DE102009031734A1

DE102009031734A1 - Bewässerungsverfahren und Bewässerungsvorrichtung zur Bewässerung von Flächen mit Hilfe von vergangenen, aktuellen und wahrscheinlichkeitsberechneten zukünftigen Bewässerungsparametern

Info

Publication number: DE102009031734A1
Application number: DE200910031734
Authority: DE
Inventors: Heino Brose; Hans Fleischmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-04
Filing date: 2009-07-04
Publication date: 2011-01-13

Abstract

Gängige Bewässerungsvorrichtungen und -verfahren berücksichtigen nur unzureichend den eigentlichen Feuchtigkeitsbedarf der Pflanzen und die im Mikroklima vorherrschende Wasserbilanz. Das neue Bewässerungsverfahren analysiert den vergangenen, aktuellen und zukünftig vorherrschenden Wasserhaushalt, ermittelt anhand des lokal vorherrschenden Mikroklimas den Feuchtigkeitsbedarf der Pflanzen und versorgt die Pflanzen mit der notwendigen Mewnge an zusätzlichem Wasser unter gleichzeitiger Einsparung der ökologischen Ressourcen Wasser und Energie. Die neue Bewässerungsvorrichtung wird via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices an das Internet angebunden. Das neue Bewässerungsverfahren besteht aus den Verfahrensschritten: a. Konfiguration, Einstellung und Speicherung der Bewässerungsvorrichtung und der Bewässerungsparameter b. Ermitteln und Speichern der aktuellen Werte der Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- oder Klimaparameter c. Prognostizieren der wahrscheinlichsten zukünftig vorherrschenden Werte der Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- und Klimaparameter d. Berechnung des Feuchtigkeitsbedarfs der Vegetation, des Feuchtigkeitsbedarfs des Bodens und der Bewässerungsparameter e. Bereitstellen der Bewässerungsparameter insbesondere über elektronische und telekommunikative Datenübertragungsservices f. Übermitteln der Bewässerungsparameter an die Bewässerungsvorrichtung g. Bewässerung der Bewässerungsfläche durch eine Regelung oder Steuerung ...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bewässerungsverfahren und Bewässerungsvorrichtung zur Bewässerung von Flächen mit Hilfe von vergangenen, aktuellen und wahrscheinlichkeitsberechneten zukünftigen Bewässerungsparametern.
zum Steuern oder Regeln einer Bewasserungsvorrichtung für Flächen oder Grundstücke mit Hilfe von vergangenen, aktuellen und wahrscheinlichkeitsberechneten zukünftigen Werten von Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- und/oder Klimaparametern.
Die heute gängigen Bewässerungsverfahren und Bewässerungsvorrichtungen kann man in 3 Generationen einteilen.
Die Bewässerungsvorrichtungen der 1. Generation bestehen aus einem Sprenger, welcher über eine Pumpe durch einen Brunnen oder Wasseranschluss die Bewässerungsfläche mit Wasser versorgt.
Nachteilig hierbei ist die manuelle Steuerung von Beregnungszeit und Dauer. Der optimale Wasserhaushalt ist kaum regulierbar. Die Gefahr sowohl der Überbewässerung durch unerwarteten Regen oder Bedienfehler als auch der Unterwässerung, z. B. durch ausfallende Beregnungszeiten, ist sehr hoch. Dadurch können Schäden an der Vegetation entstehen.
Das wichtigste zusätzliche Merkmal der Bewässerungsvorrichtung der 2. Generation ist die Steuereinheit, welche sowohl die Pumpe als auch die Magnet- oder Durchflussventile elektronisch ansteuern kann. Die Steuerung findet meist durch Einstellung von zyklisch wiederkehrenden Zeitbereichen zur Beregnung statt. Dadurch besteht die Gefahr einer Überwässerung bei Regen.
Bei Bewässerungsvorrichtungen der 3. Generation werden zusätzliche Sensoren, wie z. B. Bodenfeuchtesensor, Durchflusssensor und Wetterstation, zur Ermittlung von Informationen zu dem herrschenden lokalen MikroKlima genutzt. Diese Sensoren liefern Istwerte. Dadurch entsteht ein Regelkreis. Auf geänderte Prozessparameter kann reagiert werden. Es findet jedoch keine Analyse der Prozessparameter bezüglich zukünftig vorherrschender Werte statt. Dadurch werden zukünftige Wetterlagen mit Regen das Mikroklima nachträglich negativ beeinflussen. Da keine zusätzliche Berechnung des eigentlichen Feuchtigkeitsbedarfs der Pflanzen stattfindet, ist die Gefahr der Überwässerung immer noch gegeben.
In allen bisherigen Generationen von Bewässerungsanlagen werden die wahrscheinlichkeitsbasierten zukünftigen Zustände des Mikroklimas nicht berücksichtigt. Die Wachstumsparameter der Pflanzen nehmen ebenfalls keinen Einfluss auf die Steuerung oder Regelung der Bewässerungsanlage. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Wassermenge der zusätzlichen Beregnung nicht den Bedürfnissen der Pflanzen entspricht. Gleichzeitig wird der ökologische Wasserhaushalt negativ beeinflusst. Wasserressourcen werden bei Bewässerung und Regen unnötig verschwendet. Vor allem dann, wenn der Regen kurz nach der Bewässerung die Mengen an Wasser im lokalem Wasserhaushalt vergrößert.
Die in dieser Patentschrift beschriebene Erfindung repräsentiert die 4. Generation der Bewässerungsvorrichtungen. Durch eine Anbindung der Bewässerungssteuerung via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. an das Internet, entsteht ein geschlossener Regelkreislauf mit Regelmöglichkeiten, bei denen die Wachstumsparameter der Pflanzen und der zeitliche Zustand des Mikroklimas Einfluss nehmen. Die notwendige Wassermenge für das Pflanzenwachstum kann somit für jede Vegetationsstufe der Pflanze ermittelt, gespeichert und die Daten zur Bewässerung genutzt werden. Alle für die Regelung benötigten physikalischen und biologischen Größen können über Internetdienste bereitgestellt werden. Die Vegetationsparameter für ein optimales Pflanzenwachstum in Abhängigkeit vom lokalen Mikroklima werden als zusätzliche Regelgrößen benutzt. Darüber hinaus werden Erfahrungswerte sowie Wetterdaten und -prognosen ausgewertet und direkt zur optimalen Regelung verwendet. Zukünftig vorherrschende Zustände des Mikroklimas und des Feuchtigkeitsbedarf können ebenfalls zur Regelung herangezogen werden. Damit beeinflusst eine Wetterlage in der Zukunft (Regen) die Bewässerungsmenge. Dadurch können Wasserressourcen eingespart werden und eine Überwässerung der Pflanzen und des Bodens wird vermieden.
Die Einstellung und Parametrierung der Bewässerungsanlage kann via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet, erfolgen. Dadurch ist eine manuelle Bedienung der Steuereinrichtung nicht notwendig, kann jedoch für die klassischen Bewässerungsverfahren als Option erhalten bleiben.
Die Bewässerungsvorrichtung der Generation 4 ist unabhängig von zusätzlichen Sensoren in der Bewässerungsanlage. Die Regelung kann direkt und ausschließlich via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet, erfolgen oder durch zusätzliche oder vorhandene Sensoren unterstützt werden. Wobei zusätzliche Sensoren das Bewässerungsergebnis verbessern können. Zusätzlich besteht die Möglichkeit die Werte der vorhandenen Sensoren via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet, zu übertragen, damit diese plausibilisiert für die Bewässerungsparameter in der lokalen Region auch von anderen Bewässerungseinrichtungen genutzt werden können.
Bei vorhandenen Bewässerungseinrichtungen der Generation 2 oder 3 kann durch Austausch der Steuereinheit durch eine Steuereinheit der Generation 4 die gesamte Bewässerungsanlage auf eine Bewässerungsvorrichtung der Generation 4 geändert werden.
Die Ressource Wasser steht für eine Zusatzberegnung nicht unbegrenzt zur Verfügung. Vor allem in Dürreperioden und Dürreregionen gibt es gesetzliche Einschränkungen bei der Nutzung des Wassers. Gleichzeitig spielt das Wasser eine wesentliche Rolle bei der Bilanz der Nährstoffe im Boden. Zu viel Zusatzberegnung sorgt dafür, dass die im Boden eingelagerten wichtigen Nährstoffe gelöst und weggespült werden. Daher gibt es für eine Zusatzberegnung in der Landwirtschaft in einigen Bundesländern gesetzliche Anforderungen. Diese Anforderungen werden über einen Internetservice an die Bewässerungsvorrichtung der Generation 4 weitergegeben und können die vorhandenen Ressourcen an Wasser in Dürreperioden einschränken oder in landwirtschaftlichen Regionen budgetiert werden. Dadurch werden die gesetzlichen Bestimmungen bei der Zusatzberegnung erfüllt.
Eine Regelung besteht im Allgemeinen aus den Elementen Sollgröße, Störgröße, Istgröße und Stellgröße.
Die Sollgröße stellt den Zielzustand der Regelung dar. Im Zusammenhang mit einer Bewässerungseinrichtung ist die Sollgröße der von den Pflanzen vorgegebene Feuchtigkeitsbedarf, welcher von den Vegetationsparametern bestimmt wird.
Die Istgröße stellt den Ausgangszustand einer Regelungsanlage dar und wird in der Bewässerungsregelung von den Bodenparametern, vor allem der welcher Wassermengen, bestimmt.
Eine Störgröße beeinflusst die aktuellen Prozessgrößen regelmäßig und stellt die Istgröße des Regelungssystems ein. Im Fall der Bewässerungsregelung ist die Störgröße vorwiegend von den Klimaparametern abhängig. Vor allem der Feuchtigkeitsverlust, z. B. durch Verdunstung und Austrocknung, und der Feuchtigkeitszugewinn, z. B. Regen, stellen die größten Störgrößen dar.
Eine Stellgröße hat die Aufgabe, die Differenz zwischen Istgröße und Sollgröße zu minimieren. In der Bewässerungsregelung ist die Stellgröße die zusätzliche Bewässerung, welche durch die beschriebenen Bewässerungsparameter bestimmt wird.
Zur Bewässerungsregelung müssen in der ersten Phase die Sollgrößen der Bewässerung ermittelt werden.
Das Pflanzenwachstum basiert im Allgemeinen auf der Photosynthese. Die Photosynthese ist ein biochemischer Vorgang, bei dem Pflanzen mit Hilfe von lichtabsorbierenden Farbstoffen (meistens Chlorophyll) Lichtenergie in chemische Energie umwandeln. Üblicherweise werden Kohlendioxid und Wasser in die energiereiche organische Verbindung Traubenzucker und in Sauerstoff umgewandelt. Für den biochemischen Vorgang und für das eigene Wachstum benötigen die Pflanzen Nährstoffe, welche zum überwiegenden Teil aus dem Boden herausgelöst werden.
Die Photosyntheserate bestimmt die Menge an produziertem Sauerstoff und Glucose und ist proportional zum Wachstumsverhalten der Pflanzen.
Alle physikalischen und biologischen Faktoren und Parameter, die für das Wachstum der Pflanzen verantwortlich sind und die Photosyntheserate bestimmen, werden im Folgenden unter dem Begriff Vegetationsparameter zusammengefasst. Zu diesen Vegetationsparametern gehören vor allem die Vegetationsart, die Vegetationsstufe, die Bodenparameter, die Temperatur, die Lichtintensität, die Bodentemperatur, die Lufttemperatur und der Feuchtigkeitsbedarf.
Der Parameter Vegetation (V^Art) beschreibt die pflanzentypischen Wachstumsparameter. Jede Pflanzenart hat eigene biologische und chemische Wachstumscharakteristiken und stellt unterschiedliche Anforderungen an seine Vegetationsparameter, z. B. sind bei Sonnenpflanzen die Photosyntheserate und damit der Wasserbedarf höher als bei Schattenpflanzen.
Der Parameter Vegetationsstufe (V^Stufe) kennzeichnet die innerhalb der Lebensphase einer Pflanze unterschiedlichen Entwicklungsstufen vom Sämling, über den Keimling und die Jungpflanze bis hin zur ausgewachsenen Pflanze. In jeder Vegetationsstufe sind die Anforderungen der Pflanze an die Vegetationsparameter unterschiedlich.
Der Boden liefert den Pflanzen Wasser und alle wichtigen Nährstoffe für das Pflanzenwachstum.
Im Bodenparameter (B) werden die biologischen Größen wie die Bodenfeuchtigkeit, die Bodenart, die Bodenqualität, die Bodennährstoffe, die Bodenflora, die Bodenfauna, die Mikroorganismen, die Bodenfestigkeit, die Grundwasserlage, die Grundwasserhöhe und der PH-Wert zusammengefasst. Alle Werte sind abhängig von Standort, Lage und der Qualität des Bodens.
Das lokale Mikroklima hat einen wesentlichen Einfluss auf die Bodenparameter und wird daher zur Bestimmung der Bodenparameter herangezogen.
Die Temperatur (T) ist ein weiterer entscheidender Faktor für das Pflanzenwachstum. Das Optimum für die Photosynthese bei Sonnenlichteinstrahlung liegt zwischen 20 und 35°C. Über 36°C fällt die Photosyntheserate stark ab, bis sie bei ungefähr 50°C zum Erliegen kommt, was an der Degenerierung der beteiligten Enzyme liegt. Bei Temperaturen unter 5°C gehen die Pflanzen in eine sogenannte Winterstarre über. Die Photosynthese wird unterbrochen.
Die Intensität (L) des Sonnenlichts ist ein wesentlicher Faktor für die Photosynthese der Pflanzen. Das Chlorophyll setzt hauptsächlich langwelliges (rotes) und kurzwelliges (blaues) Licht in chemische Energie um. Die Photosynthese beginnt erst ab einem Schwellenwert der Strahlungsmenge, welcher bei Schattenpflanzen niedriger ist als bei Sonnenpflanzen, und hat bei ungefähr 230 W/m² ihr Optimum.
Wellenlänge und Strahlungsmenge des Lichts sind neben der Bewölkung und der Luftverschmutzung auch abhängig von Tages- und Jahreszeit.
Die optimale Wasserversorgung ist einer der wichtigsten Faktoren für das Pflanzenwachstum und so dem damit verbundenen Ertrag. Der Feuchtigkeitsbedarf (F^Vegetation) der Vegetation ist abhängig von der Vegetationsart (V^Art), der Vegetationsstufe (V^Stufe), der Bodenbeschaffenheit (B), der Umgebungstemperatur (T^Luft), der Bodentemperatur (T^Boden), der Lichtintensität (L) und der Luftfeuchtigkeit (F^Luft). Alle Vegetationsparameter sind zeitlich nicht konstant und ändern sich in starker Abhängigkeit voneinander. Durch die Abhängigkeiten von den verschiedenen Vegetationsparametern ist der Feuchtigkeitsbedarf einer Pflanze und einer Bewässerungsfläche nicht konstant und ist somit mathematisch eine zeitabhängige Größe.
Der Feuchtigkeitsbedarf (F^Vegetation) ist der Vegetationsparameter, welcher im Rahmen dieses Bewässerungsverfahrens den Sollzustand der Bewässerungsregelung darstellt und kann somit als Sollgröße (F^Soll) bezeichnet werden.
Der größte wetterbedingte Einfluss auf die Bewässerungsfläche ist das Mikroklima. Als Mikroklima werden die klimatischen Wetterbedingungen innerhalb eines lokal begrenzten Raumes bezeichnet. Dieses Mikroklima ist im Zusammenhang mit der Bewässerungsregelung von den Klima bestimmenden Parameter abhängig, welche im folgendem als Klimaparameter bezeichnet werden. Die wichtigsten Klimaparameter sind vor allem die Komponenten Feuchtigkeitsverlust und Feuchtigkeitsgewinn.
Die Sollgröße, der Feuchtigkeitsbedarf (F^Vegetation) wird von den Störgrößen, den Klimaparametern, im Mikroklima beeinflusst. Gleichzeitig wird durch die Störgrößen des Mikroklimas die Istgröße beeinflusst.
Der Niederschlag (F^Niederschlag) (auch Regen) ist die Komponente mit dem größten Feuchtigkeitsgewinn und bestimmt durch die seine Häufigkeit und Intensität das lokale Mikroklima wesentlich.
Als Niederschlagsmenge bezeichnet man die Menge an Niederschlagswasser innerhalb einer definierten Fläche. Die Niederschlagsintensität ist der Quotient aus Niederschlagsmenge und Zeit. Beide Größen variieren in Abhängigkeit von Standort und Jahreszeit und können nur mit überschaubarem Aufwand unsicher für einen längeren Zeitraum vorhergesagt werden. In unterschiedlichen Jahren und gleichen Klima- oder Ökozonen gibt es Schwankungen der Niederschlagsmenge und Niederschlagsintensität.
Negativ auf den Wasserhaushalt im Mikroklima wirkt sich die Verdunstung (F^Verdunstung) aus. Bei der Verdunstung wird Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt. Im gasförmigen Zustand wird das Wasser durch Windbewegung aus dem Einflussbereich des Mikroklimas bewegt. Das verdunstete Wasser steht der Vegetation damit nicht mehr unmittelbar zur Verfügung.
Die Verdunstungsmenge ist die Menge an Wasser, welche dem lokalen Mikroklima durch die Verdunstung entzogen wird. Sie ist Abhängig von Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Windstärke, Oberflächenbeschaffenheit und Vegetation.
Somit ergibt sich im Mikroklima die Wasserhaushaltsgleichung: ΔF^MikroKlima(t) = F^Niederschlag(t) – F^Verdunstung(t)
Die Bewässerungsregelung muss in der zweiten Phase aus der Störgröße die Istgröße ermitteln.
Die Istgröße (F^Ist) der Bewässerungsregelung stellt den Ausgangszustand einer Regelungsanlage dar und wird durch die Wasserbilanz der Bewässerungsfläche ermittelt.
Unter Bodenfeuchte (F^Boden) wird die Menge an Wasser verstanden, welche im Boden gespeichert ist. Sie entspricht der Istgröße (F^ist) der Bewässerungsregelung. Die Speicherung im Boden erfolgt durch die Einlagerung des Wassers in den gesamten Porenraum des Bodens. Da die Vegetation ihren Wasserbedarf vor allem aus den Wurzeln deckt, ist diese Wassermenge für das Pflanzenwachstum von entscheidender Bedeutung. Die Speicherkapazität des Bodens ist abhängig von der Bodenart, der Bodendichte, der Bodentemperatur und der Vegetation. Alle den Boden bestimmende Parameter werden im Folgenden als Bodenparameter bezeichnet.
Die Bodenfeuchtigkeit wird vom Grundwasser positiv und durch das Sickerwasser negativ beeinflusst. Somit gilt die Gleichung: ΔF^Boden(t) = –F^Sickerwasser(t) + F^Grundwasser(t)
Somit kann die vorhandene Istgröße (F^ist) zur Regelung der Bewässerungsvorrichtung wie folgt berechnet werden: F^Ist(t) = F^BodenNeu(t) = F^BodenAlt(t) ± ΔF^Boden(t) ± ΔF^MikroKlima(t) + F^Ausgleich(t)
Der Parameter F^Ausgleich beinhaltet einen Wert der durch die Bewässerungsvorrichtung der Generation 4 für den Ausgleich von möglichen Fehlprognosen und Fehldaten den errechneten Istzustand mit dem den tatsächlichen Istzustand des Systems abgleicht. Dazu werden in regelmäßigen Abständen die tatsächlichen Istwerte ermittelt, der Ausgleichsparameter berechnet und diese Informationen in die Berechnung des errechneten Istzustandes aufgenommen.
In eine Bewässerungsregelung muss in der dritten Phase die Stellgröße der Bewässerung ermittelt werden.
Die Menge an einer notwendigen Bewässerung ist die Differenz zwischen dem Feuchtigkeitsbedarf F^Vegetation(t) und der Bodenfeuchte F^Boden(t). F^Bewasserung(t) = F^Vegetation(t) – F^Boden(t)
Für die Regelung der Bewässerungseinrichtung bedeutet dies für die Beregnungsmenge F^Regel(t): F^Regel(t) = F^Soll(t) – F^Ist(t)
Wird für die Beregnungsmenge F^Regel(t) ein negativer Wert berechnet, darf die Vegetation nicht bewässert werden, da im Mikroklima genügend Wasser zur Verfügung steht.
Ist der Wert der Beregnungsmenge F^Regel(t) positiv, muss die Bewässerungseinrichtung den Wert der Beregnungsmenge F^Regel(t) durch eine Beregnung ausgleichen. Um die Beregnungsmenge F^Regel(t) in der Bewässerungsvorrichtung einstellen zu können, müssen die Bewässerungsparameter bekannt sein. Unter den Bewässerungsparameter versteht man alle Parameter, die die Bewässerungsanlage charakterisieren, z. B. Bewässerungsfläche, Bewässerungszeit, Bewässerungsdauer, Bewässerungsintensität und Wasserdurchflussmenge.
Abhängig von den Parameter Bewässerungsfläche und Bewässerungseinrichtung werden zu einer definierten Beregnungsmenge F^Regel(t) die Parameter Bewässerungszeit und Mauer eingestellt.
Die Istgröße, Sollgröße und Störgröße der Bewässerungsregelung sind zeitabhängige Großen. Bei diesen zeitabhängigen Regelungsgrößen ist es von Vorteil, wenn zukünftige Werte in die Berechnung der Regelungswerte einbezogen werden. Dadurch kann auf in der Zukunft liegende Ereignisse schon in der Gegenwart reagiert werden.
Am Effektivsten ist das Verfahren bei der Benutzung von automatischen Steuerungssystemen für Bewässerungsanlagen bei denen die Parameter über elektronische Übertragungsmedien an die Bewässerungsvorrichtung übertragen werden. Durch die Anbindung via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet, können die Informationen der Istgröße, Sollgröße oder Stellgröße weltweit automatisch übertragen werden.
Das in dieser Erfindung neue Bewässerungsverfahren wird in folgende Verfahrensschritte eingeteilt:

1) Konfiguration, Einstellung und Speicherung der Bewässerungsvorrichtung und der Bewässerungsparameter
2) Ermitteln und Speichern der aktuellen Werte der Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- oder Klimaparameter
3) Prognose der wahrscheinlichsten zukünftig vorherrschenden Werte der Bewässerungs-Boden-, Vegetations- oder Klimaparameter
4) Berechnung des Feuchtigkeitsbedarfs der Vegetation, des Bedarfs der Bodenfeuchtigkeit und der Bewässerungsparameter
5) Bereitstellen der Bewässerungsparameter insbesondere über Internet oder Telefonservices
6) Übermitteln der Bewässerungsparameter an die Bewässerungsvorrichtung
7) Bewässerung der Bewässerungsfläche durch eine Regelung oder Steuerung der

Bewasserungsvorrichtung mit Hilfe der übermittelten Bewässerungsparameter Der erste Schritt des Bewässerungsverfahrens ist die Konfiguration und Einstellung der Bewässerungsvorrichtung und der statischen Bewässerungsparameter. Dazu wird der lokale Standort ermittelt und als fester Parameter der Bewässerungssteuerung auf einem Server im Internet oder in der Bewässerungsvorrichtung selber gespeichert. Dadurch werden automatisch die lokalen Parameter für Boden und Wetterlage und Prognosen geladen, dem Nutzer zugeordnet und gespeichert. Bei Standorten außerhalb der im Internet angegebenen Stationen werden durch Interpolation der Daten der 3 nächstgelegenen Stationen die Werte des lokalen Standorts simuliert/modifiziert. Außerdem wird die Vegetationsart und Vegetationsstufe festgelegt, zu der alle bekannten Werte der Vegetationsparameter geladen und gespeichert werden. Weitere, kaum veränderliche Bewässerungsparameter und Bodenparameter, wie Sprengertyp, Durchflussgeschwindigkeit und Bodenbeschaffenheit, werden in diesem Schritt ermittelt und auf einem Server im Internet oder in der Bewässerungsvorrichtung selber gespeichert.
Der zweite Schritt des Bewässerungsverfahrens ist durch das Ermitteln und Speichern der aktuellen Werte der Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- oder Klimaparameter gekennzeichnet. Durch die Verwendung von lokalen Sensoren könne reale im lokalen Klima vorherrschende Werte aufgezeichnet und gespeichert werden. Ohne diese lokalen Sensoren werden die Werte durch die Verwendung von Modellen oder Simulationen ermittelt, welche die Parameter des Mikroklimas, wie z. B. Temperatur, Lichtintensität oder die Luftfeuchtigkeit abbilden. Die Modelle oder Simulationen können aus Wetterlage, Wettervorhersage, Regenradar, lokale Wetterstationen oder weiteren Mechanismen die aktuellen Werte der Bewässerungsparameter in der jeweiligen lokalen Region ermitteln und im Internet oder in der Bewässerungsvorrichtung speichern.
Im dritten Schritt des Bewässerungsverfahrens werden die wahrscheinlichsten zukünftig vorherrschenden Werte der Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- oder Klimaparameter prognostiziert und im Internet oder in der Bewässerungsvorrichtung gespeichert. Diese Prognosen oder Vorhersagen finden durch Expertenwissen, Neuronale Netze, wissensbasierte Methoden, Erfahrungen, Modelle oder Simulationen statt.
Im vierten Schritt des Bewässerungsverfahrens wird der reale Feuchtigkeitsbedarfs der Vegetation und der Bedarf der Bodenfeuchtigkeit für einen gewissen Zeitraum vorausschauend ermittelt. Daraus werden die Bewässerungsparameter berechnet und im Internet oder in der Bewässerungsvorrichtung gespeichert. Der reale Feuchtigkeitsbedarf einer Vegetation ist eine zeitlich veränderliche Funktion mit mehreren variablen Parameter. Durch Expertenwissen, Neuronale Netze, wissensbasierte Methoden, Erfahrungen, Modelle oder Simulationen werden diese Werte unter Berücksichtigung der aktuellen, vergangenen und zukünftig Vorherrschenden Werte der Vegetationsparameter berechnet.
Im fünften Schritt des Bewässerungsverfahrens wenden die Werte der Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- oder Klimaparameter via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet oder über sonstige Telefonservices, bereitgestellt. Dazu wird ein Webserver aufgebaut, an dem sich der Nutzer oder die Bewässerungsvorrichtung authentifiziert, und dann die jeweiligen Daten zur Verfügung gestellt bekommen.
Im sechsten Schritt des Bewässerungsverfahrens werden die Bewässerungsparameter an die Bewässerungsvorrichtung übermittelt. Diese Datenübertragung kann sowohl über elektronische als auch über drahtlose Übertragungsmedien stattfinden. Eine Anbindung der Bewässerungsvorrichtung via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet, ist die ideale Voraussetzung für einen optimalen Ablauf des Bewässerungsverfahrens, aber nicht Bedingung.
Zum Schutz vor Manipulation der Bewässerungsvorrichtung durch Dritte, findet die elektronische Datenübertragung über authentifizierende Verfahren statt.
Der letzte Schritt des Bewässerungsverfahrens besteht aus der Bewässerung der Bewässerungsfläche durch eine Regelung oder Steuerung der Bewässerungsvorrichtung mit Hilfe der berechneten und übermittelten Bewässerungsparameter.
1 Gewässerungsvorrichtung der 1. Generation
2 Bewässerungsvorrichtung der 2. Generation
3 Bewässerungsvorrichtung der 3. Generation
4 Bewässerungsvorrichtung der 4. Generation
5 Regelungsgrößen einer Bewässerungsvorrichtung
6 Verfahren zur Bewässerung
In der 1 sind die Elemente einer Bewässerungsvorrichtung der 1. Generation dargestellt, mit Brunnen (1) zur Entnahme des benötigten Wassers aus dem Grundwasser (6), einer Pumpe (2) zur Versorgungen der Bewässerungsanlage mit Wasser, einer oder mehrerer Sprengereinrichtungen (3) zur Bewässerung (5) der Bewässerungsfläche (4) über und auf dem Boden (7) und dem Ein/Ausschalter (8) zur manuellen Betätigung der Bewässerungseinrichtung.
In der 2 sind die Elemente einer Bewässerungsvorrichtung der 2. Generation dargestellt, mit den bereits Elementen Brunnen (1), der Pumpe (2), den Sprengereinrichtungen (3), der Bewässerungsfläche (4), der Bewässerung (5), dem Grundwasser (6) und dem Boden (7). Zusätzlich sind in der Bewässerungsvorrichtung der 2. Generation gegenüber der 1. Generation die Magnetventile (9), die Steuer- oder Regeleinheit (11) welche durch die Steuerleitungen (10) die Pumpe und die Magnetventile ansteuert.
In der 3 ist eine Bewässerungseinrichtung der 3. Generation dargestellt mit den Elementen Brunnen (1), Pumpe (2), Sprengereinrichtungen (3), Bewässerungsfläche (4), Bewässerung (5), Grundwasser (6), Boden (7), Magnetventile (9), Steuerleitungen (10) und Steuer- oder Regeleinheit (11). Zusätzlich kommen in der Bewässerungsvorrichtung der 3. Generation die Sensoren zur besseren Regelung hinzu. Die am meisten verbreiteten Sensoren sind der Feuchtigkeitssensor (14) zum Messen der Bodenfeuchtigkeit, der Durchflusssensor (12) zum Messen des Wasserdurchflusses und die Wetterstation (13) zum Messen von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck des lokalen Klima zu nennen.
In der 4 ist die erfinderische Bewässerungseinrichtung der 4. Generation dargestellt mit den Elementen Brunnen (1), Pumpe (2), Sprengereinrichtungen (3), Bewässerungsfläche (4), Bewässerung (5), Grundwasser (6), Boden (7), Magnetventile (9), Steuerleitungen (10) und Steuer- oder Regeleinheit (11). Erfinderisch neu in dieser Bewasserungsvorrichtung ist der Anschluss der Regeleinheit (11) via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet, (15). Dadurch werden die Wetterprognose (19), die Wasserhaushaltsprognose (16) und die Vegetationsparameter (17) zur Regelung der Bewässerungsanlage genutzt. Weiterhin erfinderisch neu ist die Parametrierung und Einstellung der Bewässerungsanlage via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet (18).
In der 5 sind die Regelgrößen der Bewässerungsvorrichtung dargestellt mit der Sollgröße (20) die vom Feuchtigkeitsbedarf der Vegetationsparameter bestimmt wird, der Störgröße (21) die von den Feuchtigkeitsverlusten und Feuchtigkeitsgewinnen und über weitere Klimaparameter bestimmt wird, der Istgröße (22) die vor allem von der vorhandenen Bodenfeuchtigkeit bestimmt wird und der Stellgröße (23), welche die Bewässerungsmenge der Bewässerungsvorrichtung einstellt.
In der 6 ist das neue Verfahren der Bewässerungsvorrichtung der 3. Generation dargestellt. Der erste Verfahrensschritten (30) ist geprägt durch die Konfiguration der Bewasserungsvorrichtung in dem die statischen Parameter und Einstellungen (38) der Bewasserungsvorrichtung in einer Datenbank (44) gespeichert werden. Im zweiten Verfahrensschritt (31) werden die aktuellen Werte der Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- oder Klimaparameter (39) ermittelt und in der Datenbank (44) gespeichert. Im dritten Verfahrensschritt (32) werden zukünftige Werte (40) der Sollgrößen und Istgrößen der Bewässerungseinrichtung berechnet und in der Datenbank (44) gespeichert. Im vierten Verfahrensschritt (33) wird aus der Sollgröße (41), dem Feuchtigkeitsbedarf, und der prognostizierten Istgröße (42), der Bodenfeuchtigkeit, die Bewässerungsparameter (43) berechnet und in der Datenbank (44) gespeichert. Der fünfte Verfahrensschritt (34) ist geprägt durch die Bereitstellung der Bewässerungsparameter aus der Datenbank (44) via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet (45). Im sechsten Verfahrensschritt (35) werden die via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet, (45) bereitgestellten Bewässerungsparameter zur Bewässerungsvorrichtung (46) übertragen. Im siebenten Verfahrensschritt (36) wird die Bewässerungsfläche (49) über die Sprengeinrichtung (48) bewässert (47) durch die Regelung der Bewässerungsvorrichtung (46) mit den Bewässerungsparametern (43). Die Verfahrensschritte zwei bis sieben (31), (32), (33), (34), (35) und (36) werden zyklisch wiederholt (37).

Claims

Bewässerungsverfahren und Bewässerungsvorrichtung zum Steuern oder Regeln einer Bewässerung für Flächen oder Grundstücke mit Hilfe von vergangenen, aktuellen und wahrscheinlichkeitsberechneten zukünftigen Werten von Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- oder Klimaparametern mit Hilfe einer Anbindung an ein elektronisches Datenübertragungssystem. Das Bewässerungsverfahren besteht aus den folgenden Verfahrensschritten: a. Konfiguration, Einstellung und Speicherung der Bewässerungsvorrichtung und der Bewässerungsparameter (30) b. Ermitteln und Speichern der aktuellen Werte der Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- oder Klimaparameter (31) c. prognostizieren der wahrscheinlichsten zukünftig vorherrschenden Werte der Bewässerungs-, Boden-, Vegetations- oder Klimaparameter (32) d. Berechnung des Feuchtigkeitsbedarfs der Vegetation, des Feuchtigkeitsbedarfs des Bodens und der Bewässerungsparameter (33) e. Bereitstellen der Bewässerungsparameter insbesondere über elektronische und telekommunikative Datenübertragungsservices (34) f. Übermitteln der Bewässerungsparameter an die Bewässerungsvorrichtung (35) g. Bewässerung der Bewässerungsfläche durch eine Regelung oder Steuerung der Bewässerungsvorrichtung mit Hilfe der übermittelten Bewässerungsparameter (36)
Bewässerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewässerungsparameter für die Bewässerungsfläche, Teile der Bewässerungsfläche, einer der Bewässerungsfläche umgebenden oder angrenzenden Flächen oder einer der Bewässerungsfläche in unmittelbarer oder mittelbarer Nähe befindliche Fläche errechnet und zur Regelung oder Steuerung der Bewässerungsvorrichtung genutzt werden.
Bewässerungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Verfahrensschritte getauscht oder ganz entfallen können.
Bewässerungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sprung von einem Verfahrensschritt auf einen beliebigen anderen Verfahrensschritt jederzeit möglich ist.
Bewässerungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewässerungsparameter alle Parameter umfassen können, welche die togologischen und klimatischen Eigenschaften der Bewässerungsfläche bestimmen und die Eigenschaften der Bewässerungseinrichtung charakterisieren. Dazu gehören unter anderem die Lage, die Größe, die Struktur, die Umgebung, die Bebauung, die umgebene Vegetation, die Bewässerungsfläche, die Bewässerungszeit, die Bewässerungsdauer, die Bewässerungsintensität, die Wasserdurchflussgeschwindigkeit und weitere Topologie- und klimabestimmende Parameter und Eigenschaften.
Bewässerungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenparameter alle Parameter umfassen können, welche die Eigenschaften des Bodens der Bewässerungsfläche bestimmen, dazu gehören unter anderem die Bodenfeuchtigkeit, die Bodenart, die Bodenqualität, die Bodennährstoffe, die Bodenflora, die Bodenfauna, die Mikroorganismen, die Bodenfestigkeit, die Grundwasserlage, die Grundwasserhöhe, der PH-Wert und weitere chemische Parameter, welche die Vegetation in ihrem Wachstum beeinflussen, und weitere Parameter zur Charakterisierung des Bodens.
Bewässerungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vegetationsparameter alle Parameter umfassen können, welche die zu bewässernde Vegetation der Bewässerungsfläche charakterisieren und bestimmen, dazu gehören unter anderem die Vegetationsart, die Vegetationsstufe, die Vegetationsqualität und oder der Feuchtigkeitsbedarf einer im Sinne des Anspruch 2 definierten Fläche und weitere vegetationsbestimmende Parameter und Eigenschaften.
Bewässerungsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaparameter alle Parameter umfassen können, welche das Klima der Bewässerungsfläche oder das Klima in der näheren Umgebung zur Bewässerungsfläche oder einem meteorologischen definierten Landbereich charakterisiert, dazu gehören unter anderem die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Sonneneinstrahlungsstärke, die Sonneneinstrahlungsdauer, die Verdunstung, die Windstärke, die Windrichtung oder weitere klimabestimmende Parameter und Eigenschaften.
Bewässerungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Parameter aus mindestens einem Parameter der vorangegangenen Ansprüche direkt oder indirekt abgeleitet werden und/oder berechnet werden und/oder umgerechnet werden und/oder einen ähnlichen Charakter haben und/oder einen neuen Parameter zur Regelung von Bewässerungsanlagen bilden.
Bewässerungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter für eine standardisierte Fläche normiert werden können.
Bewässerungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tageszeitlich aktuellen oder vergangenen Werte der Parameter durch Sensoren, Erfahrungswerte, modellbasierte Berechnungsmethoden, neuronale Netze oder weiter Verfahren ermittelt werden und in einer Datenbank, in einem Historienspeicher oder in ähnlichen Speichermedien gespeichert werden können.
Bewässerungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die prognostizierten und wahrscheinlichsten, zukünftig vorherrschenden Werte der Bewässerungsparameter, Vegetationsparameter, Bodenparameter oder Klimaparameter zu einem in der Zukunft liegenden Zeitpunkt durch Erfahrungswerte, modellbasierte Berechnungen, neuronale Netze oder weiteren Verfahren zur Bestimmung von zukünftig prognostizierten Werten ermittelt werden und in einer Datenbank, in einem Historienspeicher oder in ähnlichen Speichermedien gespeichert werden können.
Bewässerungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewässerungsparameter, Vegetationsparameter, Bodenparameter oder Klimaparameter durch einen Internetserver, einer zentralen Rechnereinheit, einer Institution, einer weiteren zentralen Stelle oder in der Bewasserungsvorrichtung selbst ermittelt, berechnet, gespeichert und für die Bewässerungsregelung zur Verfügung gestellt werden.
Bewässerungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten, ermittelten und gespeicherten Bewässerungsparameter, Vegetationsparameter, Bodenparameter oder Klimaparameter über Internetservices, Speichermedien, Telefonservices oder anderen elektronischen Übertragungssystemen an die Bewässerungsvorrichtung über drahtlose oder drahtbehaftete elektronische Schnittstellen oder andere elektronische Übertragungssysteme weitergeleitet werden.
Bewässerungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der lokal vorhandenen Sensoren der Bewässerungsvorrichtung gemessen und an eine zentrale Einheit (Internet, Datenbank) übermittelt werden, dort plausibilisiert werden und als Bewässerungsparameter, Vegetationsparameter, Bodenparameter oder Klimaparameter für Bewässerungsvorrichtungen in einer angemessenen topografischen Nähe angewendet werden können.
Bewässerungsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gesetzliche Anforderungen bei der Benutzung der Ressource Wasser und vorhandene nutzbare Mengen an lokal vorhandenem Wasser für eine Zusatzberegnung zur Berechnung der Bewässerungsparameter der Bewässerungsvorrichtung herangezogen werden.
Bewässerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Datenübertragungssystem die Anbindung der Bewässerungsvorrichtung via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet, sein kann.
Bewässerungsvorrichrtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter in zyklischen Abständen und/oder ständig aktualisiert und an die Bewässerungsvorrichtung übertragen werden.
Bewässerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronische Datenübertragungssystem durch authentifizierende Verfahren gegen Manipulation geschützt werden kann.
Bewässerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewässerungsvorrichtung manuell via drahtloser oder drahtbehafteter Telekommunikationsservices, z. B. über das Internet, oder in der Bewässerungsanlage selber konfiguriert und parametriert werden kann.