Pleiten, Pech und meine Teichstation

Pleiten, Pech und meine Teichstation

Es ist nun schon über ein Jahr her, dass ich begann eine Teichstation zu bauen. Diese sollte nur eine kleine Erweiterung zur bereits vorhandenen solarbetriebenen Wetterstation sein – am Anfang plante ich mit der Teichstation die Temperatur an der Wasseroberfläche und in ein Meter Tiefe, den Wasserstand des Teichs sowie des Grundwassers (erreichbar über ein Rohr), den pH-Wert, die Leitfähigkeit und die Trübheit des Wassers zu messen. Natürlich sollte auch die Teichstation solarbetrieben sein. Ausgehend von diesen Wunschvorstellungen begann ich die Arbeit mit der Recherche passender und preisgünstiger Module…

… und so nahmen die Probleme ihren Lauf. Fangen wir an.

1) Messung des pH-Werts

Der pH-Wert gibt an, wie sauer oder basisch das Wasser ist und eine wichtige Größe für die Wasserqualität. Fische fühlen sich in der Regel nur in einem bestimmten Wertebereich wohl – also wollte ich gerne den pH-Wert elektronisch messen. Wie sich herausstellte, ist das aber gar nicht so einfach, denn es muss die Aktivität von Wasserstoffionen gemessen werden und das erfordert anscheinend eine chemische Reaktion, die vorher kalibriert werden muss. Günstige Sensoren, die dies realisieren, waren auch nach längerer Suche nicht zu finden – und damit hatte sich die Messung des pH-Werts relativ schnell erledigt.

2) Messung der Leitfähigkeit

In dem ersten Arduino-Kit, das ich bestellt habe, war auch ein einfacher Sensor für die Messung der Leitfähigkeit vorhanden. Wie sich nach etwas Recherche schnell herausstellte, sind diese günstigen Sensoren aber eher für die Vermessung der Bodenfeuchtigkeit als für richtiges Wasser geeignet. Und auch dafür eignen sie sich eher schlecht, weil sie sehr schnell korrodieren und damit unbrauchbar werden. Also hatte sich auch diese Idee erledigt.

3) Messung des Trübheitsgrades

Zumindest für die anderen Größen fand ich (scheinbar) passende Sensoren und konnte die Teichstation damit relativ schnell programmieren – ich musste ja nur das Programm zur Wetterstation anpassen. Für die Messung der Trübheit fand ich einen “Turbidity Sensor”. Wie sich nach einigen Tests herausstellte, lieferte dieser jedoch nur sehr grobe, unbrauchbare Werte. Üblicherweise wird er nämlich in Spülmaschinen eingesetzt, um die Trübheit des Spülwassers zu messen und den Waschgang darauf abzustimmen. Dafür sind aber offenbar nur sehr grobe Richtwerte vorgesehen – und natürlich fand ich das erst heraus, als ich den Sensor gekauft hatte und nach einem Datenblatt dazu suchte… in jedem Fall hatte sich damit auch diese Idee erledigt.

4) Solarbetrieb und Wasserstandsmessung

Es blieb also noch die Messung von zwei Wasserständen und die Messung von zwei Wassertemperaturen. Für ersteres verwendete ich Ultraschallsensoren, für letzteres die wasserdichten DS18B20-Temperatursensoren. Beide lassen sich in der Arduino IDE einfach ansteuern und an den Wemos D1 mini, der wie schon bei der Wetterstation ein passender WLAN-fähiger Mikrocontroller für das Projekt war, anschließen.

Zur Messung des Wasserstandes sollte die Teichstation über dem Wasser angebracht werden, sodass mittels eines Ultraschallsensors der Abstand von der Teichstation zum Wasser gemessen werden kann. Die erste Messung sollte als Referenzmessung dienen, für die ich den Wasserstand von Hand vermessen wollte. Durch die Differenz der neuen Ultraschallmessungen zur Referenzmessung konnte ich den aktuellen Wasserstand berechnen. Erste Tests auf der Werkbank liefen erfolgreich, sodass ich mir als nächstes Gedanken zum Betrieb mit einer Solarzelle machen konnte.

Leider konnte ich die Schaltung von der Wetterstation, in der der LM317 im Mittelpunkt stand, nicht übernehmen. Soweit ich mich erinnere (es ist immerhin etwa ein Jahr her), war der Grund, dass die Ultraschallsensoren nur mit einer Spannung von 5V arbeiten. Die Solarzellen, die ich bestellt hatte, lieferten auch genau 5V. Da man aber zusätzlich eine Sperrdiode benötigt, die einen rückläufigen Strom verhindert, handelt man sich einen Spannungsverlust ein, der im Fall einer Schottky-Diode mit ca. 0,4V noch relativ gering, aber spürbar ist. Einen weiteren Spannungsverlust hätte man am LM317, sodass die Ultraschallsensoren sich endgültig nicht mehr mit diesem Aufbau versorgen lassen.

Ich suchte also nach einer anderen Möglichkeit, eine Solarzelle anzuschließen und fand eine hervorragende Einführung bei dem Youtuber Andreas Spiess, der in mehreren Teilen zunächst die Anforderungen an die elektronische Steuerung einer Solarzelle erklärt, dann verschiedene Solarzellenregler ausprobiert und vermisst und schließlich eine Bestenauswahl vorstellt. So kam ich dazu, meinen LiPo-Akku mit 3,7V mit dem TP4056 (protected) zu laden. Ich habe mich lange dagegen gesträubt, überhaupt einen 3,7V Akku auszuwählen, weil dessen Spannung mit einem Aufwärtswandler (“Step up converter”), in meinem Fall ein MT3608, wieder auf 5V hochgeregelt werden muss, die ja am Anfang von den Solarzellen geliefert werden. Letztendlich habe ich aber keine 5V Akkus gefunden und insofern war dies die einzige, wenn auch ineffiziente Möglichkeit.

Schaltplan der Teichstation, wie sie kurzfristig bei sehr viel Sonnenschein funktioniert hat. Auf Dauer erwies sich dieser Aufbau jedoch nicht als funktionsfähig, weil insbesondere die Ultraschallsensoren zu viel Strom benötigen.

Nun fehlte nur noch ein Gehäuse. Ich hatte inzwischen gelesen, dass der Kunststoff PLA nicht wasserdicht halten soll, was für meine Teichstation natürlich fatal wäre. Also beschaffte ich mir eine Rolle PETG und druckte auf meinem Prusa i3 Mk3, der mir inzwischen seit über einem Jahr sehr gute Dienste leistet, ein Gehäuse für meine Teichstation. Kleiner Tipp für alle, die PETG auf einem Prusa-Drucker drucken wollen: Es hilft Wunder, wenn man ein wenig Glasreiniger auf das Druckbett sprüht. Die Haftung wird deutlich erhöht!

Ich verlötete also alles, packte alles ins Gehäuse, schloss die Solarzelle an und stellte das ganze auf den Balkon. Leider reichte selbst der Mega-Sommer 2018 nicht, um genügend Strom für den Aufbau zu liefern. Mithilfe eines Transistors, der die Stromzufuhr der Ultraschallsensoren nur für die kurze Messzeit öffnet, konnte ich die Lebensdauer ein wenig erhöhen, aber den Durchbruch brachte erst eine zweite Solarzelle, die ich mit einer weiteren Sperrdiode parallel zur ersten Solarzelle angeschlossen habe. Wie sich herausstellte, reichte dieser Durchbruch jedoch nur für die Sommerzeit…

Das Gehäuse befindet sich gut geschützt vor dem Regen unter den Solarzellen. Die Kabel, die nach unten abgehen, gehören zu den wasserdichten Temperatursensoren.

5) Ausschließlich Temperaturmessung

So lag die Teichstation lange am Teich ohne irgendetwas zu tun. In der Zwischenzeit ging ich ein andere Projekte an, von denen ich in späteren Beiträgen berichten werde. Erst in diesem Frühjahr hatte ich wieder genügend Motivation, mich erneut mit der Teichstation auseinander zu setzen – und sie radikal zu entmisten, sodass sie endlich dauerhaft funktionieren würde. Ich entfernte also die Ultraschallsensoren, die zu viel Strom ziehen, zu leicht durch Feuchtigkeit kaputt gehen und deren Messung nie wirklich zuverlässig funktionierte. Den Rest vereinfachte ich so weit es ging, reinigte alles und schloss es wieder vernünftig (immer noch mit zwei Solarzellen) an. Und so steht nun die Teichstation und nimmt jede halbe Stunde zwei Temperaturwerte auf und schickt sie ins Internet, sodass ich sie abrufen kann. Das einzige verbleibende Problem ist nun, dass die WLAN-Verbindung am Teich nur sporadisch funktioniert, sodass sich der Controller oft unverrichteter Dinge wieder in den Tiefschlaf verabschiedet. Aber immerhin liegt dieses Problem nun nicht mehr an meinem Aufbau…

Visualisierung der Wasseroberflächentemperatur im Mai und Juni. Man erkennt, dass viele Werte fehlen, weil der Controller keine WLAN-Verbindung herstellen konnte.

Letztendlich bleibt also nur ein Trost: Auch wenn es häufig frustrierend war, habe ich viel gelernt!

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