Modernisierung einer Zeitsteuerung zur Tennisplatzbewässerung

Hubert Högl, Oktober 2019, <Hubert.Hoegl@hs-augsburg.de>

Die Idee

Die Zeitsteuerung „EDSt 1008“, die man in der roten Box im Schaltschrank sieht, soll im Rahmen einer Bachelorarbeit durch eine modernere Lösung ersetzt werden, so dass die Einstellungen zur automatischen Bewässerung (Zeitfenster) über eine Web-Oberfläche gemacht werden können. Das neue Bedienfeld für die Zeitsteuerung würde wesentlich weniger Bedienknöpfe enthalten und wäre dadurch einfacher zu bedienen und weniger empfindlich für Störungen.

Ein Vorschlag für ein neues Bedienfeld: Im Schaltschrank gibt es statt der „EDSt 1008“ dann nur noch ein Bedienfeld mit sieben stabilen mechanischen Tastern. Jeder Taster startet beim Drücken die Beregnung eines Platzes, bei nochmaligem Drücken hört die Beregnung sofort auf. Über jedem Taster ist eine LED, die zur optischen Rückmeldung dient. Es kann immer nur ein Platz beregnet werden, d.h. solange ein Taster aktiviert ist, sind die anderen nicht aktivierbar.

Vergleich altes/neues Bedienteil

Es sollte eine maximale Beregnungsdauer über die Web-Oberfläche einstellbar sein, die bei manueller Beregnung nicht überschritten werden kann (z.B. 15 Minuten). Das soll vorbeugen, wenn jemand vergisst, die manuelle Beregnung wieder abzuschalten.

Über einen Stufenschalter wird die Steuerung in einen von drei Zuständen gebracht:

• „aus“ – Anlage ausgeschaltet

• „man“ – manuelle Steuerung, d.h. automatische Zeitprogramme sind ausgeschaltet

• „auto“– automatische Zeitprogramme sind eingeschaltet

Sowohl im Zustand „man“ als auch im Zustand „auto“ kann man über die Tasten die manuelle Beregnung aktivieren.

Eine einzelne Status-LED, z.B. in der Farbe grün, sollte anzeigen, ob die Zeitsteuerung insgesamt im betriebsbereiten Zustand ist (noch nicht im Bild eingezeichnet).

Das neue Bedienteil wird im Inneren im wesentlichen aus einem preiswerten Einplatinencomputer bestehen, z.B. einem Raspberry Pi . Dieser Rechner übernimmt sowohl die Kontrolle der manuellen Steuerung (Tasten auf Frontplatte), als auch den Teil mit der Web-Oberfläche. Zur Auslieferung der Webseiten läuft auf dem Rechner ein Web-Server. Damit die Zeitsteuerung über einen Web-Browser bedient werden kann, muss der Rechner in einem lokalen Netzwerk erreichbar sein. Hier sind mehrere Möglichkeiten denkbar:

• Die Zeitsteuerung könnte einen eigenen WiFi Accesspoint anbieten, über den die Einstellungen vor Ort vom Smartphone aus erfolgen.

• Das Bedienteil zur Zeitsteuerung wird mit dem PC im Vereinsheim verbunden, der für die Platzreservierung verwendet wird. Auf diesem PC läuft bereits ein Web-Browser, der zur Bedienung vor Ort verwendet wird. Über einen Link könnte auch die Zeitsteuerung hier aufrufbar sein. Die Verbindung von PC und Zeitsteuerung könnte über ein Netzwerkkabel oder über WiFi erfolgen.

• Ob die Zeitsteuerung auch von aussen über das Internet erreichbar sein wird, ist noch offen. Wünschenswert wäre es, da man dann die Beregnung auch von zu Hause aus steuern könnte. Bisher hat das Vereinsheim aber keinen eigenen Internetanschluss. Der PC zur Platzreservierung stellt zwar intern eine Internetverbindung her, jedoch steht dieser Anschluss nicht zur freien Verwendung zur Verfügung. Ob das prinzipiell möglich wäre, sollte mit den Machern der Platzreservierung besprochen werden.

Aktueller Stand 25. Januar 2020

Bedienmöglichkeiten

Die neue Steuerung kann auf zwei verschiedene Arten bedient werden. Der Anwender M bedient die Steuerung über das Bedienteil manuell. Der Anwender S bedient die Steuerung über eine WiFi Verbindung drahtlos mit dem Smartphone.

Die verschiedenen Bedienmöglichkeiten der Steuerung.

Anwender M

• Jemand der auf der Anlage spielen möchte kann am Bedienfeld durch Drücken eines Tasters einen Platz bewässern. Sonst gibt es am Bedienteil keine weiteren Funktionen. Siehe weiter unten den Abschnitt über das Bedienteil.

Anwender S

In der Steuerung ist ein WiFi Access Point eingebaut, der z.B. mit der SSID TSGTennis auf dem Smartphone sichtbar ist. Nachdem man das Smartphone mit diesem Hotspot verbindet (ein WPA2 Passwort ist nötig), startet man einen Web-Browser und gibt den Link http://tennis.pi ein. Danach landet man auf der Website der Beregnungssteuerung. Nur damit kein Missverständnis aufkommt: Nachdem man sich mit dem Hotspot verbindet, hat man nur eine lokale Verbindung vom Smartphone zum Steuerungsrechner. Das Smartphone meldet also: „Verbindung hergestellt, jedoch keine Verbindung zum Internet“. Sollte irgendwann in der Zukunft im Tennisheim ein Internet-Anschluss vorhanden sein, dann könnte man den Steuerungsrechner auch so einrichten, dass man ihn von aussen über das Internet erreicht.

• Der Anwender S kann bei jedem Platz die Beregnung starten, genauso wie das auch manuell am Bedienteil möglich ist.

• Der Anwender S kann die Zeitsteuerung einstellen, aktivieren und auch wieder ausschalten.

• Der Anwender S kann Einträge im Konfigurationsmenü ändern.

Allgemein muss man sich Gedanken machen, wer über das Smartphone welche Funktion durchführen darf. Man könnte ganz restriktiv sein und sagen, dass nur bestimmte Leute wie der Platzwart als Anwender S in Frage kommen. Oder man könnte bestimmte Funktionen, wie z.B. das Konfigurationsmenü, über einen Zugangscode schützen, so dass nicht jeder Änderungen vornehmen kann.

Siehe weiter unten auch die Abschnitte Web-Schnittstelle und Reichweite.

Bedienteil

Die aktuelle Planung der Bedienung der Beregnungssteuerung im Schaltschrank sieht nun ziemlich minimalistisch aus. Es gibt für jeden der sieben Plätze einen Taster (zum Drücken, wie der Startknopf bei einem modernen Auto). Spieler, die einen Platz beregnen wollen, gehen zu dem Kasten und drücken auf den gewünschten Taster. Daraufhin startet die Beregnung. Die LED über dem Taster beginnt zu leuchten. Die Beregnung endet automatisch nach einer konfigurierbaren Zeit, z.B. 5 Minuten, wenn man keine weitere Aktion mehr macht. Wenn man innerhalb der 5 Minuten jedoch wieder auf den Taster drückt, hört die Beregnung sofort auf. Die LED erlischt, wenn die Beregnung aufhört. Sollte der Platz länger als 5 Minuten bewässert werden, dann muss man die Taste nach Ablauf der Zeit erneut drücken.

Aktuelle Planung der Bedienelemente.

Bei der alten Steuerung konnte man maximal zu einer Zeit einen Platz beregnen. Ob man mehrere Plätze auf einmal beregnen kann hängt von zwei Faktoren ab: 1) Reicht der Wasserdruck (es gibt nur eine Pumpe), und 2) hat die Ansteuerung der Magnetventile genug Leistung. Bei der alten Steuerung ist die Leistung zur Ansteuerung der Magnetventile auf eine bis allerhöchstens zwei beschränkt, bei der neuen Steuerung können maximal vier Ventile zur gleichen Zeit eingeschaltet sein. Allerdings ist die Sache mit dem Wasserdruck erst durch einen Test feststellbar.

Sollte sich herausstellen, dass man mehr Plätze auf einmal beregnen kann, dann wird die Steuerung erlauben, dass man mehrere Taster zur gleichen Zeit drückt. Die Konfiguration der Steuerung erhält einen Zahlenwert, der die maximale Anzahl ausdrückt. Wenn diese Zahl erreicht ist, kann man keinen weiteren Platz mehr beregnen. Das ist erst wieder möglich, wenn die Beregnung von einem oder mehreren Plätzen aufgehört hat.

Die neue Steuerung kann auch ein Zeitprogramm abspielen, so dass mehrere Plätze nacheinander für eine bestimmte Zeitspanne beregnet werden (z.B. über Nacht). Das Zeitprogramm wird über die drahtlose WiFi-Schnittstelle über das Smartphone eingestellt und aktiviert. Gelegentlich kommt es vor, dass die automatische Beregnung aktiv ist, z.B. am Vormittag, wenn Besucher der Tennisanlage spielen wollen. Man hat nun jedoch als normaler Anwender (ohne Smartphone) bei der neuen Steuerung nicht mehr die Möglichkeit, am Bedienfeld wie bei der alten Steuerung die Zeitautomatik zu beenden. Die „Auto-Aus Taste“ ist genau die Taste, die man drücken müsste, um die automatische Beregnung für eine bestimmte Zeitspanne, z.B. 1 Stunde, zu unterbrechen. Nach der Stunde würde die automatische Beregnung wieder loslaufen. Die Zeitspanne ist ein Konfigurationswert, den man in der Web-Schnittstelle einstellen kann.

Die Status LED zeigt an, dass die Steuerung funktionsfähig ist.

Viele der bei der alten Steuerung vorhandenen Bedienelemente fallen bei der neuen Steuerung weg. Zum Beispiel kann man die aktuelle Uhrzeit der Steuerung nicht mehr ablesen und manuell stellen. Sollte die Uhr im Steuerungsrechner abweichen, dann kann man die Uhrzeit über die Web-Schnittstelle vom Smartphone aus einstellen.

Versteckte Bedienelemente:

Es gibt einen Ein/Aus-Schalter, der irgendwo versteckt am Gehäuse angeordnet ist, so dass er nicht versehentlich betätigt werden kann. Die Steuerung ist in den Sommermonaten dauerhaft angeschaltet, nur in der Winterpause wird die Steuerung abgeschaltet.

Es gibt im Inneren des Steuerungsgehäuses auch eine „Handsteuerung“. Das sind sieben Schalter, mit denen man auch ohne einen Steuerungsrechner manuell die Pumpen ein- und ausschalten kann. Sollte es den Notfall geben, dass der Steuerungsrechner (Raspberry Pi 3) unerwartet ausfällt, dann kann man ihn entfernen und trotzdem die Plätze über die Handsteuerung noch beregnen.

Gehäuse und Installation

Der Aufbau der neuen Steuerung wird ähnlich wie bei der alten Steuerung sein. Es wird alles in einem Kunststoff-Gehäuse enthalten sein, mit einem Anschluss für die Netzspannung 220V, und einer Anschlussleiste für die einzelnenen Drähte, die zu den Magnetventilen gehen. Da hier also bei der Verschaltung keine grossen Änderungen sind, könnte man auch wieder die alte Steuerung anschliessen und betreiben.

Allerdings wird das Gehäuse der neuen Steuerung grösser und schwerer sein. Das grössere Gewicht und Volumen kommt hauptsächlich durch den etwa 2 Kilogramm schweren Trafo, der für die Versorgung von maximal vier Magnetventilen nötig ist.

Im Rahmen der Erneuerung der Steuerung soll auch der Schaltschrank etwas entrümpelt werden, z.B. soll das relativ grosse Steuerungsgehäuse der nicht mehr betriebenen Funkuhr im Schaltschrank entfernt werden (im Bild ganz oben rechts von der alten Steuerung). In den Schaltschrank muss auch eine stabile Befestigungsmöglichkeit für die neue Steuerung eingebaut werden, z.B. ein Metallrahmen mit Befestigungsschienen bzw. Hutschienen.

Web-Schnittstelle

Am Smartphone bedient man die Steuerung über einen Web-Browser. Der Prototyp wird einen ganz einfachen Aufbau haben. Es gibt ein Menü mit drei Einträgen:

Beregnen |  Zeitsteuerung | Einstellungen

Unter Beregnen sieht es etwa so aus:

Platz 1 [.]
Platz 2 [.]
...
Platz 7 [.]

Wenn man auf einen der Taster [.] drückt, erreicht man das gleiche, wie wenn man manuell auf einen der Taster auf dem Bedienteil drückt.

Die Zeitsteuerung ist im einfachsten Fall so:

Beginn Datum _________  Uhrzeit __________
Ende   Datum _________  Uhrzeit __________
Dauer  ________ Minuten
Platz  [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

[Start] [Stop]

Die Dauer ist die Zeit in Minuten, die ein Platz beregnet wird. Danach geht es zum nächsten Platz. Welche Plätze abwechselnd beregnet werden sollen, stellt man durch Drücken der Schalter [1] bis [7] ein.

Einige Einstellungen sind:

Manuell Dauer  __5___  Min.
Auto-Aus       _60____ Min.
Uhrzeit Pi 3   _______ hh:mm
...

Das ist erst mal das Nötigste. Die Web-Schnittstelle ist relativ schnell programmiert, so dass man auch leicht Änderungen machen oder neue Funktionen hinzunehmen kann. Wenn z.B. die Platzbaufirma einen Platz so lange, wie sie will (z.B. 1 Stunde) dauerhaft beregnen möchte, dann könnte man einen Menüeintrag machen, der je Platz einen dauerhaften Ein/Aus Schalter hat. Wer also hier Ideen hat, kann diese gerne einbringen.

Reichweite

Ich habe heute den Steuerungsrechner Raspberry Pi 3 mit einer Stromversorgung in das Holzregal beim Eingang zum Tennisheim gelegt und durch Herumwandern mit dem Smartphone ungefähr gemessen, wie weit die Reichweite des Access-Point im Pi 3 ist.

Zur Reichweitenmessung war der Raspberry Pi 3 als Access-Point (Hotspot) konfiguriert. Die Stromversorgung erfolgte aus der weissen USB Powerbank.

Die Reichweite war überraschend gut. Der Empfang war auf allen Plätzen möglich, auch bis in die Ecken bei Platz 7 und 4. Auch ausserhalb der Anlage war einige Meter hinter dem Zaun noch ein Empfang möglich. Es funktioniert z.B. noch beim Beach-Volleyballplatz, an der Strasse nach Leitershofen (schwach) oder bei den Glascontainern auf dem Parkplatz. Vor dem Vereinsheim auf dem Parkplatz ist der Empfang auch noch gut. Wenn der Pi 3 dann später im Schaltschrank verbaut ist, hängt es sicher davon ab, ob die Metalltür geschlossen oder offen ist. Insgesamt sieht es jedoch gut aus, dass man mit dem Smartphone in einem grossen Bereich auf der Anlage die Beregnung bedienen kann.

Nachtrag zur Reichweite: Die Messung hatte ich im Winter gemacht, die Temperaturen waren um ein paar Grad über Null. Jetzt haben wir Juni, die Temperaturen liegen um die 20 Grad und die Reichweite des WLAN ist spürbar gesunken. Mögliche Gründe sind die geänderte Vegetation und die höhere Luftfeuchtigkeit, beide führen zu einer grösseren Absorption der WLAN Signale.

Aktueller Stand 9. März 2020

Das Gehäuse der neuen Beregnungs-Steuerung. Ganz links ist der Taster zur befristeten Deaktivierung der Automatik. Darüber ist eine Status-LED, die den Betriebszustand in den Farben grün, rot und gelb signalisiert. Die weiteren sieben Tasten starten die manuelle Beregnung für eine bestimmte konfigurierbare Zeit, z.B. 5 Minuten. Über jeder Taste befindet sich eine LED, die anzeigt, ob die Beregnung gerade läuft. Die Beschriftung der Frontplatte fehlt noch.

Das Gehäuse der Beregnungs-Steuerung kann mit Hilfe eines üblichen Dreieck-Schlüssel geöffnet werden. Der Deckel klappt dann nach oben auf und bleibt dort.

Das Innere der neuen Beregnungs-Steuerung. Unten links ist ein schmales Netzteil für den Steuerungsrechner. Der graue Block daneben mit den orangen Klemmen ist der Transformator für die Magnetventile. Unten rechts die blauen Kästchen sind die Relais für die Magnetventile. Auf der rechten Seite sieht man sieben waagrecht angeordnete Schalter. Das ist die Handsteuerung, mit deren Hilfe man die Beregnung auch im Notfall aktivieren kann. Sie funktioniert auch wenn z.B. der Steuerungsrechner (Raspberry Pi links oben) z.B. für Wartungsarbeiten ausgebaut sein sollte.

Ursprünglich war geplant, dass die Handsteuerung durch ein verschliessbares Fenster in der Frontplatte bedient werden soll. Nachdem ein passendes, mit Schlüssel zu öffnendes stabiles Gehäuse gefunden wurde, wurde der ursprüngliche Plan nicht weiter verfolgt. Prinzipiell hätte man aber immer noch diese Option, da die Befestigung der Schalter durch 3D-Druck beliebig hoch gedruckt werden kann. Allerdings müsste man dann noch eine Öffnung in das Gehäuse machen und eine Verschliessvorrichtung konstruieren.

Installation im April 2020

(Nachtrag Juni 2020) Die folgende Abbildung zeigt noch die finale Installation im Schaltschrank, die im April 2020 gemacht wurde. Die alte Steuerung auf der linken Seite könnte noch im Notfall reaktiviert werden, sollte die neue Steuerung wieder erwarten doch nicht richtig funktionieren. Soweit kam es aber zum Glück noch nicht:

Fotos der Web-Schnittstelle (Python Flask mit W3.CSS)

• Manuelle Beregnung http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/pub/zst/web-ui-5.jpg

• Auftrag hinzufügen http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/pub/zst/web-ui-4.jpg

• Bestehende Aufträge http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/pub/zst/web-ui-1.jpg

• Konfiguration http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/pub/zst/web-ui-3.jpg