TSG-Rain

Eine moderne Beregnungssteuerung für Tennisanlagen

Hubert Högl | 15. Juli 2020 | Hochschule Augsburg | Fakultät für Informatik | E-Mail <Hubert.Hoegl@hs-augsburg.de>

Link: http://hhoegl.informatik.hs-augsburg.de/hhwiki/tsgrain

Tennisvereine, wie die Abteilung Tennis des Sportverein TSG Stadtbergen (Abb. 1) müssen ihre Plätze in den Sommermonaten regelmässig bewässern, damit der Sandbelag die guten Spieleigenschaften behält. Die meisten Anlagen haben dazu je Platz vier Sprinkler installiert, die durch eine elektronische Steuerung entweder auf Tastendruck oder automatisch nach bestimmten Zeitvorgaben, z.B. in der Nacht, aktiviert werden.

[Abb. 1] Die Tennisanlage des TSG Stadtbergen mit sieben Plätzen.

Wir (ich bin seit ein paar Jahren Mitglied) hatten bis vor Kurzem eine Beregnungssteuerung für unsere sieben Plätze, die noch aus den frühen achtziger Jahren stammte, aus der Hoch-Zeit des Tennis-Booms. Vermutlich haben noch viele Tennis-Vereine solche Steuerungen, die langsam aber sicher den Geist aufgeben und die wegen der veralteten Bauteile kaum mehr repariert werden können.

Da Steuerungen (modern „Embedded Systems“) zu meinem Aufgabenbereich an der Hochschule Augsburg gehören, begann ich im Herbst 2019 mit der Planung einer Beregnungssteuerung nach dem aktuellen Stand der Technik. Die wesentlichen Ideen, die mir vorschwebten, waren:

• Minimalistischer Entwurf für die manuelle Steuerung über Tasten.

• Komplexere Funktionen wie die Programmierung der Zeitsteuerung sollen per Smartphone möglich sein.

• Verwendung preiswerter Bauteile die sich in der Maker Community in den letzten Jahren etabliert haben. Als Steuerungsrechner soll ein „Raspberry Pi 3“ unter Linux verwendet werden.

• Der Aufbau soll modular sein, so dass das Konzept auch auf andere Tennisanlagen mit mehr oder weniger Plätzen anwendbar ist.

• Die Software soll in der gut verständlichen high-level Sprache Python programmiert werden, so dass sie gut wartbar ist.

• Bei Bedarf sollten mechanische Teile in unserem Fablab (https://fablab.hs-augsburg.de) gefertigt werden.

Mit diesen und noch ein paar detaillierteren Vorgaben wurde die Aufgabe im Rahmen einer Bachelorarbeit von Herrn Christian Graber im Wintersemester 19/20 umgesetzt.

In der Abb. 2 sieht man das Äussere der entstandene Steuerung. Für jeden Platz gibt es einen Taster, mit dem die Beregnung für eine bestimmte einstellbare Zeitdauer, z.B. 5 Minuten, gestartet werden kann. Das sind die sieben Taster rechts, der abgesetzte achte Taster links hat eine Sonderfunktion, die hier nicht von Bedeutung ist.

[Abb. 2]

Neben den manuellen Tastern gibt es eine weitere Schnittstelle zum Anwender, die über Web-Technologien auf dem Smartphone oder PC realisiert ist. Die Steuerung in Abb. 2 enthält dazu einen WiFi Access-Point, mit dem man sich von einem Smartphone, Tablet oder PC aus verbindet.

Die Abb. 3 zeigt die wesentlichen vier Bildschirmmasken zur Bedienung über das Web.

(1) Die Plätze können über das Smartphone manuell beregnet werden, genau so, wie das auch über die manuellen Tasten möglich ist.

(2) „Beregnungsaufträge“ werden programmiert, d.h. an bestimmten Tagen können ab einer bestimmten Uhrzeit Plätze automatisch beregnet werden.

(3) Vorhandene Beregnungsaufträge werden angezeigt.

(4) Einstellungen werden vorgenommen.

[Abb. 3]

Im Schaltschrank in Abb. 4 sieht man die eingebaute Steuerung. Auf der linken Seite ist noch die alte Steuerung zu sehen, die jedoch nicht mehr in Betrieb ist und bald abgebaut werden wird. Man beachte den deutlichen Unterschied im Bedienkonzept: Auf der linken Seite gibt es sehr viele Schalter, so dass die Bedienung für den gewöhnlichen Anwender nur schwer zu verstehen ist. Auf der rechten Seite befindet sich nur das absolut Nötige auf der Frontplatte, der Rest ist in die Web-Schnittstelle gewandert.

[Abb. 4]

Die technisch Interessierten sehen in Abb. 5 noch das Innenleben der Steuerung. Die Bauteile kosten insgesamt (mit Gehäuse) in etwa 250 bis 300 Euro.

[Abb. 5]

Fazit

Die Beregnungssteuerung ist seit Mai 2020 erfolgreich bei der Tennisabteilung des TSG Stadtbergen im Probebetrieb. Durch das minimalistische Konzept der manuellen Bedienung kommen die meisten Tennis-Spielerinnen und -Spieler sehr gut intuitiv damit zurecht. Ein eingeschränkter Personenkreis (Platzwarte) bedient die Steuerung über die Web-Schnittstelle auf dem Smartphone und kann damit automatisch ablaufende Beregnungsaufträge eingeben. Die Reichweite des WLAN der Steuerung deckt die ganze Tennisanlage mit den sieben Plätzen ab, deshalb kann bei Reparaturarbeiten an Sprinklern direkt am Ort des Sprinklers testweise die Beregnung eingeschaltet werden. Sollte die Tennisanlage eine Verbindung mit dem Internet haben, dann kann auch aus der Ferne auf die Beregnungssteuerung zugegriffen werden.

Die Software ist unter der Apache Lizenz frei verfügbar, siehe https://github.com/huberthoegl/tsgrain.

Durch den moderaten Preis und durch die Anpassbarkeit an individuelle Anforderungen könnte diese Steuerung durchaus auch für andere Vereine von Interesse sein.

Geplante weitere Arbeiten an der Hochschule Augsburg

• Messung der Bodenfeuchte auf den Plätzen und drahtlose Rückmeldung an die Steuerung. Als mögliche Funktechniken sollen Bluetooth 5, Zigbee und LoRa evaluiert werden. Mit der Feuchtemessung könnte die Beregnung autonom bei zu trockenem Boden ausgelöst werden.

• Überwachung der Sprinkler auf ihre richtige Funktion und drahtlose Rückmeldung an die Steuerung. Die Grundidee ist, den Schwenkvorgang bei den Sprinklern mit Hilfe eines Beschleunigungssensors zu erfassen und eine Festsetzung (Pfützenbildung) zu verhindern.

Teileliste

• Raspberry Pi 3 (bei Reichelt ca. 34 Euro)

• 5V Netzteil für den RPi 3. Wir haben das Mean Well MDR-20-5 Hutschienen-Netzteil (DIN-Rail) 5 V/DC 3 A 15 W verwendet (bei Conrad Elektronik ca. 15 Euro).

• Trafo mit 24 V Wechselspannung, ca. 100 Watt. Der Trafo liefert bei uns die Spannung für die Magnetventile. Ein Magnetventil benötigt etwa 24 Watt Leistung, wieviel Watt der Trafo liefern soll hängt also ab davon, wie viele Magnetventile man gleichzeitig aktivieren möchte. Unser Trafo ist von der Firma Elma TT, https://www.transformatoren.at.

• Port Expander Modul mit MCP23017 (az-delivery.de). Bei Amazon gibt es das „Waveshare MCP23017 IO Expansion Board I2C Interface“, das ca. 10 Euro kostet. Alle Tasten, LEDs und Ventile werden über diese Expander gesteuert. Je nachdem, wie viele Plätze zu beregnen sind, braucht man einen, zwei oder noch mehr dieser Expander (wir haben sieben Plätze und benötigen zwei Stück).

• DS3231 RTC Modul (az-delivery.de oder adafruit.com, ca. 5 bis 10 Euro)

• Relais Modul mit 8 oder 16 Kanälen, je Kanal ein Opto-Koppler (az-delivery.de, ca. 8 bis 16 Euro)

• Für die Handsteuerung benötigt man für die sieben Plätze sieben Kippschalter (EIN-AUS-EIN), z.B. von Pollin oder Reichelt.

• Auf der Frontplatte sind sieben grosse Taster für die Plätze, sieben einfarbige LEDs, ein Taster für die Funktion „Automatik-Aus“ und eine dreifarbige Status-LED (Reichelt, z.B. LED LL 5-8000RGB RGB-LED; auch bei Pollin).

Ansonsten benötigt man noch ein Kunststoff-Gehäuse, am besten mit Klappdeckel (ca. 70 Euro). Die Montage der Teile und die Verdrahtung muss man selber gemäss den eigenen Anforderungen erledigen.