Entwerfen von Open-Source-Smart-Farming-Systemen

In den letzten 20 Jahren hat die Computertechnik die Welt dramatisch verändert, und die Landwirtschaft hat die Auswirkungen zu spüren bekommen. Fortschrittliche Ausrüstung kann jetzt zu einer effizienteren Produktion führen; verändertes Saatgut kann die Schädlingsbekämpfung erleichtern; und Automatisierung hat es vielen Aufgaben ermöglicht, sich zu ändern, auch wenn sie nicht verschwinden. Landwirte haben jedoch zunehmend festgestellt, dass die Technologie, auf die sie sich verlassen, ein zweischneidiges Schwert ist.

Gleichzeitig kämpfen Landwirte mit einer Vielzahl wachsender geschäftlicher Herausforderungen. Sie sind auch nicht in der Lage, ihre Maschinen auf die gleiche Weise zu warten oder zu reparieren, wie sie es früher getan haben, aufgrund der Verwaltung digitaler Softwarerechte und anderer Entscheidungen zum Gerätedesign, die die Serviceeinnahmen der Gerätehersteller gegenüber den Landwirten begünstigen. Im äußersten Spannungsfeld zwischen Lieferanten und Landwirten sind die Landwirte für manche Nutzpflanzen sogar exklusiven Saatgutproduzenten verpflichtet, da die Fremdbestäubung mit patentierten, gentechnisch veränderten Pflanzen auf angrenzenden Feldern Klagen von Saatgutproduzenten nach sich zieht.

Diese Kämpfe führen dazu, dass Landwirte auf der ganzen Welt tief greifen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. In diesem Wettbewerb werden sie von Lieferanten zu Saatgut, Ausrüstung, Chemikalien und anderen Betriebsmitteln gedrängt, über die sie nur unvollständige Kontrolle haben. Landwirte verlieren die Wahl, ihre Ausrüstung zu reparieren, Saatgut zu sparen oder andere bewährte, kostensparende Maßnahmen zu ergreifen. Sie sind sich der nicht erwähnten Kosten der Technologie bei ihrer Arbeit bewusst.

Mit dieser Herausforderung ergibt sich die Gelegenheit, landwirtschaftliche Geräte zu bauen, die dem Landwirt die Macht zurückgeben. Wenn Landwirte das Recht haben, mehr von ihrer Ausrüstung zu bearbeiten und zu nutzen, wird der Weg zu „intelligenteren“ Betrieben für Landwirte viel attraktiver. Die Landwirtschaft im Allgemeinen sieht enorme Chancen für Spitzentechnologien wie das Internet der Dinge und künstliche Intelligenz. Open Source und andere brauchbare Mittel zur Implementierung dieser Tools sind für Landwirte von entscheidender Bedeutung, um ihren Wettbewerbsvorteil zu wahren.

Open-Source, kostengünstige Smart-Farm-Systeme entwickeln

Ein kürzlich in Bangladesch durchgeführtes Forschungsprojekt hat auf früheren Arbeiten aufgebaut und ein Open-Source-Modell für Smart Farming entwickelt. Dieses Modell macht intensiven Gebrauch von Arduino-Komponenten, legt ein umfassendes Umweltüberwachungssystem fest, definiert Ansätze für die Datenanalyse und schafft Wege für ein automatisiertes Farm-Input-Management. Während der Hauptfokus des gebauten Testsystems auf der Feldproduktion lag, wird bereits erwartet, dass die allgemeine Architektur in Zukunft auf Gewächshäuser, Viehzucht und weitere landwirtschaftliche Anwendungen angewendet werden könnte.

Basierend auf der gesamten Überwachungsausrüstung des Arduino Mega 2560 konzentrierte sich dieses Projekt auf ein Netz von „Überwachungsknoten“, die über ein landwirtschaftliches Feld verteilt sind, wobei ein einzelner „Zentralknoten“ alle Daten aggregiert, automatisierte Ereignisse auslöst und Daten an die Cloud weitergibt.

Erstellen eines Sensornetzes

Jeder „Überwachungsknoten“ fügt dem Arduino Mega-Board eine Reihe von Sensoren hinzu. Die beteiligten Forscher wählten Geräte, die für eine breite Bevölkerungsgruppe zugänglich waren, basierend auf Kosten, Benutzerfreundlichkeit und Flexibilität.

Um einen einzelnen Monitoring-Knoten auszustatten, wurde das Arduino-Board um folgendes erweitert:

• nRF24L01+PA/LNA Funk-Transceiver-Modul für die Kommunikation zurück zum zentralen Knoten — Mit einem eingebetteten Funkprotokoll und 2,4-GHz-Spektrum kann dieses Gerät bis zu 1.100 m übertragen; das 2,4-GHz-Spektrum ermöglicht 125 einzigartige Kanäle, wodurch die Anzahl der möglichen Verbindungen für eine einzelne Farm und einen zentralen Knoten erweitert wird.
• DHT11 Temperatur- und Feuchtigkeitssensor zur Messung der Oberflächentemperatur und -feuchtigkeit.
• PIR-Bewegungssensor, der auf Infrarot-Bildgebung angewiesen ist, um Bewegungen zu erkennen, um Landwirte vor Schädlingen oder Eindringlingen zu warnen.
• MQ-135 Gassensor, der mehrere organische Verbindungen in der Luft erkennt, einschließlich Rauch.
• BMP180-Luftdrucksensor zur Erkennung von Luftdruckänderungen, der das Potenzial für Stürme oder andere ankommende Wettermuster anzeigt.
• Bodenfeuchtesensor, der den elektrischen Widerstand im Boden misst, um den Wassersättigungsgrad des Bodens zu bestimmen.
• Regenerkennungssensor, der durch Messen des Widerstands über einer Sensorplatte auf fallenden Regen prüft.
• pH-Messgerät, das den Säuregehalt des Bodens und den potenziellen Bedarf an Bodenzusätzen bestimmt.

Mit einer großen Auswahl an Anbaugeräten in der Hand schuf das Forschungsprojekt mehrere Sensoreinheiten, die in einem großen Feld eingesetzt werden konnten. Angesichts der ausgewählten drahtlosen Kommunikationshardware könnte ein einzelner zentraler Knoten verteilte Überwachungsknoten mit einem Durchmesser von bis zu 2.200 m bedienen. Um jeden Überwachungsknoten vorzubereiten, wurde jeder Arduino mit seinem Sensor-Array verdrahtet, so programmiert, dass er alle Sensordaten speichert und teilt und aus Gründen der Kommunikation adressiert wird.

Nachdem die Überwachungsknoten erstellt waren, wandte sich das Team dem zentralen Knoten zu, der mit der weiteren Analyse und Kommunikation der Feldbedingungen beauftragt war.

Ausstattung der Kommunikation und des Farmmanagements

Die Überwachung der Sammlung von Überwachungsknoten ist ein „zentraler Knoten“, der dazu dient, die in einem Feld gesammelten Daten zu aggregieren, zu melden und darauf zu reagieren. Es basiert auf der gleichen Arduino Mega 2560-Plattform und gibt weiter, was in der gesamten Farm passiert. Anstelle der Sensorausrüstung, die jedem Überwachungsknoten beiliegt, verfügt der zentrale Knoten über eine Wi-Fi-Karte und Mobilfunk mit SIM-Karte für die „always on“-Übertragung von Daten in die Cloud. Das Forschungsteam plante außerdem das Hinzufügen von Servos, Motoren und ähnlicher Hardware, wenn und wann dies für die Verwaltung automatisierter Bewässerungs- und anderer ergänzender Systeme in der gesamten Testfarm nützlich wäre.

Mit diesem Design können ein einzelner Zentralcomputer und ein GSM-Kommunikationsgerät Informationen weitergeben, die über einen großen Landstrich gesammelt wurden. Andere Vorteile sind zahlreich — angesichts seiner zentralisierten Funktionen ist der zentrale Knoten so programmiert, dass er:

• Benachrichtigen Sie Landwirte per SMS über sich ändernde Bedingungen und erforderliche Interventionen
• Verwalten Sie zugängliche Eingaben, z. B. das Einschalten der Bewässerung in Gebieten, die Wasser benötigen
• Gesammelte Daten zur weiteren Verarbeitung, Analyse und Aktion in die Cloud übertragen

Verknüpfung der Datenerfassung mit einem umfassenden intelligenten Farmmanagement

Um das Netzwerk von Knoten mit Strom zu versorgen, hat das Team ein Photovoltaik-Solarpanel mit einer Batterie gepaart, was eine konstante Stromverfügbarkeit im Feld ermöglicht. Die grundlegende Beschaffenheit der verwendeten Komponenten gewährleistet eine geringe Leistungsaufnahme von jedem Knoten, wodurch die Gesamtversorgung, die für den Betrieb des Systems erforderlich ist, reduziert wird.

Mit einem stetigen Strom offen zugänglicher Daten vom Feld werden die Optionen zur Automatisierung eines weiteren Teils der Betriebsführung flexibler. Als Beispiel wählte das Forschungsprojekt Google Sheets zur Aggregation und Analyse von Sensordaten. Während die Software von Google hierfür gut geeignet ist und insbesondere die Google Suite kostenlos ist, könnten viele Datenspeicher- und Analysetools dieselbe Funktion erfüllen.

Beim Thema speziell entwickelte Landwirtschaftsdrohnen konnte das Team ebenfalls einen einfachen Quadrocopter mit Standardkomponenten entwickeln. Spezifische Änderungen an einer typischen Drohne umfassen schließlich die Fähigkeit, Nutzlasten von Pestiziden und Düngemitteln zu transportieren und präzise auszubringen. Weitere Verbesserungen im Zeitverlauf können fortschrittliche Ansätze bei der Schädlingserkennung und -beseitigung, zusätzliche Erntedatenerfassung oder sogar die Vorteile des maschinellen Lernens bei der Sortierung von Produkten umfassen.

Mit jedem dieser Teile entsteht ein leistungsstarkes, offenes Konzept für die Bewirtschaftung des gesamten Betriebs. Während zusätzliche Überlegungen wie Sicherheit in diesem Konzept nicht ausführlich behandelt werden, ermöglicht der offene Charakter des Designs jedem angehenden Bauherrn, diese und andere Bedenken hinsichtlich der Verwaltung seiner eigenen Daten zu berücksichtigen. Mit der Kontrolle über ihr speziell entwickeltes „Internet der Dinge“ können Landwirte die Verbesserungen der Einblicke und Effizienzversprechen des IoT genießen, ohne die Wartungsfreundlichkeit zu verlieren.

Was kommt als nächstes

Dieses Forschungsprojekt sollte zwar ein Werk zum erschwinglichen Zugang zu Smart Farming ergänzen, der Wert reicht jedoch noch weiter. Das Konzept, gängige und weit verbreitete Komponenten wie Arduinos zu verwenden, reduziert nicht nur die Einstiegskosten in Smart Farming; es bedeutet auch, dass die Landwirte mehr Kontrolle über ihr Geschäft haben.

Insbesondere für Subsistenzlandwirte und mittelständische Betriebe auf der ganzen Welt findet diese Demokratisierung zu einem kritischen Zeitpunkt statt, da sie schwierige Geschäftsentscheidungen treffen müssen.

>> Eine frühere Version dieses Artikels wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EEWeb veröffentlicht.