Ein Bauernhof ist möglicherweise der letzte Ort, an dem nach fortschrittlicher Technologie gesucht wird. Der Druck, die Lebensmittelproduktion zu steigern, macht es jedoch erforderlich, die Vorteile der Automatisierung zu nutzen und die Internet der Dinge. Datenanalysen in Echtzeit sind unerlässlich, um die Leistung zu verbessern und wertvolle Ressourcen optimal zu nutzen. In trockenen Gebieten können im Boden vergrabene Feuchtigkeitssensoren den Wasserverbrauch reduzieren und sicherstellen, dass es nicht verschwendet wird. Traditionell verwendeten die Landwirte die Bewässerung nach einem Zeitplan, der auf durchschnittlichen Wetter- und Bodenbedingungen basierte. Dies führt jedoch auf unproduktive Weise zu einem großen Wasserverlust, da die Pflanzen keine so regelmäßige Bewässerung benötigen. Die Bodenkontrolle ermöglicht eine Bewässerung, wo und wann sie benötigt wird. Feuchtigkeitssensoren verwenden die Leitfähigkeit, um das Vorhandensein von Wasser im Boden zu messen.
Wenn die Leitfähigkeit ausreichend abfällt, alarmiert der Sensor das Fernsteuerungssystem über den Bedarf an Wasser. Die Bewässerung kann durch Sprinkler-, Tropf- oder Furchenflutungssysteme erfolgen. Der Feuchtigkeitsgehalt auf einem Feld kann aufgrund unterschiedlicher Wind- und Sonneneinstrahlung sowie der Zusammensetzung der Böden stark variieren. Um die notwendige Präzision für die Bewässerung zu erhalten, müssen die Pumpen und Ventile mit einem Steuersystem verwendet werden, um nur bei Bedarf zu öffnen und zu schließen. Da es schwierig ist, Kabel auf Feldern zu verlegen, da sie bei der Bodenbearbeitung und anderen landwirtschaftlichen Aktivitäten leicht beschädigt werden können, ist eine grundlegende Anforderung für landwirtschaftliche IoT-Systeme die drahtlose Konnektivität. Ein Low-Power-Wide-Area-Wireless-Netzwerk bietet die notwendigen Funktionen für die Landwirtschaft.
Einige der aktuellen Standards können die Anforderungen an niedrige Kosten, Zuverlässigkeit und Reichweite erfüllen, die für den Betrieb über große Gebiete erforderlich sind. Mobile Sensoren, LoRaWAN und SIGFOX könnten dazu dienen, Sensoren und Aktoren für eine Farm miteinander zu verbinden. Aufgrund seiner Ausgewogenheit an Funktionen ist LoRaWAN jedoch das beste Protokoll für viele Anwendungen. Obwohl mobile Sensoren eine große Reichweite haben, kann ihre Abdeckung in ländlichen Gebieten lückenhaft sein. Darüber hinaus können beim Versand von Daten über das Mobilfunknetz je nach übertragener Datenmenge Kosten anfallen.
SIGFOX hat den Vorteil, Flatrate-Datenpläne anzubieten und verfügt über Hardware wie die AX-SFEU-Module von ON Semiconductor. Aber als Netzwerktechnologie hat sie Grenzen. Die Datenrate ist vergleichsweise gering: zwischen 10 Bit/s und 1 kBit/s. Dies ist möglicherweise kein Problem für landwirtschaftliche Anwendungen, bei denen Messungen etwa zehnmal pro Tag und Sensor vorgenommen werden. SIGFOX ist auch ein Einweglink. Dies hat Vorteile hinsichtlich des Stromverbrauchs für Sensorknoten, da zum Abhören von Übertragungen kein Strom benötigt wird. Sie aktivieren die Funkverbindung nur, wenn sie Daten zu senden haben. Stattdessen erhalten die Aktuator-Controller nur Befehle. Wenn der Landwirt jedoch viele Quadratkilometer Felder bewirtschaften muss, kann die Unfähigkeit, den Status der Pumpen und Ventile zu überprüfen oder bestimmte Tests an den Sensoren durchzuführen, die Wartung erheblich erschweren und verteuern.
LoRaWAN wurde von Semtech entwickelt und bietet Benutzern der Internet der Dinge die Option, über Ihr eigenes Netzwerk von Basisstationen auf das Internet zuzugreifen – oder über ein wachsendes Angebot kommerzieller Betreiber – für eine bessere Kontrolle und möglicherweise niedrigere Betriebskosten. Es gibt Gruppen, die die Kosten für die Konfiguration ihres Netzwerks durch Crowdsourcing minimieren. In Großbritannien haben beispielsweise Gemeinden in Oxford, Calderdale und anderswo LoRaWAN-Netzwerke für den Hochwasserschutz eingerichtet. Landwirte können zusammenarbeiten, indem sie den Zugriff auf LoRaWAN-Knoten teilen, die ihre Felder abdecken. Dieses System ermöglicht es dem Landwirt, auf Daten von Sensoren zuzugreifen, die sich näher am LoRaWAN-Router eines Nachbarn befinden als sein eigener.
LoRaWAN wird von vielen Herstellern unterstützt. STMicroelectronics bietet eine Reihe von Entwicklungskits sowie Module wie das RN2483 LoRa von Microchip Technology und die eigene Familie von SX127x-Schnittstellengeräten von Semtech an. Im Vergleich zu herkömmlichen Funksystemen hat LoRaWAN den zusätzlichen Vorteil, dass es Zugang zu unterirdischen Geräten wie Parkwassersensoren und unterirdischen Bewässerungsventilen bietet. Außerdem hat es eine Übertragungsreichweite in der Größenordnung von 10 km. Die Datenrate kann zwischen 300 Bit/s und 50 kBit/s liegen, ähnlich wie bei aktuellen GPRS-Verbindungen. RF-Optionen müssen für jede Bereitstellung spezifisch sein. Als Plattformen eignen sich Pycom-Boards ideal, da es Versionen für Long-Range-WLAN, für Entfernungen bis zu 1 km, SIGFOX und LoRaWAN gibt.
Eine wirklich schnelle und kostengünstige Möglichkeit, Felddaten für die Missionskontrolle zu erhalten, besteht darin, mehrere Batteriemodule, die mit Bodensensoren verbunden sind, auf dem Feld zu platzieren, wobei ein Modul mit einem Raspberry Pi auf dem Bauernhof verbunden ist, sodass der Landwirt in Echtzeit über eine Steuerkonsole verfügt. Eine weitere wichtige drahtlose Technologie, die die Landwirtschaft effizienter macht, ist das Global Positioning System (GPS). Die Fähigkeit, den Standort auf einem Feld zu erkennen, hilft bei der Automatisierung von Aufgaben wie der Bodenbearbeitung und der Behandlung mit Düngemitteln und Pestiziden. Der Sektor bewegt sich zunehmend in Richtung des Einsatzes von selbstgeführten Traktoren und Robotern. Aber selbst bei manuell fahrenden Traktoren ermöglicht das Vorhandensein von GPS das Fahren von Fahrzeugen für längere Stunden und wenn die Sicht zu schlecht wäre, um zu arbeiten.
Selbst unter guten Bedingungen verbessert das GPS-fähige Fahren die Effizienz des Betriebs und stellt sicher, dass die Fahrzeuge in der Spur bleiben und die Ernte nicht beschädigen. Die Technologie ermöglicht auch hochdichtes und städtisches Wachstum, bei dem Benutzer Terrassen und Dächer in Anbauflächen verwandeln. Genau wie auf den Feldern können in diesen Umgebungen Feuchtigkeit und andere Sensoren die Bewässerung optimieren, um eine effizientere Nutzung von Wasser und Nährstoffen zu gewährleisten. Eine grundlegende technologische Veränderung, die die Gewächshauswirtschaft viel attraktiver gemacht hat, ist die Beleuchtung. Dank LED-Beleuchtung haben Landwirte verlängerte Vegetationsperioden. Die Beleuchtung kann an bewölkten Tagen sowie zu Beginn und am Ende des Tages eingeschaltet werden.
LEDs haben gegenüber herkömmlichen Lichtquellen den Vorteil, dass ihre spektrale Leistung einfacher eingestellt werden kann. Violettes Licht ist zu einer beliebten Wahl in Gewächshauskulturen geworden, da es viel Licht für die Photosynthese liefert und wenig Verlust hat. In anderen Fällen hat sich grünes Licht als wirksam erwiesen, um die Produktion größerer Blätter zu stimulieren. Ein potenzielles Problem beim Gewächshausanbau ist, dass sich Schädlinge im Vergleich zum Anbau im Freien schneller ausbreiten. Die IoT-Technologie kann der Ausgangspunkt für eine effektive Schädlingsbekämpfung sein.
Luftströmungs-, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren über der Bodenschicht können dazu beitragen, dass die Bedingungen für das Pflanzenwachstum optimal sind, aber nicht für die Entwicklung von Pilzen, die oft an stagnierenden Orten gedeihen. Es ist wichtig, Krankheiten in den Pflanzen rechtzeitig zu erkennen, und dazu können Drohnen eingesetzt werden, die über die Pflanzen fliegen und nach Anzeichen von Schädlingen suchen. Wenn eine Drohne ein verfärbtes Blatt oder andere Anzeichen einer Krankheit erkennt, kann sie ein Signal aussenden, um das Personal zu warnen, um die Pflanze zu überprüfen und gegebenenfalls auszureißen. Zukünftig werden Roboter eingesetzt, um automatisch Kontrollen durchzuführen, die Pflanzen zu entwurzeln und neu zu pflanzen.
In Outdoor-Farmen wird die Kombination von Roaming-Sensoren auf Drohnen und Automatisierung mit Robotern immer üblicher werden. Es wird auch den Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden dort verbessern, wo sie benötigt werden. Dadurch wird der Eintrag von Nitraten und Phosphaten in den Grundwasserspiegel reduziert und Unkräuter werden nicht resistent. Dank Sensor-, Ortungs- und Vernetzungstechnik steht die Landwirtschaft vor ihrer nächsten Revolution. Auf diese Weise wird die Landwirtschaft in der Lage sein, die Menge an Nahrungsmitteln zu produzieren, die die Welt benötigt, mit einem Minimum an Ressourcen und Umweltverschmutzung.
