Überblick

Das Projekt „Intelligente Funkbasierte Bewässerung“ (IFuB) hatte das Ziel, ein intelligentes, flexibles und autonomes Bewässerungssystem zu entwickeln. Dieses System sollte helfen, Wasserverbrauch in der Landwirtschaft zu optimieren und an lokale Umweltbedingungen anzupassen. Es war insbesondere für den Obstbau, Gemüsebau, Sonderkulturen im Freiland sowie geschützte Kulturen wie Gewächshäuser und Folientunnel vorgesehen:

Die wichtigsten Zielstellungen des Projekts waren:

  • Effiziente und bedarfsgerechte Wasserbewirtschaftung durch eine intelligente Steuerung der Bewässerung auf Basis von Sensordaten.
  • Kombination verschiedener Sensortypen zur optimalen Erfassung von Bodenfeuchte, Klimadaten und speziellen Pflanzenparametern.
  • Entwicklung eines dezentralen Netzwerks mit Funkmodulen zur drahtlosen Kommunikation zwischen Sensoren und Steuerungseinheiten.
  • Energieautarkes System durch Nutzung von Energy Harvesting-Technologien.
  • Webbasierte Entscheidungsunterstützung für Landwirte durch eine zentrale Plattform, die Wetterprognosen und Bodenkarten integriert​IFuB Abschlussbericht T….

Das Projekt verfolgte also einen ganzheitlichen Ansatz zur Ressourcenschonung, insbesondere angesichts steigender Wasserknappheit.

Aufgabenstellung

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die Realisierbarkeit eines bedarfsgerechten Bewässerungssystems im landwirtschaftlichen Nutzpflanzenanbau aufzuzeigen. Das Interesse lag hierbei nicht im direkten Vergleich von qualitativen Ergebnissen, sondern es sollte vielmehr eine quantitative Bewertung der Kombination von bekannten Einzelsystemen zu einem ganzheitlichen Gesamtsystem erfolgen. Es sollte dargelegt werden, wie die Entwicklung bzw. der Aufbau eines entsprechenden Systems unter Berücksichtigung des technischen Fortschritts, der Ergonomie sowie der Einsatzeignung im Bereich der Landwirtschaft gestaltet werden kann. Ausgangspunkt der Überlegungen war die Absicht, mit Hilfe einer flächendeckenden Vernetzung von Informationsquellen und deren intelligenter Bewertung, eine optimierte Bewässerung für die Umwelt und für die Nutzpflanzen bereitzustellen. Dementsprechend wurden diesbezüglich differente Sensortypen kombiniert und auf ihren Informationsgehalt überprüft. Auf diesen Ergebnissen aufbauend, sollte ein flächendeckendes Sensornetz aufgespannt werden (siehe Abbildung), welches die Möglichkeit bietet, die gegenwärtige Bewässerungssituation adäquat abzubilden.

In der Folge war die Entwicklung eines intelligenten, flexiblen, autonomen und funkbasierten Bewässerungssystems geplant. Die Konzeption dieses Systems sah vor, dass es die von den Pflanzen benötigte Wassermenge in Abhängigkeit von aktuellen lokalen Ereignissen, bedarfsgerecht zur Verfügung stellt. Das System sollte auf einem dezentralen Netzwerk basieren, das sich aus verschiedenen Umwelt-Sensoren, Bewässerungs-Aktoren, Kommunikationsmodulen (Gateway) und einem Server zusammensetzt. Die exakte Berechnung der benötigten Wassermenge sollte durch die Verbindung eines lokalen SensorAktor-Netzwerkes über ein Gateway mit einem zentralen Datenserver garantiert werden. Die komplexen Berechnungen wurden dazu auf dem Server ausgeführt. Parallel dazu wurden weitere Parameter aus externen Quellen erfasst und zum Datenpool hinzugefügt. Die daraus generierte Bewässerungsempfehlung sollte anschließend an die entsprechende AktorEinheit auf dem Feld zurückgesendet werden. Die Aktor-Einheit steuerte in der vorgegebenen Weise das lokale Bewässerungsventil an. Zudem wurde beabsichtigt, eine hohe Flexibilität und Unabhängigkeit im Bereich der angebauten Pflanzensorte sowie eine unkomplizierte und schnelle Installation der Komponenten im Netzwerk anzustreben. Weitere Erfordernisse, die im Zuge dieses Projektes umgesetzt werden sollten, sind zum einen, die Entwicklung einer autarken Stromversorgung der Feld-Einheiten und zum anderen eine drahtlose Datenübertragung zwischen den Kommunikationspartnern. Darüber hinaus sollte durch das angepasste Design aller Einheiten, eine hohe Systemflexibilität erreicht werden.

Projektpartner VIRTENIO GmbH

Die VIRTENIO GmbH spielte im IFuB-Projekt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Implementierung der drahtlosen Sensornetzwerke sowie der dazugehörigen Kommunikationsinfrastruktur. Eine ihrer Hauptaufgaben bestand in der Entwicklung eines stabilen und energieeffizienten Funkkommunikationsmodells, das eine zuverlässige Datenübertragung zwischen den verteilten Sensorknoten und der zentralen Steuerungseinheit gewährleistete. Dabei setzte VIRTENIO auf ein proprietäres Protokoll auf Basis von 6LoWPAN, um die Sensordaten zur Bodenfeuchte, Luftfeuchtigkeit und Temperatur effizient zu erfassen und in Echtzeit weiterzuleiten. Zudem war VIRTENIO für die Hardware-Entwicklung der drahtlosen Sensorknoten verantwortlich, die speziell für den landwirtschaftlichen Einsatz konzipiert wurden. Diese Einheiten mussten energieautark funktionieren, weshalb verschiedene Ansätze zur Energieversorgung, einschließlich Energy Harvesting, evaluiert wurden. Eine zentrale Herausforderung bestand in der langfristigen Betriebsdauer der Sensorknoten, da sich im Projektverlauf zeigte, dass die Energieversorgung und Wartungsfreiheit der Geräte noch optimiert werden mussten. Darüber hinaus entwickelte VIRTENIO eine webbasierte Steuerungsplattform, die es ermöglichte, Sensordaten zentral zu visualisieren und die Bewässerung entsprechend den gesammelten Umweltdaten automatisch zu steuern. Die entwickelte Plattform erlaubte es Landwirten, den Wasserbedarf ihrer Kulturen aus der Ferne zu überwachen und die Bewässerung gezielt anzupassen. Trotz der erfolgreichen Umsetzung der Kommunikationsinfrastruktur und der Sensortechnologie gab es im Praxistest noch Herausforderungen in Bezug auf die Energieeffizienz und die Robustheit der Funkknoten in unterschiedlichen Witterungsbedingungen. Insgesamt leistete VIRTENIO einen wesentlichen Beitrag zur technischen Umsetzung des intelligenten Bewässerungssystems, indem es innovative Lösungen für die drahtlose Datenerfassung, die energieeffiziente Kommunikation und die systemweite Steuerung bereitstellte.

Projektpartner Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim (ATB)

Das ATB hatte im IFuB-Projekt eine zentrale Rolle bei der wissenschaftlichen Validierung und praktischen Erprobung der entwickelten Technologien. Eine seiner Hauptaufgaben war die Entwicklung und Anpassung von Bewässerungsstrategien, um die Effizienz des Wassereinsatzes in der Landwirtschaft zu verbessern. Dazu untersuchte das ATB verschiedene Modelle zur Bewässerungssteuerung und entwickelte Algorithmen, die auf Basis von Sensordaten optimale Bewässerungsentscheidungen ermöglichen. Darüber hinaus war das ATB maßgeblich an der Bodenkartierung und Sensorintegration beteiligt, indem es Versuchsflächen mit unterschiedlichen Sensoren ausstattete, um eine präzise Erfassung von Bodenfeuchte und Umweltdaten zu gewährleisten. Ein weiterer wichtiger Aufgabenbereich bestand in der Untersuchung der Praxistauglichkeit des IFuB-Demonstrators, wobei das System unter realen landwirtschaftlichen Bedingungen getestet wurde. Dabei wurde die Bewässerungsstrategie hinsichtlich ihrer Effizienz, Wasserersparnis und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Boden- und Wetterbedingungen bewertet. Zusätzlich übernahm das ATB die wissenschaftliche Dokumentation und den Transfer der Forschungsergebnisse, indem es Erkenntnisse aus dem Projekt auf Fachmessen, wissenschaftlichen Konferenzen und in Veröffentlichungen präsentierte. Die durchgeführten Experimente und Feldtests trugen wesentlich dazu bei, das Potenzial der entwickelten Technologie für eine intelligente, funkbasierte Bewässerung in der Praxis zu demonstrieren und Anwendungsbereiche für zukünftige Entwicklungen zu identifizieren.

Weitere Projektpartner

  • Technische Universität Berlin, Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer (Projektleitung)
  • MMM tech support GmbH & Co. KG
  • Logic Way GmbH

Literatur

Meyer, H.: Intelligent und sparsam bewässern – Technologien für die Zukunft. Agritechnica Forum, Hannover, 2013.

Boppenmaier, M., Meyer, H.: Autonomous and radio-based system for intelligent irrigation in the agriculture cultivation. Proceedings 4. Int. Conference Machine Controle and Guidance, Braunschweig, S. 215-222. URN-NBN-084 1404 3011131 www. digibib.tu-bsd.de docid-00056119. April 2014.

Boppenmaier, M. ; Meyer, H. : Autonomes und funkbasiertes System zur intelligenten Bewässerung im landwirtschaftlichen Anbau / Autonomous and radio-based system for intelligent irrigation in the agriculture cultivation. Agrartechnik im Dialog mit Politik und Gesellschaft, AgEng, Internationale Tagung Land.Technik, 72 – VDI-Berichte, 2014, S. 89-102.

U. Genge, H. Klauss, J. Selbeck, V. Dworak, M. Geyer (2013): Entwicklung einer intelligenten funkbasierten Bewässerungssteuerung (IFuB). In (Clasen, M., Kersebaum,

K.C., Meyer-Aurich, A., Theuvsen, B. Hrsg.): Referate der 33. GIL-Jahrestagung, Potsdam, 2013. GI-Edition, Bonn; S. 99-102.

U. Genge, H. Klauss, M. Geyer (2014): IFuB – Smart Radio-based Irrigation Control. In (Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB) Hrsg.): Forschungsbericht 2012/2013 des Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB), Potsdam.

Feldtest im Bundessortenamt (Marquardt bei Potsdam)