Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

This report includes research into how to automate a small scale system for hydroponics. Hydroponics is a growing technique which features a soil-less environment were the plants roots are exposed to a nutrient-enriched water solution. The research focused mainly on how to regulate the pH and the level of nutrient in the water solvent and finding a system to automate that process. In the research fully grown basil plants were used as test specimens, with the plants roots submerged in a water solvent. The water solvent had sensors that were connected to a micro controller making it possible to monitor the presence of nutrients and pH in the solvent. If the micro controller deemed that the pH and/or the nutrient level was too high or too low, the micro controller would adjust the solvent by activating pumps adding pH down buffer solution and/or nutrient solution to the solvent. The research proved that a way to automate a small scale hydroponics system is by building a computerized system consisting of: • Micro controller. • pH sensor. •EC sensor (to measure nutrient level in solvent). • Temperature sensor. • Fluid pumps connected to pH- and nutrient reservoirs / I denna rapport följer en forskning om hur ett system för hydroponics kan automatiseras. Hydroponics är en odlingsteknik som utesluter nyttjandet av jord. Istället får plantorna näring och vatten via en näringsrik vattenlösning som dess rötter är i kontakt med. Forskningen fokuserade huvudsakligen på hur man reglerar pH och nivån av näringsämnen i en vattenlösning och skapa ett system för att automatisera denna processen. I undersökningen användes fullvuxna basilikaväxter som prover med plantornas rötter nedsänkta i en vattenlösning. Vattenlösningen hade sensorer som var anslutna till en mikrostyrenhet som gjorde det möjligt att övervaka nivån av näringsämnen och pH i vattenlösningen.  Om mikrokontrollen ansåg att pH- och/eller nivån av näringsämnen var felaktig så skulle mikrostyrenheten justera vattenlösningen. Detta skedde genom att mikrostyrenheten aktiverade vätskepumpar som tilsatte pH-buffer och/eller näringslösning. Forskningen visade att ett sätt att automatisera ett hydroponicsystem är att bygga ett datoriserat system som består utav: mikrostyrenhet. pH mätare. EC mätare (används för att mäta näringsnivån i vattenlösningen). Temperaturmätare. Vätskepumpar anslutna till behållare inehållandes pH- och näringslösning.

Denna rapport beskriver ett designarbete för att utveckla en produkt inom produktgenren hydroponisk inomhusodling. Arbetet sker i samarbete med uppdragsgivaren Clas Ohlson AB under våren 2017 vid Luleå tekniska universitet. Arbetet omfattar15 hp och är ett examensarbete för högskoleingenjör-teknisk design. Clas Ohlson är en butiksvarukedja med butiker både i Sverige men också runt om i Europa. De erbjuder sina kunder ett brett och prisvärt produktsortiment för att täcka de vardagliga behoven inom kategorierna hem, el, fritid, bygg och multimedia. De säljer varumärken som de själva producerar men är också återförsäljare av andra både större och mindre etablerade varumärken. En växande trend i Sverige idag som kan kallas för ”den gröna livsstilen” handlar om fokus på miljömässig hållbarhet för att säkerställa både sin egen men också miljöns välfärd. Vad som kan ses som en påföljd av denna trend är det ökade intresset för att odla ätbara växter inomhus, dels för att ha kontinuerlig tillgång men också för att kunna vara säker på att grönsakerna man äter är närodlade och besprutningsfria. En teknik för att åstadkomma en effektiv inomhusodling är att använda hydroponisk odling, även kallat hydrokultur. Det innebär att istället för att använda jord odlas växten i näringsberikat vatten. Fördelar med denna teknik är att det är mer lätthanterligt då det inte sker någon hantering av jord, odlingen blir platseffektiv och tillväxttakten hos växten ökar samtidigt som underhållskraven minskar. Därför är Clas Ohlson intresserade av att utveckla sitt sortiment inom detta område och uppdraget är då att utveckla konceptuella lösningar för hur detta kan se ut och fungera. Arbetet inleddes med en förstudie som i huvudsak handlar om att framställa de designkrav som lösningen behöver tillfredsställa. Men också en omfattade fördjupning i området genom att använda väl etablerade metoder såsom benchmarking och kvalitativa intervjuer. Processen övergick sedan i ett idéarbete där projektet framställde lösningar utifrån den problematik som fastställts. Detta med stöd av kreativa metoder såsom till exempel ”katalogmetoden” och ”brainstorming”. Det utfördes även en ”workshop” för att säkerställa att användaren var en central del av arbetet. Idéerna utvecklades till konceptuella förslag genom att genomgå en prototypfas där projektet bland annat skissade och konstruerade mock-ups för att testa funktion. Sedan validerades koncepten genom ett implementeringsmoment för att till sist mynna ut i ett val av koncept. Där valdes ett koncept ut för vidareutveckling i samråd med uppdragsgivaren Clas Ohlson. Därefter utfördes ett detaljarbete där material, färg ochslutlig formgivning fastställdes samtidigt som konceptet produktionsanpassades. Detta resulterade sedan i konceptet Flyt. Det är ett minimalistiskt självbevattnande hydroponiskt odlingssystem för förstagångsanvändare utan de tekniska funktioner som många konkurrerande produkter använder. Flyt består av fyra flytande krukor i en vattenreservoar, de kan plockas ut individuellt och fungerar som markörer förvattennivån i reservoaren. Detta tillsammans med en unik odlingsfrihet och variationsmöjlighet gör Flyt till en användarvänlig, underhållseffektiv och smart odling för vardagen.

Forschungsgegenstand war ein neuentwickeltes modulares Kassettensystem mit Hedera helix 'Woerner', das im Folgenden als hydroponische Nutzwand bezeichnet wurde. Die Lebensqualität in Ballungsräumen sinkt aufgrund von steigender Verdichtung. Stadtgrün verbessert die Lebensqualität und sorgt für lokale Klima- und Luftverbesserung. Allerdings besteht ein Nutzungskonflikt mit anderen Bebauungsvorhaben. Hier verspricht der Einsatz der hydroponischen Nutzwand ein hohes Potential, da das wandgebundene Fassadenbegrünungssystem weitgehend bodenunabhängig ist. Es erfolgte eine Studie zur Quantifizierung des Leistungspotenzials. Neben einer detaillierten Beschreibung des Kassettensystems und der Versuchsanlage, die eine nach Norden und eine nach Süden exponierte Nutzwand darstellte, erfolgte die Erstellung einer Wasserbilanz und eines abgeleiteten Bewässerungsplanes. Im Substrat wurden Untersuchungen zum Sauerstoffgehalt durchgeführt. Ebenso war auch die Wirkung auf das Bestandsklima ein wesentliches Kriterium, um das Kassettensystem zu beschreiben. Für die Leistungsabschätzung wurden Wachstumsanalysen zur Beschreibung der Pflanzenproduktion durchgeführt. Für einige Kassettenelemente wurde dabei im Wurzelraum ein Pflanzenstärkungsmittel mit Bacillus subtilis angewendet, mit dem Ziel, eine Wachstumssteigerung zu erreichen. In einem Austrocknungsversuch im Gewächshaus wurde der Effekt verschiedener Konzentrationen des Pflanzenstärkungsmittels auf eine erhöhte Stresstoleranz von Hedera helix 'Woerner' untersucht. Der Wasserhaushalt stellte einen gesonderten Schwerpunkt dar, bei dem zwei Ansätze zur Bewässerungssteuerung verfolgt wurden. Es erfolgte eine Modellierung der Evapotranspiration über Daten aus meteorologischen Messungen und Messungen zur Transpiration der Pflanzen im Bestand. In einem zweiten Ansatz wurden die Möglichkeiten der pflanzenbasierten Sensorik untersucht, wofür ein elektronischer Blattdickensensor zum Einsatz kam. Die Erkenntnisse aus der Dissertation sollten zeigen, welche Praxistauglichkeit eine hydroponische Nutzwand besitzt und ob sie lokal in der Lage ist, dem Problem sinkender Lebensqualität im städtischen Raum entgegenzuwirken.

Forschungsgegenstand war ein neuentwickeltes modulares Kassettensystem mit Hedera helix 'Woerner', das im Folgenden als hydroponische Nutzwand bezeichnet wurde. Die Lebensqualität in Ballungsräumen sinkt aufgrund von steigender Verdichtung. Stadtgrün verbessert die Lebensqualität und sorgt für lokale Klima- und Luftverbesserung. Allerdings besteht ein Nutzungskonflikt mit anderen Bebauungsvorhaben. Hier verspricht der Einsatz der hydroponischen Nutzwand ein hohes Potential, da das wandgebundene Fassadenbegrünungssystem weitgehend bodenunabhängig ist. Es erfolgte eine Studie zur Quantifizierung des Leistungspotenzials. Neben einer detaillierten Beschreibung des Kassettensystems und der Versuchsanlage, die eine nach Norden und eine nach Süden exponierte Nutzwand darstellte, erfolgte die Erstellung einer Wasserbilanz und eines abgeleiteten Bewässerungsplanes. Im Substrat wurden Untersuchungen zum Sauerstoffgehalt durchgeführt. Ebenso war auch die Wirkung auf das Bestandsklima ein wesentliches Kriterium, um das Kassettensystem zu beschreiben. Für die Leistungsabschätzung wurden Wachstumsanalysen zur Beschreibung der Pflanzenproduktion durchgeführt. Für einige Kassettenelemente wurde dabei im Wurzelraum ein Pflanzenstärkungsmittel mit Bacillus subtilis angewendet, mit dem Ziel, eine Wachstumssteigerung zu erreichen. In einem Austrocknungsversuch im Gewächshaus wurde der Effekt verschiedener Konzentrationen des Pflanzenstärkungsmittels auf eine erhöhte Stresstoleranz von Hedera helix 'Woerner' untersucht. Der Wasserhaushalt stellte einen gesonderten Schwerpunkt dar, bei dem zwei Ansätze zur Bewässerungssteuerung verfolgt wurden. Es erfolgte eine Modellierung der Evapotranspiration über Daten aus meteorologischen Messungen und Messungen zur Transpiration der Pflanzen im Bestand. In einem zweiten Ansatz wurden die Möglichkeiten der pflanzenbasierten Sensorik untersucht, wofür ein elektronischer Blattdickensensor zum Einsatz kam. Die Erkenntnisse aus der Dissertation sollten zeigen, welche Praxistauglichkeit eine hydroponische Nutzwand besitzt und ob sie lokal in der Lage ist, dem Problem sinkender Lebensqualität im städtischen Raum entgegenzuwirken.:I Inhaltsverzeichnis S. I II Abbildungsverzeichnis S. III III Tabellenverzeichnis S. X IV Formelverzeichnis S. XV V Abkürzungsverzeichnis S. XVII 1 Einleitung S. 1 2 Problemstellung S. 2 3 Zielsetzung S. 9 4 Kassettensystem S. 10 4.1 Material und Methoden S. 21 4.1.1 Versuchsanlage S. 21 4.1.2 Sauerstoffgehalt im Substrat S. 32 4.1.3 Mikroklimatische Einflüsse S. 34 4.2 Ergebnisse S. 43 4.2.1 Versuchsanlage S. 43 4.2.2 Sauerstoffgehalt im Substrat S. 49 4.2.3 Mikroklimatische Einflüsse S. 51 4.3 Diskussion S. 69 4.3.1 Versuchsanlage S. 70 4.3.2 Sauerstoffgehalt im Substrat S. 77 4.3.3 Mikroklimatische Einflüsse S. 78 4.4 Zusammenfassung S. 84 5 Wachstum S. 88 5.1 Material und Methoden S. 92 5.1.1 Wachstumsanalyse S. 92 5.1.2 Trockenstressversuch mit Bacillus subtilis FZB24® flüssig S. 102 5.2 Ergebnisse S. 108 5.2.1 Wachstumsanalysen S. 108 5.2.2 Trockenstressversuch mit Bacillus subtilis FZB24® flüssig S. 120 5.3 Diskussion S. 121 5.3.1 Wachstumsanalysen S. 121 5.3.2 Trockenstressversuch mit Bacillus subtilis FZB24® flüssig S. 125 5.4 Zusammenfassung S. 126 6 Wasserhaushalt S. 128 6.1 Material und Methoden S. 132 6.1.1 Transpiration von Einzelpflanzen S. 132 6.1.2 Evapotranspiration des Pflanzenbestandes S. 134 6.2 Ergebnisse S. 139 6.2.1 Transpiration von Einzelpflanzen S. 139 6.2.2 Evapotranspiration des Pflanzenbestandes S. 143 6.3 Diskussion S. 147 6.3.1 Transpiration von Einzelpflanzen S. 147 6.3.2 Evapotranspiration des Pflanzenbestandes S. 150 6.4 Exkurs Blattdickenmessung S. 151 6.5 Zusammenfassung S. 158 7 Schlussfolgerungen S. 161 8 Anhang Abbildungen S. 165 9 Anhang Tabellen S. 176 10 Literaturverzeichnis S. 191

Moderne Präzisionsgartenbaulicheproduktion schließt hoch technifizierte Gewächshäuser, deren Einsatz in großem Maße von der Qualität der Sensorik- und Regelungstechnik abhängt, mit ein. Zu den Regelungsstrategien gehören unter anderem Methoden der Künstlichen Intelligenz, wie z.B. Künstliche Neuronale Netze (KNN, aus dem Englischen). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Eignung KNN-basierter Modelle als Bauelemente von Klimaregelungstrategien in Gewächshäusern. Es werden zwei Modelle vorgestellt: Ein Modell zur kurzzeitigen Voraussage des Gewächshausklimas (Lufttemperatur und relative Feuchtigkeit, in Minuten-Zeiträumen), und Modell zur Einschätzung von phytometrischen Signalen (Blatttemperatur, Transpirationsrate und Photosyntheserate). Eine Datenbank, die drei Kulturjahre umfasste (Kultur: Tomato), wurde zur Modellbildung bzw. -test benutzt. Es wurde festgestellt, dass die ANN-basierte Modelle sehr stark auf die Auswahl der Metaparameter und Netzarchitektur reagieren, und dass sie auch mit derselben Architektur verschiedene Kalkulationsergebnisse liefern können. Nichtsdestotrotz, hat sich diese Art von Modellen als geeignet zur Einschätzung komplexer Pflanzensignalen sowie zur Mikroklimavoraussage erwiesen. Zwei zusätzliche Möglichkeiten zur Erstellung von komplexen Simulationen sind in der Arbeit enthalten, und zwar zur Klimavoraussage in längerer Perioden und zur Voraussage der Photosyntheserate. Die Arbeit kommt zum Ergebnis, dass die Verwendung von KNN-Modellen für neue Gewächshaussteuerungstrategien geeignet ist, da sie robust sind und mit der Systemskomplexität gut zurechtkommen. Allerdings muss beachtet werden, dass Probleme und Schwierigkeiten auftreten können. Diese Arbeit weist auf die Relevanz der Netzarchitektur, die erforderlichen großen Datenmengen zur Modellbildung und Probleme mit verschiedenen Zeitkonstanten im Gewächshaus hin. / One facet of the current developments in precision horticulture is the highly technified production under cover. The intensive production in modern greenhouses heavily relies on instrumentation and control techniques to automate many tasks. Among these techniques are control strategies, which can also include some methods developed within the field of Artificial Intelligence. This document presents research on Artificial Neural Networks (ANN), a technique derived from Artificial Intelligence, and aims to shed light on their applicability in greenhouse vegetable production. In particular, this work focuses on the suitability of ANN-based models for greenhouse environmental control. To this end, two models were built: A short-term climate prediction model (air temperature and relative humidity in time scale of minutes), and a model of the plant response to the climate, the latter regarding phytometric measurements of leaf temperature, transpiration rate and photosynthesis rate. A dataset comprising three years of tomato cultivation was used to build and test the models. It was found that this kind of models is very sensitive to the fine-tuning of the metaparameters and that they can produce different results even with the same architecture. Nevertheless, it was shown that ANN are useful to simulate complex biological signals and to estimate future microclimate trends. Furthermore, two connection schemes are proposed to assemble several models in order to generate more complex simulations, like long-term prediction chains and photosynthesis forecasts. It was concluded that ANN could be used in greenhouse automation systems as part of the control strategy, as they are robust and can cope with the complexity of the system. However, a number of problems and difficulties are pointed out, including the importance of the architecture, the need for large datasets to build the models and problems arising from different time constants in the whole greenhouse system.