Gewächshausautomatisierung mit dem Edge-IoT-Gateway

Gewächshausautomatisierung mit dem Edge-IoT-Gateway: Verkabelung, Logik und was tatsächlich schiefgehen kann

In diesem Artikel wird beschrieben, wie wir Greenhouse Automation mithilfe des Edge-IoT-Gateways implementiert haben.

Bei der Arbeit an der Gewächshausautomatisierung tritt das Problem meist an derselben Stelle auf.

Die Sensoren sind bereits installiert. Ventilatoren und Pumpen laufen. Aber niemand hat die beiden Seiten miteinander vernetzt. CO₂, Temperatur, Luftfeuchtigkeit – jedes Messwert hat seine eigene Anzeige. Der Abluftventilator hat eine eigene Steuerung. Die Pumpe ebenfalls. Letztendlich muss jemand die Koordination manuell übernehmen und die Warnmeldungen auf dem Handy im Auge behalten.

Wir hatten ein Tomatengewächshaus wie dieses – mit Sensoren, aber die Ventilatoren wurden noch manuell gesteuert. Danach haben wir einfach damit begonnen, die Steuerungslogik lokal auf dem Gateway zu installieren. Das ist einfacher und funktioniert auch dann noch, wenn das Internet ausfällt.

So wird die Verkabelung vorgenommen

Das EG8200 Edge-IoT-Gateway verfügt über zwei RS485-Anschlüsse, die beide Modbus-RTU-kompatibel sind. Da die meisten landwirtschaftlichen Sensoren bereits Modbus-RTU unterstützen, können sie direkt an den Bus angeschlossen werden.

Normalerweise unterteilen wir die Sensoren nach Typ – Klimasensoren auf einem Bus, CO₂- und Lichtsensoren auf dem anderen. Dadurch bleiben die Adressräume getrennt, was später die Fehlersuche erleichtert.

Bei einigen Modbus-Sensoren sind die Standardadressen alle auf 1 voreingestellt. Es empfiehlt sich, die Adressen für jedes Gerät einzeln einzustellen, bevor es an den gemeinsamen Bus angeschlossen wird. Bei einigen Geräten bleiben die Adresseinstellungen nach einem Stromausfall zudem nicht ordnungsgemäß erhalten – dies sollte vor der Inbetriebnahme überprüft werden.

Auf der Ausgangsseite befinden sich zwei Relais-Ausgänge (DOs). Diese schalten die Spule eines Zwischenschützes; der Schütz übernimmt die Motorlast. Bei mehr als zwei Geräten sollten RS485-Relais-Erweiterungsmodule am selben Bus verwendet werden.

DI-Anschlüsse für Wasserstandsschalter und Türsensoren. Nützlich für Verriegelungen – sind die seitlichen Lüftungsöffnungen geöffnet, bleibt die Kühlpumpe ausgeschaltet.

Auch Kündigungen treffen Menschen

Ich hatte einen Einsatzort, an dem die Temperaturmesswerte immer wieder willkürlich ausfielen. Die Verkabelung sah einwandfrei aus, die Konfiguration ebenfalls. Schließlich entdeckte ich am Ende des Busses eine lange Kabelstrecke ohne Abschlusswiderstand. Ich habe an beiden Enden einen 120-Ω-Widerstand angebracht – Problem gelöst.

Ein solches Problem tritt in der Software nicht auf. Man muss bis zur physikalischen Ebene zurückgehen.

Es lohnt sich auch zu prüfen, ob Relaismodule oder Pumpensteuerungen am selben Bus Störsignale erzeugen – an einem Standort verursachte das Pumpenrelais zeitweise Lesefehler bei nahegelegenen Sensoren, bis wir etwas mehr Abstand geschaffen und Ferritkerne eingebaut haben.

Steuerungslogik

Auf dem EG8200 läuft Node-RED direkt auf dem Gerät. Erstellen Sie Abläufe im Browser, stellen Sie sie bereit – fertig. Muss der Sollwert vor Ort geändert werden? Öffnen Sie einfach einen Browser, ändern Sie den Wert und stellen Sie ihn erneut bereit.

Wir lesen die Sensoren etwa alle 30 Sekunden aus. Wenn die Temperatur den Schwellenwert überschreitet, löst DO1 den Schütz des Abluftventilators aus. Sinkt die Luftfeuchtigkeit, weist ein Modbus-Schreibbefehl die Pumpensteuerung an, mit Teilleistung zu laufen. Es ist eine Hysterese integriert, damit der Ventilator nicht ständig ein- und ausschaltet – die Temperatur muss erst einige Grad unter den Auslösewert fallen, bevor er sich wieder ausschaltet.

Läuft vollständig lokal. Auch bei einem Internetausfall läuft das Gewächshaus weiter. Sobald die Verbindung wiederhergestellt ist, werden die zwischengespeicherten Daten wieder wie gewohnt hochgeladen.

Bei Standorten, die bereits über SCADA verfügen, setzen wir in der Regel auf MQTT. Wir haben es bereits ohne größere Probleme mit Mosquitto, HiveMQ und AWS IoT eingesetzt. Wenn der vorhandene Broker jedoch eine benutzerdefinierte Authentifizierung oder Themenregeln verwendet, nimmt genau das den größten Teil der Einrichtungszeit in Anspruch.

Die Logik an sich ist nicht der Grund, warum so viel Zeit verloren geht. Die Verkabelung, die Inbetriebnahme der Geräte und ein Großteil der Inbetriebnahmezeit entfallen letztendlich darauf, die Verkabelung nachzuverfolgen und zu überprüfen, welcher Schutzschalter welchen Ventilator versorgt – genau dafür werden tatsächlich die Stunden aufgewendet.

Automatik und manuell

Der automatische Betrieb läuft unbeaufsichtigt ab. Doch bei Kulturwechseln, Wartungsarbeiten und unerwarteten Wachstumsbedingungen ist eine voreingestellte Logik nicht immer die richtige Lösung.

Der manuelle Modus wird über das lokale Node-RED-Dashboard oder per MQTT-Befehl ausgelöst. Die automatische Logik wird unterbrochen; der Bediener hat die direkte Kontrolle. Das Dashboard funktioniert in jedem Browser im lokalen Netzwerk; es ist keine App erforderlich.

An Standorten mit unzuverlässiger Internetverbindung ist es wichtiger, als man denkt, dass man zur Änderung eines Sollwerts nicht über ein Cloud-Portal gehen muss.

Inbetriebnahme

Bei einer typischen Installation kann eine Person das System innerhalb weniger Stunden in Betrieb nehmen. Der größte Teil der Arbeit besteht dabei aus der Verkabelung.

Versetzen Sie den EG8200 für die Inbetriebnahme in den AP-Modus – er sendet sein eigenes lokales Netzwerk aus; Sie müssen sich nicht mit dem WLAN des Betriebs verbinden. Stellen Sie einfach eine Verbindung her und öffnen Sie Node-RED direkt.

Standorte mit mehreren Bereichen: Benachbarte Bereiche teilen sich manchmal ein Gerät, sofern die WLAN-Reichweite ausreicht. Separate Gebäude verfügen in der Regel über einen eigenen EG8200, der jeweils über 4G Daten übermittelt. An manchen Standorten wird stattdessen lieber eine Kabelverbindung zwischen den Gebäuden verlegt, je nachdem, was bereits vorhanden ist.

Wo es Sinn macht

Gewächshäuser für den kommerziellen Gemüse- und Tomatenanbau, Hydrokultursysteme, Setzlingszuchtanlagen, Kühlhäuser. Überall dort, wo die Steuerung unabhängig von einer Internetverbindung weiterlaufen muss.

Wo es an seine Grenzen stößt: große Anlagen mit vielen unabhängig voneinander gesteuerten Zonen. Zwei RS485-Busse und zwei Relaisausgänge decken die meisten mittelgroßen Anlagen ab. Darüber hinaus sind mehrere Geräte oder andere Hardware erforderlich.

Ein paar Fragen, die immer wieder auftauchen

Sensoren verschiedener Hersteller – funktionieren sie auf demselben Bus?

In der Regel ja, sofern sie Modbus RTU unterstützen. Man sollte jedoch auf die Baudrate achten – die meisten sind standardmäßig auf 9600 8N1 eingestellt, aber nicht alle. Wenn ein Sensor nicht reagiert und die Verkabelung korrekt aussieht, sollte man dies als Erstes überprüfen.

Offline-Betrieb – wie funktioniert das eigentlich?

Die gesamte Logik läuft lokal ab. Das Internet dient lediglich zum Hochladen von Daten und für den Fernzugriff. Es lohnt sich, dies vor dem Verlassen eines Standorts zu testen – trennen Sie die Antenne und vergewissern Sie sich, dass alles wie erwartet funktioniert.

Können die Relaisausgänge Motoren direkt schalten?

Nicht direkt. Das Relais schaltet eine Schützspule; der Schütz steuert den Motor. Bei mehr als zwei Lasten fügen Sie RS485-Relaiserweiterungsmodule hinzu.

Die meisten Probleme bei diesen Projekten lassen sich letztendlich auf die physikalische Ebene zurückführen – Abschlusswiderstände, Adresskonflikte, Anordnung der Sensoren. Sobald das geklärt ist, geht der Rest ziemlich schnell von der Hand.

Technische Daten und Datenblatt zum EG8200: Produktseite. Fragen: Kontaktformular.