Boxfarm

Aus Open Source Ecology - Germany
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Mobile Hydroponikfarm

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Ein einzelnes gering dimensioniertes Modul der Version 1.1, voll ausgestattet und beliebig in der Größe skalierbar








Überblick

Die Boxfarm ist ein kleiner experimenteller Prototyp einer transportablen Hydroponikfarm, basierend auf dem NFT-Verfahren (Nutrient Film Technique). Ein anpassungsfähiges Design, beliebig in der Größe skalierbar, teilautomatisiert mit geplanter Off-Grid-Erweiterung (energieautark). Eine Erweiterung auf Aquaponik mit einem Fischbecken scheint das derzeitige Design ebenfalls zuzulassen. Das Modul entstand ursprünglich für eine Demo lösungsorienteriter Konzepte der Selbstorganisation und Deglobalisierung in Stuttgart als Aufsatz für den Frachtbereich eines Lastenrads. Es steckte dort drin und schien mit diesem verschmolzen - war aber natürlich abnehmbar. Das Gerüst in dieser Variante ist mechanisch kompatibel mit dem XYZ-Nodes-Design der Hamburger Entwickler der XYZ-Cargo Lastenräder. Nun dient es als Prototyp einer beliebig vergrößerbaren NFT-Anlage, die nun weiter verbessert wird.

Wichtigste Eigenschaften

Seitenansicht des Rahmens mit den montierten Pflanzenkanälen
Die schräg angeordneten Pflanzenkanäle mit Netztöpfen. Montiert sind sie durch 'Schlingen' aus einem Lochband aus Metall, das am L-Profil oben verschraubt ist
Die XYZ Verbindungstechnik - hier das Heck der Boxfarm 1.1 mit dem Querprofil, das den Wassertank festhällt
Kupferhülsen als improvisierte Adapter, um den Schlauch dicker zu machen für eine dichte Steckverbindung an das 15 mm PE-Rohr
Der Schlauch steckt dank der Hülse fest im PE-Rohr

Grundgedanken

  • Upcyclinggedanke: Einige Teile flossen in die flexible Konstruktion ein, weil sie zufällig verfügbar waren und leicht angepasst wurden
    • Aluprofile im Keller
    • Schläuche für die Pumpe passend, mit als Adapter zweckentfremdeten Gegenständen verbunden
    • Ein Eimer mit Verschlussdeckel ('Obi-Eimer') als Wassertank
  • maximum adaptability
    • sehr hohe upgradefreudigkeit (Upcycling vs. Industrielevel) und in großen Dimensionen möglich, ohne von den Bauplänen abzuweichen
    • Leichte Ab- und Anmontierbarkeit der Energiequelle/Elektronik/Pumpen/Nährstofftanks
  • trotzdem hohes Produktniveu: Es gibt simplere Konstruktionen im Internet, die einfacher zu bauen sind, allerdings meist nur für ihre momentane Größe konzipiert, sowie schlechter erweiterbar, wenn nicht von vorn herein an Upgrades gedacht wird
  • stufenlose Skalierbarkeit
    • Vertikal: längere vertikale Profile hinten = steilerer Hang = längere schräge Profile, auf denen die Kanäle montiert = mehr Kanäle auf kleiner Fläche
    • Horizontal: einfach längere Rohre auf geklonte Alurahmen montieren, sodass ein vollausgestatteter Rahmen eine größere Beetgröße verwalten kann. Die Klone müssen das selbe Format haben, können mit größerem Abstand aufgestellt werden (spart Material) und nur einer muss mit Betriebstechnik und Tank versehen werden. Die Rahmen können auch tiefer sein, d.h. ebenfalls mehr Kanäle.

Ein Kompromisslastiges Design, erhöht m.E. aber die Anpassbarkeit...

offener stabiler Rahmen

Die Alukonstruktion aus eloxierten Quadrahtrohrprofilen ist recyclebar, wetterfest und durch das o.g. XYZ Node System sehr stabil, gut für Transport. Die HT Rohre bekommt man überall und die Tankdurchführungen mit Schlauchtüllen (ursprüngliche Idee in der Brainstorming Phase und für 1.2 geplant) bekommt man aus dem Bootsbau, die Schläuche dafür in jedem Baumarkt oder Zoohandlung. Die PE-Rohre mit den Klemmverbindern sind professionell, allerdings etwas 'over-engineered'. Man kann für v1.2+ statt Winkel auch gerade Klemmverbinder oder Borddurchlässe mit Tüllen aus einem Guss verwenden und mit flexiblen Schläuchen direkt in Löcher in die Oberseite der unteren Kanäle rein - spart im Vergleich zu v1.1 eine Menge Ressourcen.

* Nachteil beim XYZ Node System: Es muss abgewandelt werden, wenn die Boxfarm 'vollwertig' Open Source werden soll. Der Entwicker n55 hat dieses Design eingeschränkt lizensiert. Kommerzielle Nutzung (Verkauf von Bausätzen u.a.) ist den Verwendern nicht erlaubt. Also in dieser Variante keine 'vollwertige' Freie Hardware.

Semi-Modularität

Modular im eigentlichen Sinne ist es nur bedingt, denn für eine Skalierung durch die Kombination gleicher Module entstünde beim derzeitigen Design ein 'Cluster' aus unnötig viel verbautem Material. Output und Materialverbrauch würden fast linear zunehmen. Effizient wäre nur eine super-lineare Skalierung, also wenn sich die Materialmenge der Gesamtkonstruktion bei einer Vergößerung geringer erhöht. Bsp: +300% Rohre, +40% Aluminium, +0% Verbindungsleitungen -> 300% mehr Pflanzen

Jedes Modul (hier der Alurahmen) könnte, wenn es so gebaut ist, getrennt dann voll ausgestattet und unabhängig werden. Im Zusammenschluss können aber kleine und große Module oder mehrere 'Klone' mit sehr langen Rohrkanälen mit nur einer Pumpe, einem 5 l Wassertank, einem Controller, einem Satz Sensoren und einer Dantenschnittstelle in einem Hauptmodul funktionsfähig gemacht werden. Wie die Größe des Kreislaufs (im Prototyp v1.1 ca. 12 l) sich allerdings auf die erforderliche Leistung der Pumpe auswirkt, wird sich zeigen. Hauptsache von der Konstruktion muss so wenig wie möglich mitmultipliziert werden. Ein 5 l Eimer eines 1m Moduls könnte z.B. prinzipiell auch für größere Kreisläufe (2-10m) eingesetzt werden, solange in diesem kleinen Tank immer genug Wasser steht. Regulation der Pumpe ist dabei sehr wichtig! Problem mit v1.1: Schaltet man die Pumpe ab, läuft der Eimer über. Dafür muss noch eine Lösung gefunden werden. Scheinbar kommt man nicht herum, das Fassungsvermögen des Tanks gleichgroß oder größer, als das der gesamten Kanäle zu halten.

Autonomie

Die Sonden und der Controller. Das SD-Kartenmodul gehört nicht dazu
Das PH Detection Interface Modul. Es gibt eine Open Source Variante davon

Die Kultivierung soll teilautomatisiert werden, durch permanente elektronische Werteüberwachung und Steuerung der Dosierung von Dünger und PH-Regulatorflüssigkeit. Alles in einem wettergeschützten Kasten, gefüllt mit der nötigen Elektrik und Elektronik für Eingabe und Ausgabe – der sogenannten „Brainbox“

  • Arduinobasiert
  • TEMP-, PH- und EC-Sonden mit Schnittstellen
  • Dosierungsautomatik durch Ventile
    • 'Guerillavariante' mit Servos, die Schläuche knicken und lösen: Servos sind billig, häufiger verfügbar und können bei Demontage komplett andere Zwecke erfüllen
    • professioneller & teurer: Magnetventile (Solenoids), auch kleine müssen mit 12V angesteuert werden
  • eine Platine mit Schraubklemmen und Pins für Stecker, damit muss das meiste nicht direkt an den Arduino angeschlossen werden


Fernwartung: Personelle Ressourcen ermöglichen den Gedanken an eine Fernüberwachung mittels Ethernet/WLAN-Modul und einer App als Front End. Bspw. eine Android-App, welche die Oberfläche bereitstellt, damit spart man sich auch ein Display am Device selbst, die App könnte dann auch Statistiken aufbereiten: wie oft wurde gedüngt, wie entwickelt sich der PH-Wert, wieviel von den Regulatoren wurde verwendet (Pump- bzw. Ventilöffnungszeiten und -dauer).

Autarker Betrieb

Der Rahmen lässt Raum für ordentliche Integration einer 12V-Batterie und eines Photovoltaikpanels (ca. 20W). Daher war angedacht, nur Geräte mit nicht mehr als 12V Eingangsspannung zu verwenden. WLAN für die Steuertechnik erleichtert das Überwachen.

Mögliche Pflanzen

  • Erdbeeren
  • Salate
  • Buschbohnen
  • ...?

Konstruktion

Rahmen

2 Ecken einer fremden XYZ Nodes Konstruktion von Außen und von Innen gesehen
Der 5 l Eimer als Wassertank, ohne Befestigung vom Rahmen gehalten
  • Aluprofile: 20 mm Quadratrohre, 1,5mm Stärke
  • konstruiert nach dem Prinzip des XYZ-Node-Systems von N55 (CC-BY-NC-SA)
  • Prinzipiell ist eine Neukonstruktion des Rahmens basierend auf dem UniPro-kit möglich
  • verstellbare Stempel an den Füßen, um bei Unebenheiten stabil zu stehen
  • Eine Querstrebe ermöglicht das befestigungslose Einhängen eines 5 l Kunststoffeimers als Wassertank
  • Zwischen den Beinen kann prinzipell ein Fischtank platziert werden, bzw. muss der Rahmen dann passend groß sein, um platzsparend über einem fischfreundlichen Tank stehen zu können

Pflanzreihenkanäle

  • graue HT-Rohre (trinkwassergeeignet)
  • erhältliche Durchmesser: 90, 110, 125 oder 160 mm
  • HT-Rohrstopfen präpariert mit Tankdurchführungen
  • runde Löcher sägen für Töpfe
  • v1.2+ Verbesserung: eckige Löcher vorzeichnen und mit einem Heißschneidegerät herausschmelzen

Leitungen und Verbindungen

Die Kanäle mit PE Rohr Klemmverbindern. Zuviel Material. Man könnte sich viel material und Geld aparen: Ein Winkel (wenn nicht beide) und ein Tankdurchlass)
  • HT-Rohrstopfen präparieren mit Tankdurchführungen
  • PE-Rohr-Klemmverbinder (Übergangswinkel, 1/2" Innengewinde) - professionell, aber teuer und klobig)
  • diverse Adapterimprovisationen für den Anschluss der Pumpe und um verfügbare Schlauchabfälle zu verwenden (Upcycling)
  • v1.2+ Verbesserung: Borddurchlässe, 1/2" Außengewinde & 15mm mit Schlauchtüllen und entsprechenden Aquaristikschläuchen

Pflanzenbereich

  • Gitternetztöpfe rund
  • Durchmesser 55, 80 oder 100 mm?
  • v1.2+ Verbesserung: wenn eckige Löcher entsprechend groß, keine Töpfe sondern Rohre mit Blähton füllen


Versorgung

  • Luft- (Air Stone) und Wasserpumpen
  • 12V-Netzteil (v1.1)
  • kleiner Tank, gefüllt mit konzentrierterer Düngerlösung zur Dosierung/Anreicherung, sobald in der Lösung Nährstoffmangel entsteht
  • kleiner Tank, gefüllt mit PH-Regulator-Flüssigkeit zur Dosierung/Anreicherung, sobald die Sensormessung ergibt, dass Bedarf besteht
  • v1.2+ optional: 12V-Akku mit PV-Panel möglicherweise eine kleine Version der SolarBox

Betriebstechnik - (Brainbox v1.0)

die geöffnete Box mit der Betriebstechnik: Das EC Modul fehlt, genauso wie die Steckerplatine und die Verkabelung der Breakout Boards. 2 Schläuche führen durch die Box, zu den im Innern geschützen Servoventilen und hinaus zum Wassertank.
  • Version 1.0 ist in einer Tupperdose untergebracht, die mit 6 Kabelverschraubungen versehen ist
  • integrierte DC-DC Wandler für entsprechende Geräte (Arduino 5V, Sauerstoffpumpe 9V, ...)
  • Arduino Mikrocontroller (v1.1: Arduino Uno)
  • Interface Modul für die PH Sonde (alternativ, ein Open Source Modul kopieren)
  • Interface Modul für die EC Sonde
  • elektronisch ansteuerbare Ventile (s.o. Autonomie)
  • Potentiometer für die Regelung der Pumpe
  • Optional: Relais für die Pumpe
  • Optional: WLAN Modul für Arduino


Links

Referenz Beschreibung
[1] Bewässerungs-Steuerung von OSE US