Gastbeitrag von Jan Bose
Mit Hilfe eines sensorbasierten Internet of Things (IoT) besser auf klimatische Veränderungen reagieren
Die Folgen des Klimawandels rücken immer stärker ins Blickfeld der Landwirte. Denn die Natur hat sich verändert – sie ist unbeständiger geworden: Wetterextreme wie Hitzephasen, Trockenheit, Starkregen, Hagel und Schädlingsbefall erschweren eine langfristige Planung der Prozesse. Biohöfe, Tiny Farms oder Familienbetriebe, die beispielsweise Wein- oder Obstanbau betreiben, leiden besonders stark unter den Veränderungen.
Ein selbstbetriebenes sensorbasiertes Internet of Things (IoT) kann ihnen in dieser Situation helfen, negative Auswirkungen zu begrenzen. Ein IoT ist eine technische Infrastruktur, in der Dinge über eine Funktechnologie miteinander vernetzt sind. Dies können auch intelligente Sensoren sein – in dem Fall spricht man von einem sensorbasierten IoT. Vernetzung ist hierbei der Schlüssel zum Erfolg: Einfache Sensoren erfassen Messwerte für einzelne Bereiche, die die Landwirte sammeln und analysieren können.
Schneller handeln und Ernteausfälle vermeiden
Auf Basis der erfassten Messwerte können Landwirte vorausschauend Entscheidungen treffen, sich so besser gegen klimabedingte Einflüsse auf ihre Erträge wappnen und die produktionsbedingte Umweltbelastung reduzieren. Mithilfe von datenbasiertem Monitoring, Analyse und Prognose der Umweltbedingungen lassen sich zum Beispiel Trocken- und Wasserstress für Pflanzen reduzieren und so Schäden und wirtschaftlich kritische Ernteausfälle begrenzen.
Denn die Landwirte erhalten dank der Messwerte, etwa zur Blattfeuchte, Hinweise auf bevorstehende Schädigungen an den Pflanzen. So können sie handeln, bevor die Probleme entstehen. Darüber hinaus werden begrenzte Ressourcen wie Wasser geschont und weniger umweltschädliche Pestizide und Düngemittel eingesetzt. Nutzen Betriebe also digitale Technologien und intelligente Systeme, so können sie Prozesse vereinfachen und effizienter werden, Erträge maximieren, Betriebskosten senken und nebenbei das Tier- und Pflanzenwohl verbessern. Und die Landwirte lernen mittelfristig viel darüber, welche Faktoren den Anbau auf welche Weise beeinflussen.
LPWAN für eine erweiterbare Infrastruktur
Für den Aufbau eines unabhängigen IoT in kleinen landwirtschaftlichen Betrieben eignen sich besonders Niedrig-Energie-Netzwerke, sogenannte Low Power Wide Area Netzwerke (LPWAN). Denn die Messwerte der Sensoren verursachen nur eine geringe Datenlast. Die Funktechnologie zeichnet sich außerdem durch niedrige Kosten, geringen Energieverbrauch und eine hohe Gebäudedurchdringung aus. In Frage kommen zwei miteinander kompatible IoT-Technologien: das lizenzfreie LoRaWAN und das über die großen Mobilfunknetze nutzbare NB-IoT. Mit solch einem eigenen LPWAN für die Übertragung der Messwerte lässt sich kostengünstig und mit überschaubarem Aufwand eine kleine und unkompliziert erweiterbare Infrastruktur realisieren.
Ein sensorbasierten LoRaWAN-Netzwerk ist folgendermaßen aufgebaut: Die Funktechnologie überträgt die Messdaten der Sensoren an ein Gateway. Dieses leitet die Daten weiter an einen LoRaWAN Network Server (LNS). Dies ist ein eigenständiger privater Server, der entweder vor Ort ausgeführt oder als Cloud-basierter externer Dienst gemietet wird. Der Server sendet die Daten an eine cloudbasierte IoT-Plattform. Hier bereitet eine Software die Daten für die Darstellung auf einem Dashboard auf. Der Anwender erhält so schließlich eine Visualisierung der Werte auf seinem Tablet oder Smartphone. Zudem lassen sich beispielsweise Alarme einstellen, die den Landwirt per E-Mail oder SMS benachrichtigen, wenn von ihm definierte kritischen Werte erreicht werden.
Die Funkstandards LoRaWAN und NB-IoT
LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. Der lizenzfreie Funkstandard überträgt Mess- und Sensordaten kontinuierlich, auch über große Distanzen. Dadurch eignet sich die Lösung für lokal begrenzte Projekte. LoRaWAN-Sensoren sind einfach konstruiert. Das macht sie preiswert und flexibel einsetzbar. Die Batterien halten bis zu zehn Jahre. Der Anwender kann entscheiden, ob er einen vorhandenen Netzwerkbetreiber wählt oder die Netzwerkinfrastruktur selbst aufbaut – und so unabhängig von einem externen Provider bleibt. Dies kann vorteilhaft sein, wenn es in der Region zum Beispiel keine gute Netzabdeckung durch LoRaWAN-Netzwerkbetreiber gibt. Zudem behält der Anwender die volle Kontrolle über seine Daten, sodass sensible Informationen nicht von Drittanbietern verarbeitet werden.
Ein großer Vorteil einer LoRaWAN-Lösung sind die minimalen laufenden Kosten. Der Funkstandard wird zudem immer beliebter – und so bietet der Markt inzwischen eine riesige Auswahl an Sensoren für die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten zum Erfassen einzelner sehr spezifischer Werte: von der Bodenfeuchte oder des pH-Wertes auf dem Feld, der Temperatur im Stall oder innerhalb des Kompostes über die Füllstände der Futterbehälter, der Luftfeuchtigkeit in Gewächshäusern, die Blattfeuchte der Rebstöcke im Weinberg bis zum Aufenthaltsort einzelner Tiere.
Ein Narrowband Internet of Things, kurz NB-IoT, bringt ähnliche Eigenschaften mit, doch es gibt einen wichtigen Unterschied: NB-IoT nutzt das bestehende Netz der großen deutschen Mobilfunkanbieter. So kann NB-IoT gut an solchen Einsatzorten einspringen, an denen LoRaWAN nicht verfügbar ist. Der Anwender muss keine extra LoRaWAN-Infrastruktur mit den dazugehörigen Gateways aufbauen. Bei Bedarf kann NB-IoT ein auf LoRaWAN basierendes IoT auch sinnvoll ergänzen. Sind etwa die Wände des Futterlagers eines Biohofes sehr stark abgeschirmt oder liegt das Flaschenlager eines Weingutes in einem tiefgelegenen Keller, kann LoRaWAN sie möglicherweise nicht vollständig durchdringen. Ein NB-IoT-Modul kann in beiden Fällen ergänzend zum LoRaWAN Abhilfe schaffen und Messwerte wie Temperatur oder Feuchtigkeit aus dem Lagerraum übermitteln.
Intelligente Sensorik für eine optimierte Bewässerungs- und Düngestrategie
Das Ergebnis eines eigenen sensorbasierten IoT kann zum Beispiel eine datenbasiert optimierte Bewässerungs- und Düngestrategie sein oder schlicht die Überwachung des Wetters und der Umgebung. Wetterstationen oder Bodensensoren können Daten zu Umweltbedingungen wie Temperatur, Wind oder Bodenfeuchte aufzeichnen und dem Landwirt zur Verfügung stellen.
Dieser kann mithilfe entsprechender Software-Lösungen die Daten analysieren und auf dieser Grundlage Maßnahmen ergreifen. Sind zum Beispiel Luftfeuchte, Bodenfeuchte und Temperatur bekannt, kann der Landwirt vor dem Hintergrund seines Fachwissens Wahrscheinlichkeiten ermitteln, ob Pilzkrankheiten an Pflanzen auftreten werden. Und er kann frühzeitig prophylaktisch dagegen vorgehen und so betriebswirtschaftlich und ökologisch vorausschauend handeln.
1. Anwendungsbeispiel: Wetterstation
Die Landwirtschaft wird massiv vom Wetter beeinflusst. Eine IoT-Wetterstation, die auf LoRaWAN basiert, bietet Landwirten präzise Informationen über die Wetterbedingungen. Diese sind entscheidend für die Pflege der Pflanzen und die Planung der Bewässerung. Die kontinuierliche Überwachung und Analyse des Wetters ermöglicht es außerdem, Umweltveränderungen zu dokumentieren. Mit diesen Daten können Landwirte eigenständig Wetterextreme und Klimaveränderungen lokal monitoren. Zum Beispiel lassen sich sogar die Blitzeinschläge in einem bestimmten Gebiet – wie beispielsweise auf einem Feld oder einer Weide – zählen.
Eine solche Wetterstation ist nicht einfach ein alleinstehender Sensor. Es handelt sich um eine individuelle Komposition von Sensoren in widerstandsfähigen Gehäusen, die den Wettereinflüssen standhalten, die sie messen. Mit dabei sind immer ein Kommunikationsmodul, das die Daten der Sensoren versendet. Die Stromversorgung erfolgt heute zumeist über ein Solarpanel, so dass die Wetterstation autark betrieben werden kann. Je nach Bedarf und Budget kann Art und Anzahl der Sensoren individuell gewählt werden: Über Solarpanels betriebene Wetterstationen gewährleisten mit der Energie der Sonne eine umweltfreundliche und autonome Stromversorgung.
Gleichzeitig können Sensoren Auskunft über die photosynthetisch wirksame Sonneneinstrahlung oder den UV-Index geben. Der Luftdruck wird in der Wetterstation durch Barometer gemessen. Er spielt eine zentrale Rolle in der Meteorologie, da Veränderungen des Luftdrucks oft mit Wetteränderungen einhergehen, wie dem Wechsel von Hoch- zu Tiefdruckgebieten. Für die kontinuierliche Überwachung der Lufttemperatur sind in der Wetterstation Thermometer integriert. Die erfassten Werte sind entscheidend für die Wettervorhersage und helfen den Landwirten dabei, saisonale Klimatrends und extreme Wetterbedingungen zu verstehen, Wahrscheinlichkeiten für deren Eintreffen zu ermitteln und Maßnahmen abzuleiten.
Der Feuchtigkeitsgehalt in der Luft wird mithilfe sogenannter Feuchtesensoren ermittelt. Eine hohe Luftfeuchtigkeit führt oft zu einer schwülen Wetterlage und kann die Bildung von Wolken und Gewittern begünstigen. Niedrige Feuchtigkeitswerte sind dagegen typisch für trockene und klare Bedingungen. Windsensoren, auch Anemometer genannt, messen Windgeschwindigkeit und -richtung. Diese Messwerte sind entscheidend für die Wettervorhersage. Die Messung des Niederschlags mittels spezialisierter Sensoren wie Regenmessern ermöglicht es, präzise Daten zur Niederschlagsmenge zu sammeln. Diese Messwerte sind für die Bewässerungsplanung, die Wettervorhersage oder die Planung von Hochwasserschutzmaßnahmen von großer Bedeutung.
2. Anwendungsbeispiel: Bodenfeuchtigkeit auf dem Feld
Aktuelle Informationen über die Feuchtigkeit des Bodens sind für Landwirte von großem Wert. Denn die Bodenfeuchtigkeit beeinflusst das Wachstum der Pflanzen und damit die Erträge und das Bewässerungsmanagement. Spezialisierte Sensoren in einem LoRaWAN können stündlich Messwerte zur Bodenfeuchte liefern und ermöglichen so ein kontinuierliches Monitoring über lange Zeiträume.
Landwirte profitieren davon in mehrfacher Hinsicht: Sie können die Bewässerung effizienter gestalten. Denn Bodenfeuchtesensoren messen präzise den Feuchtigkeitsgehalt im Boden, sodass Landwirte genau wissen, wann und wie viel sie für eine optimale Pflanzenentwicklung bewässern sollten. Und sie leisten einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz. Denn eine bedarfsgerechte Bewässerung auf Basis von Bodenfeuchtemessungen hilft, den Wasserverbrauch zu reduzieren und somit begrenzte Ressourcen zu schonen. Zudem minimieren sie das Risiko von Überdüngung und Auswaschung von Nährstoffen.
Das Monitoring der Bodenfeuchte mit Sensoren spart Arbeitszeit und damit Kosten. Denn auf Basis der Messwerte lässt sich die gesamte Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen automatisieren. Ein zu nasses oder zu trockenes Substrat kann Pflanzenstress verursachen und das Wachstum beeinträchtigen. Eine präzise Steuerung der Bewässerung hält die Pflanzen gesund und macht sie widerstandsfähig gegen Krankheiten und Schädlinge. Zusätzliche Kosten, etwa durch Fäuleschäden in einem zu nassen Boden, können vermieden werden. Auf Basis des LoRaWAN können Landwirte hocheffiziente Wasserversorgungssysteme entwickeln, mit denen die Betriebe langfristig viel Geld einsparen und die Umwelt schonen.
3. Anwendungsbeispiel: Optimierte Kompostierung auf Tiny Farms
Betreiber von Tiny Farms, die professionell kompostieren, können ihre Anbaumethoden auf nachhaltige Weise optimieren. Die Kompostierung lässt sich qualitativ deutlich verbessern, wenn die Temperaturen in den Anlagen mithilfe von spezialisierten Einstechsensoren engmaschig überwacht werden.
Denn eine optimale Temperaturführung fördert die Aktivität der Bodenlebewesen und stellt eine schnelle Zersetzung organischer Materialien sicher. Wird eine ideale Temperatur aufrechterhalten, verbessert dies die Bodenqualität und Pflanzengesundheit nachhaltig. Durch die Optimierung des Prozesses können landwirtschaftliche Betriebe ihre Abfallverwertung verbessern, den Bedarf an externen Düngemitteln reduzieren und letztlich ihre Nachhaltigkeitsziele effektiver erreichen.
Über den Autor Jan Bose
Jan Bose ist geschäftsführender Gesellschafter der Alpha-Omega Technology GmbH & Co. KG. Geboren 1977 in Weimar, absolvierte er ein Studium im Wirtschaftsingenieurwesen an der TU Ilmenau. Bereits seit 1999 ist er in der Unternehmensberatung tätig. Im Jahr 2009 gründete er die Alpha-Omega Projects GmbH, die sich auf die Beratung von Energieversorgern spezialisiert. 2016 folgte die Gründung der Alpha-Omega Technology GmbH & Co. KG, die ihren Schwerpunkt auf IoT-Beratung legt. Mit dem iot-shop betreibt er zudem den größten Online-Shop für LPWAN-Produkte in Europa.
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