + 71% Tomato Cherry Tomato Eggplant Cucumber long Cucumber short Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

34 Beispiel: Rosenkohl Bewässerungsvariante 1. Ernte 2. Ernte Ausschuss in % zu Gesamternt e Ausschuss Gesamternte Wasserverbrauch Wassereffizienz kg/are kg/are kg/are kg m3/are l/kg Erfahrung/Manuell Sensorgesteuert sehr feucht gehalten Sensorgesteuert mittlere feuchte Das Ergebnis zeigt eine Reduktion des Wasserverbrauchs um den Faktor drei, bei minimaler Abnahme des Ertrages. Die Wassereinsparung bezogen auf 6 ha hätte in der Saison 2013 ca m 3 betragen. Sensorgesteuert eher trocken gehalten Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

35 Beispiel: Frischkräuter Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

36 Beispiel: Langzeitüberwachung (Aufschüttung) Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

37 Beispiel: Rasenüberwachung Sensor Technikraum Schrank Sensor Sensor Sensor Kabel Sensor St. Jakob Park Stadion, Basel Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland

38 Danke für die Aufmerksamkeit Ltd. I Sennhof 13 I CH-8332 Russikon I Switzerland