Stromversorgung

Um eine autarke Stromversorgung zu gewährleisten wurde ein Solarsystem, bestehend aus Solarmodul, Bleiakku und Laderegler installiert. Für Solarmodul und Bleiakku wurde eine Spannung von 12 V ausgewählt, da die Magnetventile mit 12 V betrieben werden. Zum Schutz des Verbrauchers wurde eine 1 A Feinsicherung installiert.

Zur Ermittlung des Gesamtenergiebedarfs des Bewässerungssystems wurde eine überschlagsmäßige Berechnung durchgeführt. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass der Akku nur bis 30 % der maximalen Kapazität entladen werden sollte (⟶ Verlängerung der Lebensdauer). Außerdem wurde von einer Sonneneinstrahlungsdauer von 8 h pro Tag ausgegangen. Beim Solarmodul wurde eine durchschnittliche Leistung von 45 % der angegebenen Spitzenleistung angenommen. Der Energiebedarf der Feuchtigkeitssensoren konnte aufgrund der Art der Programmierung und des niedrigen Strombedarfs (< 20 mA) vernachlässigt werden.

Erforderliche Kapazität des Akkus:

Q [Ah] = E [Wh] / (12 V * 0,3)

Erforderliche Leistung des Solarmoduls:

P [W] = E [Wh] / (t [h] * 0,45)

Tabelle 1: Berechnete Werte für die Kapazität des Akkus und die Leistung des Solarmoduls

Verbraucher	Anzahl	Leistung [W]	Betriebszeit [h]	Energiebedarf [Wh]
Magnetventil	9	3,84	0,5	17,28
Arduino Mega	1	0,6	24	14,4
Gesamt			Energie [Wh]	31,68
			Kapazität [Ah]	8,8
			Leistung [W]	8,8

 

Schaltung und Platine

Da der verwendete Microcontroller Arduino Mega 2560 nicht die für die Magnetventile erforderliche Spannung von 12 V ausgeben kann, wurde eine Platine gefertigt. Dafür wurde eine Schaltung entwickelt, welche die erforderliche Spannung mittels Transistor durchschaltet.

Der zentrale Teil der Schaltung besteht aus 9 Darlington-Transistoren (npn), welche jeweils über einen Basiswiderstand angesteuert werden. Um den Basiswiderstand entsprechend zu dimensionieren wurde folgende Berechnung durchgeführt. Der Wert für die Verstärkung des Transistor h_FE wurde dabei aus dem Diagramm im Datenblatt abgelesen (I_C = 300 mA; 25 °C). Der errechnete Basisstrom wurde hierbei noch mit dem Faktor 5 multipliziert, um ein sicheres Durchschalten des Transistors zu gewährleisten.

Erforderlicher Basisstrom

I_B = (I_c /h_FE ) * 5

Erforderlicher Basiswiderstand

R_Basis = U_Basis/I_B

Tabelle 2: Für die Berechnung erforderliche Daten und daraus berechneter Wert für den Basiswiderstand

Magnetventil
U [V]	12
Ic [mA]	320
Transistor BDW42G
hFE (300 mA; 25 °C)	1300
IB [mA]	1,23
Basis-Widerstand
UBasis [V]	5
RBasis [Ω]	4063

Da es sich bei einem Magnetventil um eine induktive Last handelt, musste jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet werden, um die anderen Bauelemente in der Schaltung zu schützen.

Im Folgenden ist der mit dem Programm LT Spice XVII gezeichnete Schaltplan dargestellt, wobei es sich bei den im roten Rahmen befindlichen Bauelementen um Bestandteile der Platine handelt (Abb. 2). Die Magnetventile wurden jeweils durch eine Induktivität (L1-L9) und einen Innenwiderstand (R10-R18; ~ 37,5 Ω) modelliert. Die Spannungsquellen D01-D09 entsprechen den digitalen Ausgängen des Arduinos.

Nach dem Test der Schaltung auf dem Steckbrett konnte das PCB-Layout für die Platine mit dem Programm DipTrace entworfen werden (Abb. 3). Dabei musste aufgrund des eingesetzten Fertigungsverfahrens darauf geachtet werden, dass die Leiterbahnen nur einseitig verlegt werden. Außerdem wurden die Leiterbahnen aufgrund des besseren Ergebnisses durch manuelles Routing verlegt.

Nach dem Entwurf des PCB-Layouts wurde die Platine mittels Frästechnik hergestellt (Abb. 4). Zum Schluss erfolgte die Bestückung mit den entsprechenden Bauelementen und den Stiftleisten.

 

GPRS Shield

Zur Übertragung der Sensordaten über Mobilfunk wurde ein GPRS Shield mit einer SIM-Wertkarte eingesetzt. Zudem wurde eine Antenne angebracht und ein 3,7 V LiPo-Akku angeschlossen, welcher die beim Senden von Daten erforderlichen Stromspitzen bereitstellt.

 

Magnetventile

Die eingesetzten Magnetventile arbeiten mit einer Spannung von 12 V, wobei der mittels Multimeter gemessene Strom ~ 320 mA (Innenwiderstand: 37,5 Ω) betrug. Außerdem ist laut Datenblatt ein Mindestwasserdruck von 0,2 bar erforderlich, wobei auch schon unterhalb dieses Drucks die Funktionsfähigkeit gegeben war.

 

Bodenfeuchtesensoren

Die eingesetzten Bodenfeuchtesensoren arbeiten im Prinzip als variabler Widerstand, welcher in Abhängigkeit der Feuchtigkeit ein Signal (0 – 3 V) an die analogen Eingänge des Arduinos übermittelt.

Nach der Kalibrierung des Sensors konnte eine Formel aufgestellt werden, die die analoge Spannung in Bodenfeuchtigkeit umrechnet. Zur Bestimmung des maximalen Wertes wurde der Sensor in Wasser getaucht (Wert: ~ 570).

Bodenfeuchtigkeit [%] = (Sensorwert / 570) * 100