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IoT in der Landwirtschaft

Mit smarten Sensoren gegen klimabedingte Ernteausfälle

24. September 2024, 9:30 Uhr | Autor: Jan Bose / Redaktion: Diana Künstler

Immer häufiger auftretende Wetterextreme erschweren der Landwirtschaft eine langfristige Planung der Produktionsprozesse. Besonders stark leiden kleine Betriebe wie Biohöfe, Tiny Farms oder Familienbetriebe. Ein selbstbetriebenes sensorbasiertes IoT kann helfen, negative Auswirkungen zu begrenzen.

Einfache Sensoren erfassen hierbei einzelne spezifische Werte, die die Landwirte sammeln und analysieren können: von der Bodenfeuchte oder des pH-Wertes auf dem Feld, der Temperatur im Stall oder innerhalb des Kompostes über die Füllstände der Futterbehälter und die Luftfeuchtigkeit bis zur Blattfeuchte einzelner Pflanzen. Wetterstationen kombinieren mehrere Sensoren und zeichnen Daten zu Umweltbedingungen wie Temperatur, Wind, Blitzeinschlägen oder Niederschlag auf. 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.

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Mithilfe von datenbasiertem Monitoring, Analyse und Prognose erhalten sie zum Beispiel Hinweise auf bevorstehende Schädigungen an den Pflanzen, können Trocken- und Wasserstress reduzieren und wirtschaftlich kritische Ernteausfälle begrenzen. Landwirte können sogar eine datenbasiert optimierte Bewässerungs- und Düngestrategie entwickeln. So werden Ressourcen geschont und weniger umweltschädliche Düngemittel eingesetzt. 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 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 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 lässt sich eine kleine und unkompliziert erweiterbare Infrastruktur realisieren.

Ein sensorbasiertes LoRaWAN-Netzwerk beispielsweise ist folgendermaßen aufgebaut: Die Funktechnologie überträgt die Messwerte 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 kritische Werte erreicht werden

Die Funkstandards LoRaWAN und NB-IoT

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. Der lizenzfreie Funkstandard überträgt Sensordaten kontinuierlich, auch über große Distanzen. Dadurch eignet sich die Lösung für lokal begrenzte Projekte. Die 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 Infrastruktur 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.

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 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 Messwerte wie Temperatur oder Feuchtigkeit übermitteln.

Anwendungsbeispiel Wetterstation

Eine LoRaWAN-basierte IoT-Wetterstation 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. Eine IoT-Wetterstation ist eine individuelle Komposition von Sensoren in widerstandsfähigen Gehäusen. Mit dabei ist immer ein Kommunikationsmodul, das die Daten der Sensoren versendet. 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. Veränderungen des Luftdrucks gehen oft mit Wetteränderungen einher, 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 und Wahrscheinlichkeiten für deren Eintreffen zu ermitteln. Den Feuchtigkeitsgehalt in der Luft messen sogenannte Feuchtesensoren. Eine hohe Luftfeuchtigkeit führt oft zu einer schwülen Wetterlage und kann die Bildung von Gewittern begünstigen. Niedrige Feuchtigkeitswerte sind dagegen typisch für trockene 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 Daten sind für die Bewässerungsplanung, die Wettervorhersage oder die Planung von Hochwasserschutzmaßnahmen relevant.

Anwendungsbeispiel Bodenfeuchtigkeit auf dem Feld

Die Bodenfeuchtigkeit beeinflusst das Wachstum der Pflanzen und damit die Erträge und das Bewässerungsmanagement. Spezialisierte Sensoren 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 sie wissen genau, wann und wie viel sie für eine optimale Pflanzenentwicklung bewässern sollten. Und sie leisten einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz. Denn eine bedarfsgerechte Bewässerung hilft, den Wasserverbrauch zu reduzieren. Auf Basis der Messwerte lässt sich die gesamte Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen automatisieren – dies spart Arbeitszeit und damit Kosten. 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.

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.