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Bei der Aufzucht von Pflanzen im Gewächshaus ebenso wie in Innenräumen werden fortschrittliche technische Systeme verwendet, um die Umgebung möglichst exakt zu kontrollieren. Begriffe wie „Präzisionslandwirtschaft“ oder „Präzisionsgewächshaus“ sind längst gängige Bezeichnungen für Anlagen, in denen dank genauester Steuerung der Versorgung Nutzpflanzen von höchster Uniformität gezogen werden. Da das Pflanzenwachstum stark von Umwelteinflüssen abhängig ist, sind konstante Umgebungsbedingungen in diesem Zusammenhang entscheidend. Für die Einrichtung einer solchen präzisen und konsistenten Umgebung werden die Anbausysteme mit speziellen Technologien ausgestattet. Einige dieser Technologien, wie beispielsweise die von Microchip Technology, einem führenden Hersteller von Mikrocontrollern und vielen anderen Geräten, kommunizieren miteinander, um die nötige Abstimmung zu gewährleisten. Hierzu gehören beispielsweise Sensoren, IoT-Geräte (Internet of Things), Mikrocontroller (MCU) und LED-Leuchten. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie diese Technologien funktionieren und in kontrollierten Umgebungen zusammenarbeiten.

Sensoren

Sensoren erkennen Veränderungen in ihrer Umgebung und leiten sie an einen Mikrocontroller oder ein anderes Computergerät weiter. Diese Sensoren können verschiedene Umweltfaktoren wie die Lichtqualität, Lichtmenge, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, CO₂-Konzentration, Windgeschwindigkeit und Bodenfeuchte erkennen, die beim Präzisionsanbau eine entscheidende Rolle spielen. So muss beispielsweise die Lichtmenge ständig überwacht werden, weil das Licht einer der wichtigsten limitierenden Faktoren für das Pflanzenwachstum ist. Mithilfe von Sensoren können wir diese Faktoren quantifizieren und so die für ein optimales Pflanzenwachstum nötigen Anpassungen vornehmen. Ein Sensor arbeitet jedoch nicht allein, sondern gibt die erfassten Daten an ein IoT-Gerät, einen Mikrocontroller oder irgendeinen anderen Prozessor aus.

IoT

Das Internet der Dinge (IoT) sorgt für die Vernetzung alltäglicher Geräte mit dem Internet. Beispiele für die IoT-Technologie im Alltag sind etwa Smart-Home-Geräte wie „Ring“ und „Nest“. Das IoT trat erstmals 1982 in Form eines Cola-Automaten in Erscheinung, der seinen Bestand und die Temperatur der Getränke melden konnte, was zur damaligen Zeit ein absolutes Novum war. Seither hat die IoT-Technologie viele Innovationen und Fortschritte erlebt.

Das IoT spielt eine entscheidende Rolle in Präzisionslandwirtschaftssystemen, wo es Sensordaten empfängt und alle möglichen Informationen auf einem Computer oder Mobilgerät für den Landwirt bereitstellt. Dadurch können Landwirte fundiertere Entscheidungen treffen und das System per Funk fernsteuern, um seine Effizienz zu verbessern und die Ernteerträge zu maximieren.

Mikrocontroller

Mikrocontroller sind im Wesentlichen kleine Computer mit ähnlichen Komponenten wie ein normaler Rechner, die aufgrund ihrer geringeren Größe aber sehr vielseitig einsetzbar sind. In der Regel wird ein Mikrocontroller mit einer ganz bestimmten Aufgabe betraut, auf die er sich voll und ganz konzentrieren kann. Mikrocontroller stecken in Fernsehgeräten, Radios, Kühlschränken und zahllosen anderen Geräten, die wir in unserem Alltag nutzen. In einer kontrollierten Anbauumgebung können Mikrocontroller anhand der von Sensoren bereitgestellten Daten etwa LED-Wachstumslampen, Heiz- und Kühlgeräte oder Befeuchter eigenständig so regeln, dass die vorgegebenen Sollwerte eingehalten werden. So könnten sie beispielsweise die Zusatzbeleuchtung automatisch einschalten, wenn das natürliche Tageslicht für das Pflanzenwachstum nicht ausreicht, und bei Sonnenschein ausschalten, um Energie zu sparen. Auf diese Weise sorgt das System selbst für eine konsistente Anbauumgebung und der Landwirt kann sich auf andere Aufgaben konzentrieren.

LEDs

Der Einsatz von LEDs im Gartenbau trägt ebenfalls dazu bei, die Präzision und Effizienz der Anbausysteme zu steigern. LEDs weisen gegenüber herkömmlichen Glühlampen viele Vorteile auf: sie sparen Strom, halten länger, erzeugen kaum Wärme und beanspruchen deutlich weniger Platz. Da sie kleiner und kühler sind, können sie näher an den Pflanzen platziert werden, was die Dichte in der vertikalen Landwirtschaft maximiert und die Anbringung im Laub von Rebengemüsen wie Tomaten ermöglich. Zudem lassen sich LEDs dimmen und damit in IoT-Anwendungen mit Mikrocontrollern präzise steuern. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass unter Licht im roten und blauen Wellenlängenbereich wachsende Pflanzen den höchsten Ertrag erbringen, diese Farben also am effektivsten genutzt werden können. Obwohl Pflanzen auch bei Licht mit anderen Wellenlängen gedeihen, ist es demnach am effizientesten, den Energieeinsatz auf Wellenlängen zu konzentrieren, die den höchsten Ertrag versprechen – und dafür sind LEDs besonders gut geeignet. Im Übrigen haben LEDs dadurch, dass sie sich auf unterschiedliche Lichtverhältnisse abstimmen lassen, viele Untersuchungen und Erkenntnisse zum Pflanzenwachstum überhaupt erst möglich gemacht. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz von flackerndem Licht und mobilen LED-Leisten für die effektive, energiesparende und kostengünstige Beleuchtung von Pflanzen, die lange Tageslichtphasen benötigen. Auch wenn das Pflanzenwachstum noch weiter erforscht werden muss, wissen wir heute, dass jede Art bei anderem Licht ihren maximalen Ertrag erbringt und wir den jeweiligen Anforderungen mithilfe der flexiblen LEDs gerecht werden können. Nutzpflanzen haben also nicht nur ihren individuellen Nährstoffbedarf, sondern auch ihr individuelles optimales Lichtspektrum.

Fazit

Durch die Einbindung von Sensoren, Mikrocontrollern, IoT-Geräten und LEDs in Anbausysteme können wir die Umgebung mit höchster Präzision kontrollieren und so die Effizienz und den Ertrag im Gartenbau maximieren. Gemeinsam sorgen diese Technologien für eine konsistente Anbauumgebung, indem sie die Umweltbedingungen einer Pflanze erfassen, die Daten an angeschlossene Geräte senden und die Lichtstärke und -wellenlänge für das Pflanzenwachstum optimieren.