Bewässerungsprojekt, Versuch eines Überblicks

2026-07-26

Unsere voll ausgebaute (Pilot-)Bewässerungsanlage ist in die Anwendungsphase eingetreten. Die ambitionierte Anwenderin nutzt die Bewässerungsparameter gerne, auch kombinierend. Auf den ersten Blick mögen die vielen Parameter übertrieben erscheinen, sie folgen aber den Einstellwünschen der Anwenderin, zumindest für die Einstiegsphase. Dieser Beitrag ist später als die meisten anderen entstanden. Er soll, stärker als die anderen Beiträge, einen anwendungsbezogenen Fokus besitzen.

1. Gegenstand

Ich stelle hiermit ein Konzept zum Bau einer in Grenzen skalierbaren Bewässerungsanlage vor. Diese basiert auf Shelly Geräten und von mir erstellten Programmen, hier Skripte genannt. Der interessierte Anwender kann eine solche Anlage selbst zusammenbauen und meine Skripte nutzen. Die Skripte und mindestens ein Shelly Gerät sind für eigene Zwecke zu konfigurieren. Danach kann die Anlage weitgehend störungsfrei genutzt werden. Sie bietet in umfangreicher Ausbaustufe viele Parametriermöglichkeiten. Sie ist sowohl als Insellösung (ohne zusätzliche Systeme) als auch eingebettet in ein vorhandenes Smart Home System verwendbar.

Eine vollumfänglich zusammengestellte Anlage kann

einen oder zwei Bewässerungsstränge kontrollieren via max. Bewässerungsdauer, max. Bewässerungsvolumen und Sperrzeiten zwischen zwei per Regelung (s.u) eingeschalteter Bewässerungen,
Bewässerungen nach Zeitplänen aktivieren (dies ist unter Nutzung einer Regelung allerdings überflüssig),
per Regelung die Erdfeuchtigkeit von Bewässerungsgebieten innerhalb parametrierbarer Grenzen halten (hierfür sind Erdfeuchtigkeitsmessungen via geeigneter Sensoren erforderlich).

Unsere Pilotanlage arbeitet mit Tropfbewässerung, um eine hohe Effizienz zu erzielen - Ziel: geringstmöglicher Wasserverbrauch.

Im folgenden versuche ich, die komplett ausgestattete Bewässerungsanlage aus der Außenperspektive zu beschreiben, damit sich der Leser ohne allzuviel Ballast einen Gesamteindruck verschaffen kann.

2. Terminologie

Ich nutze in diesem Projekt zwecks interner Zuständigkeitsverteilungen u.a. die Wörter Master und Assistent. Statt Master könnte ich eine der Benennungen Meister, Chef oder auch Hauptverantwortlicher verwenden. Allenfalls die letzte dieser Benennungen träfe die Rolle des Master geeignet, ist aber zu lang. Deshalb habe ich mich für das englischsprachliche Master entschieden. Das Mastergerät, kurz "der Master", führt die meisten Prozesse durch, das Assistentgerät, kurz "der Assistent", übernimmt einen relativ kleinen Teil der Anlagenprozesse, aktuell Volumenmessung und -begrenzung. Der Assistent tritt nach außen nicht in Erscheinung.

3. Frontends (Usability)

Ein Frontend bietet die Bedienungsoberfläche der Anlage. Deshalb wird dafür mitunter auch die lange Bezeichnung Mensch-Maschine-Schnittstelle (human-machine interface) verwendet. Im Backend werkelt die Hardware unter der Software.

Als Frontend kann jedes System genutzt werden, das MQTT kommunikationsfähig ist. Somit kann der ambitionierte Anwender eine bevorzugte Bedienoberfläche gestalten oder das Web UI nutzen (s.u.). Vermutlich ist es möglich, statt MQTT alternativ HTTP zu verwenden. Auf die flächendeckenden Nutzungsmöglichkeiten von HTTP habe ich jedoch nicht hinreichend geachtet, wenngleich zumindest einige Kommunikationen per RPC-Methode "Script.Eval" verfügbar sind.

Die Anwenderin verwendet als Frontend gerne die nach wie vor flexibel konfigurierbare und kostenfreie Android App MQTT Dash (s.u.), die auch auf alten Smartphones zügig arbeitet.

Damit auch bei Ausfall von (W)LAN, des MQTT Brokers oder eines übergeordneten Systems die Anlage ohne Einschränkung nutzbar bleibt, kann via Web Browser das Web User Interface, kurz WebUI oder Web UI, des Master genutzt werden. Dieses bietet nach Einrichten von virtuellen Komponenten

das manuelle ad hoc Starten/Benden einer Bewässerung,
alle Parametriermöglichkeiten und
die wichtigsten Anzeigen.

In einem solchen Fall kann die WLAN Kopplung mit dem Access Point, kurz AP, des Master erforderlich werden.

Dieses "Notfall-Frontend" kann auch in entsprechend eingeschränkter Umgebung als Standard Frontend dienen.

Zum ad hoc starten und beenden einer Bewässerung kann jeder verfügbare Weg genutzt werden, weil das Master Skript auf Schaltereignisse, unabhängig von der auslösenden Quelle, immer in gleicher Weise reagiert. Deshalb kann der ambitionierte Anwender die Anlage um zusätzliche Schaltquellen erweitern wie

Taster/Schalter an den Master-Eingängen,
via Cloud(s) arbeitender Sprachassistent
sonstige Eigenkreationen

Master Web UI als Frontend, Einstellungen unter "Garten Parameter"

4. Struktur der Anlage

(Hier soll ein Strukturschema der Bewässerungsanlage folgen.)

Je nach Anforderungen/Wünschen oder vorhandener Ausstattung kann die Anlage verkleinert werden, wobei auf Teilfunktionen verzichtet wird. Folgende Ausstattungs-Kombinationen sind möglich.
(Zeitpläne sind immer möglich, aber mit Feuchtigkeitsregelung nicht zeckmäßig.)

Master ohne Feuchtigkeitssensoren (keine Regelung) und ohne Volumenmessung
Nutzbar ist max. Dauer einer Bewässerung.
Master mit Assistent zur Volumenmessung ohne Feuchtigkeitssensoren
Nutzbar sind max. Dauer und max. Volumen.
Master mit Feuchtigkeitssensoren für die Regelung, keine Volumenmessung
Nutzbar sind max. Dauer, Ein- und Ausschaltschwellenwerte ("ein", "aus"), Sperrdauer ("Sperre"), keine Volumenmessung
Komplettausstattung mit Master, Assistent zur Volumenmessung und Feuchtigkeitssensoren für die Regelung
Nutzbar sind max. Dauer, max. Volumen, Ein- und Ausschaltschwellen ("ein", "aus"), Sperrdauer ("Sperre").

Mit Volumenmessungen erhält man einen guten Überblick über den Wasserverbrauch. Dafür kann man auch einen kommerziellen Wassermengenzähler nutzen. Wenn man solche Daten für zielführende Auswertungen aufzeichnen will, ist eine Selbstbaulösung eindeutig die bessere Wahl, vielleicht sogar die einzige Möglichkeit.

5. Eigenschaften

Wie bereits weiter oben angedeutet, ist eine wesentliche Eigenschaft der Anlage deren Robustheit. Sie kann, solange Stromversorgung vorhanden ist und die Shelly-Firmware störungsfrei arbeitet, immer erreicht, parametriert und beobachtet werden - auch dann, wenn ein Teil der Anlage (temporär) ausgefallen ist.

Dies wird bei Bedarf durch ein separates, allg. nutzbares Observer-Skript unterstützt. Dieses überwacht via einzurichtendem Zeitplan das jeweils funktionswichtige Skript periodisch auf Aktivität, versendet im Inaktivitätsfall eine Nachricht oder schreibt diese Nachricht lokal in eine persistente Datei. Der Observer kann das überwachte Skript bei festgestellter Inaktivität automatisch starten, damit die Anlage vorerst weiter arbeitet. Der Observer sollte nicht mit einem Watchdog verwechselt werden. Solche Observer können sowohl auf dem Master als auch auf Assistenten genutzt werden.

Die Anwenderin schätzt die Verlässlichkeit der Anlage und die vielfältigen Parametrierbarkeiten. Letztere unterstützen beim finden geeigneter Einstellungen. Mit Hilfe der Sperrdauer konnte sie praktikable Schwellenwerte für die Feuchtigkeitsregelung zügig erreichen. Gegen (versehentlich) zu hohen Wasserverbrauch bieten die Sperrdauer, die max. Einschaltdauer und das max. Volumen eine jederzeit wirkende Absicherung.

6. Verhalten

Es stehen drei Anwendungsparameter als Grenzwerte zum auschalten zur Verfügung - max. Dauer, max. Volumen und, bei aktiver Regelung, obere Feuchtigkeits- bzw. Schaltschwelle ("aus"). Immer der zuerst erreichte/überschrittene Grenzwert führt zum ausschalten. Damit kann die Anwenderin experimentieren, Erfahrung sammeln und geeignete Einstellwerte relativ zügig erreichen. Wer, so wie wir, zusätzlich Werte in einer Datenbank speichern und diese in Zeitgrafiken visualisieren lässt, kann Erkenntnisse aus der Bewässerungshistorie ziehen.

Die Änderung von Bewässerungsparametern wirkt sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten aus.
(s.a. oben in der Abbildung "Master Web UI als Frontend", dort unter "Garten Parameter")

Max. Dauer ("Dauer"): Zu Beginn des nächsten Einschaltens, nicht während einer Bewässerung
Max. Volumen ("Volumen"): Mit der nächsten Messung des aktuellen Volumens - quasi sofort
Regelung (in)aktiv ("Regelung"): Mit dem nächsten Eintreffen der Feuchtigkeitswerte - quasi sofort
Sensor Id ("Sensor"): Mit dem nächsten Eintreffen der Feuchtigkeitswerte - quasi sofort
Einschaltschwelle ("ein"): Mit dem nächsten Eintreffen der Feuchtigkeitswerte - quasi sofort
Ausschaltschelle ("aus"): Mit dem nächsten Eintreffen der Feuchtigkeitswerte - quasi sofort
Sperrzeit = blind time ("Sperre"): Nach Ablauf der aktuellen Sperrzeit
Die Sperre wird immer mit dem Einschalten per Regelung gestartet, nicht jedoch bei anderen Einschaltquellen. Es handelt sich um eine Einschaltsperre. Sie wirkt nicht auf das Ausschalten. Durch Skript-Anpassung könnte mit einer Sperrzeit-Änderung eine ggf. laufende Sperre beendet werden. Da eine solche Anpassung eines größeren Aufwandes bedarf, verweise ich auf die einfache Alternative für Notfälle: Master Skript oder Shelly restarten

Wenn die Feuchtigkeitsregelung aktiv ist, arbeitet das ad hoc Schalten durch die Anwenderin eingeschränkt, unabhängig vom Sperrzustand (Sperrzeit aktiv). Nach dem Einschalten schaltet die Regelung mit eintreffen der Sensorwerte bei überschreiten der oberen Feuchtigkeitsschwelle aus. Soll dies verhindert werden, weil die Anwenderin die Bewässerung nur durch das max. Volumen oder die max. Dauer begrenzen will, so muss sie die Regelung (temporär) deaktivieren. Dabei läuft eine ggf. aktive Sperrzeit weiter.

7. Zielführende Anwendung

Zu Nutzungsbeginn der Anlage oder zu Beginn der Bewässerungssaison liegen keine oder verblasste Erfahrungswerte vor. Dann ist es zielführend, mit den bisherigen, gewohnten Werten zu beginnen. Dies sind bei Gießkannen die Volumina und deren Zeiten, bei Schlauchbewässerung eher die Dauer und deren Zeiten.

Somit sind dann Zeitpläne von Belang, kombiniert mit den Einstellungen von max. Dauer und max. Volumen. Hierbei sollten, falls vorhanden, die Werte der Feuchtigkeitssensoren beobachtet werden. Diese Werte können später für die Feuchtigkeitsregelung genutzt werden. Sie hängen in starkem Maße von der Dichte der Erdumgebung und den Abständen zu Tropfstellen ab. Deshalb erscheint es zweckmäßig, die Sensoren nur bei fehlender Erfahrung häufiger umzustecken, um damit Erfahrung zu sammeln. Schließlich sind geeignete Schaltschwellen für die Regelung anzustreben.

Sobald die Regelung genutzt wird, sollten Zeitpläne deaktiviert werden, weil letztere die Regelung und deren Auswertung stören. Es ist zu erwarten, dass mit zunehmender Nutzungsdauer die Regelung bevorzugt wird und die Schaltschwellen zumeist nur geringfügig anzupassen sind.