Projektet gick ut på att skapa ett system för att automatisera en hydroponisk odling, ta fram vilka storheter som är intressanta att mäta och sedan skapa elektronik för det. Det var snabbt tydligt att det är elektrisk konduktivitet (EC), pH och temperatur som är intressant att mäta. EC är ett estimat över näringsinnehållet i vattnet, pH i vattnet måste vara i rätt nivå för att växterna ska kunna ta upp näringen och temperaturen måste vara inom rätt område för att växterna ska växa. Sensorerna som valdes fungerar väldigt olika och därför skapades olika kretsar för vardera sensor. EC och temperatursensorn fick även två olika kretsar för att kunna utvärdera vilken metod som har fungerat bäst. Kretsarna skapades i en simulator och när de gav önskvärt beteende konstruerades ett PCB utifrån simuleringsritningarna. En mikrokontroller användes för att styra kretsarna och hantera mätdata för att sedan skicka det vidare till en Raspberry Pi för att skriva ut värden på en skärm. Resultaten som kretsarna gav i slutändan är tillfredställande och mycket väl inom noggrannheten som en hydroponisk odling kräver. / The project was to create a system for automating hydroponic cultivation, identifying the quantities that are relevant to measure and then creating electronics for it. It quickly became clear that it is electrical conductivity (EC), pH and temperature that are relevant to measure. EC is an estimate of the nutrient content of the water, the pH of the water must be at the right level for the plants to absorb the nutrients and the temperature must be within a certain range for the plants to grow. The sensors selected work very differently and therefore different circuits were designed for each sensor. The EC and the temperature sensor were also given two different circuits in order to evaluate which method was best suited. The circuits were designed in a simulator and when they provided desirable behaviour, a PCB was designed based on the simulation schematics. A microcontroller was used to control the circuits and manage the measurement data and then pass it on to a Raspberry Pi in order to display values ​​on a screen. The results that the circuits ultimately gave are satisfactory and very well within the accuracy required by hydroponic cultivation.

The purpose of this project is to make it easier to grow plants domestically all year round. The objective is to construct a remotely controllable and environmentally independent automated hydroponic system. This would minimize the efforts required by the user to sustain plants in non-native climates. A hydroponic gardening system uses water as a growth medium instead of soil. The system is climate conscious and has benefits compared to conventional agriculture. Hydroponic systems are affected by several factors, this project only focuses on controlling the light intensity by isolating the system, and regulating the nutrient concentration through EC. The system uses a microcontroller for analysis and control. The results are promising, showing that the system works. However, the limitations in time led to a short test period, therefore the data gathered is limited. The discussion based on the results conclude that the system cannot be considered completely automatic but reduces the need of manual labour. / Syftet med detta projekt är att göra det lättare att odla växter inhemskt året runt. Målet är att konstruera ett fjärrstyrbart och miljöoberoende automatiskt hydroponiskt system. Detta ska minimera ansträngningarna från användaren för att underhålla växter i icke-inhemska klimat. Ett hydroponiskt odlingssystem använder vatten som tillväxtmedium istället för jord. Tekniken har fördelar jämfört med konventionell odling vilket gör hydroponi mer miljövänligt. Hydroponiska system påverkas av flera faktorer, men detta projekt fokuserar bara på att kontrollera ljusintensiteten genom att isolera ljuset inom systemet samt att reglera näringsämne-koncentrationen genom att mäta den elektriska ledningsförmågan i vattnet. Systemet använder en mikrokontroll för analys och kontroll. Resultaten är lovande och visar att systemet fungerar. Däremot har begränsningarna i tid lett till en kort testperiod, därför är data som samlas in begränsad. Diskussionen baserad på resultaten drar slutsatsen att systemet inte kan anses vara helt automatiskt men reducerar behovet av manuell arbetskraft.

In a world with an ever growing population, the ability to grow food eciently is essential. One way to improve the eciency is by automation. The purpose of this project is therefore to investigate how the identification of a plant’s stage in its growth cycle that can be made autonomous. This was done with the method of measuring the amount of green pixels in an image of the plant. To be able to answer our research questions a demonstrator was built. The demonstrator is a greenhouse with a non regulated aeroponic system, a regulation system for humidity and an identification system for determining the plant growth stage. The plant chosen to test the identification system was basil. The identification system successfully identified the stage of plants well into the adult stage, in the seed stage and in the middle of the sprout stage. It was however not always successful in the identification of plants transitioning from the sprout stage into the adult stage. / I en värld med en ständigt växande befolkning är förmågan att odla mat effektivt nödvändig. En metod för att öka denna effektivitet är genom automatisering. Syftet för detta projekt är därför att undersöka hur identifieringen av en plantans stadie i dess växtcykel kan automatiseras. Detta gjordes genom att mäta antalet gröna pixlar i en bild av plantan. För att kunna svara våra forskningsfrågor byggdes en testmiljö. Testmiljön bestod av ett växthus med ett oreglerat aeroponiskt system, ett regulationssystem för luftfuktighet och ett identifikationsssystem för att avgöra en plantas stadie i dess växtcykel. Plantan som valdes för att testa identifikationssystemet var basilika. Identifikationssystemet som togs fram kunde med framgång identifiera stadiet av en planta som är långt in i dess vuxna stadie, i förstadiet eller i mitten av dess groddstadie. Plantor som precis övergått från grodd till vuxet stadie blev däremot inte alltid identifierade korrekt.

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.

Hydroponics is a method of cultivating plants without the use of soil. Soil acts as a growth medium which gives plants stability, provides nutrients and allows roots to be kept wet without drowning. In hydroponics the soil’s functions are replaced by synthesized methods. Stability comes from a substrate (i.e. LECA, rockwool perlite).The 16 essential nutrients are solved in water which are distributed to plants’ roots by different techniques. To generate photosynthesis natural light is replaced by artificial light, especially red light in the proximity of 660 nm. Hydroponics has been used as a cultivation method for at least 2000 years. During the 20th century industrial applications became common since plastics allowed for complex systems engineering. The method also makes it possible to grow the same amount of crops with approximately 10% water usage and 25% of the area compared to conventional cultivation. During the past few years systems for home use has emerged but the product genre is still in its cradle. This master thesis covers a new conceptual design of a hydroponic home system. The project was carried out at Omecon AB in Stockholm as a consulting design project. Omecon AB is an engineering consultant agency within mostly mechanical construction looking to widen the competence base. Using a design process based on Human-Centered Design the project involved the stakeholders users, extreme users, Omecon AB, plant experts, electronics engineering and service as well as plastics design engineering. Additional/supplemental economical–, ecological– and social sustainability aspects has been considered during all phases of the process. By using the Human-Centered Design process the problem range is expanded from its initial state which results in a more complete end result. Common methodology altered with some unorthodox twists has been utilized throughout the project. The final result is a conceptual hydroponic system for home environment which is designed as an interior design product as well as a high-performance cultivation system. By using natural materials such as wood and steel the users expands its life span and thus mitigates the negative environmental impact. Another aspect which prolongs the products life span is the modular usage which lets users vary and choose their preferred settings. All manufactured materials included in the final concept were flow resources and the parts were engineered to be easily separable for future replacement and recycling. A new type of pot was invented along with a new way of adjusting the height-wise position of lamps. The aeroponic technique, which was applied to this concept, is generally considered to generate the largest plants and thus comprises higher performance compared to other home systems. The use of substrate was also eliminated which decreases continous material consumption within hydroponics. / Hydroponik är en metod för att odla växter utan jord. Jord i odling agerar som ett växtmedium som ger plantor stabilitet, tillför näringsämnen och tillåter rötter att vara i väta utan att dränka dem. I hydroponik ersätts jordens funktioner med syntetiska metoder. Stabilitet ges av ett substrat (t.ex. LECA-kulor, stenull eller perlit). De 16 essentiella näringsämnena löses i vatten och distribueras till plantors rötter med hjälp av olika tekniker. For att skapa fotosyntes ersätts naturligt ljus med artificiellt ljus. Speciellt rött ljus i närheten av 660 nm. Hydroponik har använts som odlingsmetod i åtminstånde 2000 år. Under 1900-talet blev industiella applikationer vanliga eftersom plast möjliggjorde tillverkling av komplexa system. Metoden tillåter även att odla samma mängd grödor med 10% av vattenmängden och 25% av ytan jämfört med konventionell odling. Under de senaste åren har system avsedda för användning hemma blivit vanligare men produktgenren är fortfarande ung. Det här examensarbetet täcker en ny konceptuell design av ett hydroponiskt system för hemmabruk. Projektet utfördes på Omecon AB i Stockholm som ett konsultarbete inom design. Omecon AB är en konsultfirma som mestadels är verksamma inom mekanikkonstruktion men de vill vidga sin kompetens. Genom användning av en designprocess som har baserats på Human-Centered Design har projektet involverat intressenterna användare, extrema användare, Omecon AB, växtexperter, en elektronikingenjör samt plastkonstruktion. Vidare har aspekter inom ekonomisk–, ekologisk– och social hållbarhet beaktats genom alla faser av processen. Via användning av Human-Centered Design-processen har problemrummet expanderats från den initiala utgångspunkten vilket resulterar i ett mer komplett slutresultat. Vanlig metodik varvat med okonventionella anpassningar har använts genom projektet. Slutresultatet består av ett konceptuellt hydroponiskt system för hemmabruk som är designat som en inredningsprodukt samt ett odlingssystem med hög prestanda. Genom användning av naturliga material som trä och stål förlänger användarna produktens livslängd och på så sätt förmildras den negativa klimatpåverkan. En annan aspekt som förlänger produktens livslängd är moduläriteten som låter användare variera och välja deras föredragna inställningar. Alla tillverkade material inkluderade i slutkonceptet var flödesresurser och delarna konstruerades så att de går lätt att separera för framtida ersättning och återvinning. En ny typ av kruka uppfanns tillsammans med ett nytt sätt att justera höjden av lamporna. Den aeroponiska tekniken, som används is konceptet, är allmänt ansedd att generera de största plantorna och innefattar därför högre prestanda jämfört med andra hydroponiska hemmasystem. Användning av substrat eliminerades också vilket minskar kontinuerlig materialkonsumption inom hydroponik.

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

This thesis is a product design and engineering master’s project that has been carried out in partnership with a swedish product design and greentech company. In this project, an array of data gathering and design methods were used with the goal of developing a modular solution for an indoor hydroponic micro-farm. The project also investigates the benefits and consequences of designing this type of product in this fashion. A secondary goal was set, as discovered through the research and analysis process. This goal was to investigate the possible impact that a self-sustaining microfarm has on the UX of growing plants and how it can be addressed. / Detta är en masteruppsats i produktutveckling och teknik som har utförts i samarbete med ett svenskt företag med fokus på grön teknologi. Projektet använder sig av flera typer av metoder för datainsamling och design för att ta fram en modulär lösning för en hydroponisk mikromiljö för inomhusbruk. Projektet undersöker vilka fördelar och eventuella konsekvenser en sådan typ av design för med sig. Under analysens gång har ett bimål tagits fram, nämligen att undersöka vilken möjlig påverkan en självdrivande mikromiljö har på användarupplevelsen av att ta hand om växter samt hur detta kan adresseras.

Food systems are considered one of the most important anthropogenic activities contributing to climate change. On the other hand, climate change influences the conditions for growth with more frequent droughts and heatwaves. This contradiction poses a significant challenge to future food systems, which need not only become more sustainable, but also increase its production to feed a growing population, as stated in both the United Nations Sustainable Development Goals, and the Swedish action plan on food. This has given rise to alternative ways of producing food, such as urban farming and, in particular vertical hydroponic farming, where food is grown indoors in a controlled environment with artificial lighting and with a minimum use of water and without pesticides. In this study, a vertical hydroponic farm located in Stockholm, Sweden, is examined using life cycle assessment in terms of environmental sustainability. The farm, located in a basement space, works together with the building in a symbiotic network, where the farm provides the building with excess heat from the lighting, and in turn obtains carbon dioxide from an office floor. The findings from the study show that electricity is a major contributor to the environmental performance of the farm, along with the infrastructure employed. The impacts of water use in the farm, is very low, along with the impacts associated with the delivery of the crops; illustrating the advantages of producing food locally. By substituting the synthetic fertilizers employed to biofertilizers, and by substituting the plastic bag material to renewable material, reductions in greenhouse gases are possible. The symbiotic development between the farm and the building is shown very beneficial to the farm, highlighting the importance of synergies between actors in urban areas. / Livsmedelsindustrin anses vara en av de största antropogena drivkrafterna bakom klimatförändringarna. Å andra sidan så förändrar klimatförändringar i sig förutsättningarna för hållbar odling, med mer frekventa torrperioder, extrem värme och extrem nederbörd. Denna konträra situation ställer stora krav på framtidens livsmedelsindustri, som dessutom måste producera mer mat för att mätta en ökande befolkning; ett åtagande som står angivet både i FN:s globala mål och i den svenska Livsmedelsstrategin. Många forskare menar att dagens livsmedelsindustri inte kommer klara denna omställning, och att alternativa metoder för att producera mat behövs. Urban odling har föreslagits som en del av lösningen, och i synnerhet vertikal hydroponisk odling där grödor växer inomhus i en kontrollerad miljö med artificiell belysning, låg vattenanvändning och utan bekämpningsmedel. Den här studien undersökte en vertikal hydroponisk odling i Stockholm, och bedömde dess miljömässiga hållbarhet med hjälp av en livscykelanalys. Odlingen, som sker i en källarlokal, samarbetar med den omslutande byggnaden i en urban symbios, där odlingen förser byggnaden med spillvärme från belysningen, och får i sin tur koldioxid från en kontorslokal. Enligt resultat från studien bidrar elektriciteten till den största miljöpåverkan, men även infrastruktur har stor påverkan. Vattenanvändningen i odlingen är däremot väldigt låg, och miljöpåverkan från leveransen av varorna är mycket låg, vilket belyser fördelarna med att odla mat lokalt. Odlingen kan bland annat minska sin miljöpåverkan genom att byta ut det nuvarande konstgödslet till biogödsel och genom att byta ut plastpåsarnas material till förnybar plast. Symbiosen mellan odlingen och byggnaden visade sig vara väldigt gynnsam, vilket vidare belyser vikten av samspel mellan olika aktörer i den urbana miljön.