Obstbau
Digitales Erdbeerbeet
Demonstration eines vollautomatisierten, vernetzten und geschlossenen Anbausystems
Erdbeeren sind eine der beliebtesten Obstsorten der Deutschen. Auch in Hessen spielt der Erdbeeranbau eine Rolle: Etwa 150 Betriebe bauen auf einer Fläche von insgesamt 1.147 ha die roten Sammelfrüchte an. Regionaler Anbau punktet unter anderem mit kurzen Transportwegen in punkto Nachhaltigkeit.
Um den Anbau noch ressourceneffizienter zu gestalten im Hinblick auf Wasser- und Energieverbrauch, forscht das Gartenbauzentrum des Landesbetrieb Landwirtschaft Hessen (LLH) an einem digitalen Erdbeerbeet. Unter Einsatz einer bedarfsgesteuerten Bewässerung sowie LED-Belichtung sollen die Pflanzen optimal versorgt werden, um schmackhafte Früchte hervorzubringen.
Das digitale Erdbeerbeet ist eine komplett automatisierte Demonstrationsanlage, die im Winter und Frühjahr 2021 am LLH-Gartenbauzentrum in Geisenheim getestet worden ist. Anhand des Modells können die Möglichkeiten der Digitalisierung und Vernetzung im Anbau gezeigt werden. Zum einen kann durch die Automatisierung der Arbeitseinsatz reduziert werden, da alle notwendigen Parameter digital erfasst und online dargestellt werden und damit der Anbau auch aus der Ferne überwacht werden kann. Zum anderen wird der Ressourcenverbrauch reduziert und optimiert: Denn durch die bedarfsgesteuerte automatische Bewässerung und das geschlossene Bewässerungssystem wird nur so viel Wasser verbraucht, wie auch benötigt wird. Die ebenfalls bedarfsgerechte LED-Belichtung minimiert gleichzeitig den Stromverbrauch.
Geschlossenes Bewässerungssystem mit Sandfilter
Für einen so gering wie möglichen Wasserverbrauch sorgt ein geschlossener Bewässerungskreislauf, der das Rücklaufwasser (Drainwasser) nach der Bewässerung auffängt und wiederverwendet. Vor der Wiederverwendung wird das Wasser mit Hilfe eines Langsam-Sandfilters gereinigt. Damit die Pflanzen optimal versorgt sind, wird das Gießwasser mit Nährstoffen versetzt. Die Leitfähigkeit (EC-Wert, Messgröße für den Nährstoffgehalt) dieser Nährlösung wird laufend digital überwacht, sodass immer eine optimale Versorgung der Pflanzen gewährleistet ist.
Auch die Bewässerung erfolgt sensorgeregelt nach Bedarf.
Tageslichtabhängige LED-Belichtung
Die Belichtung wird in Abhängigkeit vom natürlichen Lichteinfall dynamisch und automatisch gesteuert. Dafür sorgt ein Helligkeitsfühler. Dieser misst den natürlichen Lichteinfall im Bereich der Pflanze. In Abhängigkeit davon werden die LEDs bei Bedarf entsprechend gedimmt bis der gewünschte Wert erreicht ist.
Steuerung
Alle Messwerte laufen in der Hauptsteuerung zusammen, darunter die Bodenfeuchte, Helligkeit, Wassermenge, Drainwassermenge und der EC-Wert. Die Steuerung übernimmt in Abhängigkeit der gemessenen Werte eigenständig die Schaltung der Aktoren: den Dimmer für die Belichtung sowie die Pumpen und Ventile für die Bewässerung. Herzstück der Steuerung und des Datentransfers ist ein industrietauglicher Mikrocontroller (Kleinstrechner), der um analoge und digitale Ein- und Ausgänge erweitert wurde. Durch die plattformoffene Software kann auch andere Hardware angeschlossen werden. Programmiert wird über ein grafisches Tool (Node-Red), das direkt auf dem Mikrocontroller läuft und so einfach und komfortabel mit einem PC über das LAN-Netzwerk zu bedienen ist. Über eine Benutzerschnittstelle (= Userinterface; hier: Dashboard) lässt sich das System online mithilfe eines internetfähigen Endgeräts überwachen. Hier können auch Einstellungen wie gewünschte Bewässerungsgaben oder Lichtwerte eingestellt werden.
IoT-Vernetzung
Das digitale Erdbeerbeet ist im Sinne des „Internet of Things“ (= Internet der Dinge; IoT) aufgebaut: Das bedeutet, dass die verwendete Hardware vollständig im Netzwerk (LAN) eingebunden ist, sodass innerhalb dieses Netzwerkes alle verfügbaren Daten (z.B. Messwerte oder Zustände wie Licht an oder aus) abgerufen und verarbeitet werden können. Über standardisierte Protokolle, wie das Netzwerkprotokoll „Message Queuing Telemetry Transport“ (MQTT), können Daten aus verschiedenen Systemen ausgetauscht werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Sensoren oder andere Steuerungen verschiedener Herstellerbetriebe zu verwenden und im weiteren Verlauf das System zu erweitern. Ebenfalls können auch Daten (z.B. Wetterdaten) aus entfernten Quellen (z.B. über einen Wetterdienst aus dem Internet) eingebunden und genutzt werden.
Ausblick: Das „Smart Greenhouse“ und der Digitale Zwilling
Aufbauend auf dem digitalen Erdbeerbeet aus dem Frühjahr 2021 wird in Zusammenarbeit mit der Hessischen Zentrale für Datenverarbeitung (HZD) und der International Business Machines Corporation (IBM) aktuell das „Smart Greenhouse“ aufgebaut. Dabei handelt es sich um ein ebenfalls mit Erdbeeren bestücktes kleines Gewächshaus nach dem Vorbild des digitalen Erdbeerbeets. Dieses „Smart Greenhouse“ wird nun sowohl am Geisenheimer Standort als auch auf dem Gelände der HZD in Wiesbaden aufgebaut. Durch eine Vernetzung ist es möglich, alle Einstellwerte an beiden Standorten parallel anzugleichen und alle Zustände zu überwachen.
Mit dem Smart Greenhouse wird außerdem ein sogenannter „digitaler Zwilling“, ein digitales Abbild des analogen Modellbeetes, geschaffen. Dieser digitale Zwilling bildet mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) die Wirklichkeit des Anbaubeets im digitalen Modell ab. Anhand dieses digitalen Modells können dann Simulationen durchgeführt werden und Fragen beantwortet werden wie beispielsweise: Was passiert, wenn die Temperatur 1°C höher eingestellt wird? Wie muss die optimale Einstellung sein, wenn die Ernte zum Zeitpunkt X beginnen soll? Kann die Erntemenge erhöht werden, z.B. durch höhere Lichteinstellungen?
Mit dem digitalen Erdbeerbeet konnte gezeigt werden, dass mit überschaubarem Mitteleinsatz Teilbereiche des Gartenbaus vollständig automatisiert werden können. Mit der Fortführung und Erweiterung im Projekt „Smart Greenhouse“ können weiterhin Hinweise und Ideen für die Vernetzung von Betriebsstätten generiert und in die Praxis getragen werden.
