Anbindung von ISOBUS-Geräten an ein online Precision Farming System

Die Nutzung von Sensorsystemen bei der teilflachenspezifischen Bewirtschaftung eines Schlags steigert den Ertrag sowie die Wirtschaftlichkeit des Pflanzenanbaus. Dennoch tragen weitere Faktoren zur optimalen Nahrstoffversorgung einer Pflanze bei, als sie von solch einem lokal arbeitenden System erfasst werden. Um die Effizienz dieser Precision Farming Systeme auszubauen ist der nachste, hier erfolgreich durchgefuhrte Schritt die Anbindung der mobilen Landmaschine uber das Internet an eine regionsubergreifende Datenanalyseplattform und die Ausfuhrung zeitkritischer Optimierungsfunktionen auf der Landmaschine. 1 Anforderungen an effizientes Precision Farming Fur die teilflachenspezifische Bewirtschaftung des Schlags (Precision Farming) werden neben Applikationskarten, in denen z.B. Ausbringmengen von Produkten je Teilflache hinterlegt sind, Sensorsysteme eingesetzt. Das Ziel ist eine an die Standortgegebenheiten angepasste Nahrstoffversorgung der Pflanze sicherzustellen. Erfasste Daten, z.B. Ertragsund Bodendaten, dienen den vor der Anwendung durchgefuhrten Analysen. Die Phasen Datenerfassung, -analyse und -anwendung bilden einen Precision Farming Regelkreis. Der Regelkreis kann durch die vorhandene Technik abgebildet, aber nicht ausreichend automatisiert werden. So ist der Datenaustausch zwischen Landmaschine und Analysesystem vielfach nur manuell moglich, eine Aktualisierung der Daten auf der Landmaschine zur Laufzeit einer Anwendung fehlt. Letzteres ist z.B. bei unzureichendem Vorrat des Dungers und dem damit verbundenen Produktwechsel notwendig. Zur Effizienzsteigerung soll eine Datenanalyseplattform (online Precision Farming System, oPFS) die im Regelkreis erfassten Daten regionsubergreifend analysieren und Anwendungsberechnungen durchfuhren. Ziel des ISOCom-Forschungsprojekts [IS14] ist es, Mechanismen zu schaffen, um ISOBUS-Gerate [IS07] auf der Landmaschine uber das Internet mobil an dieses System anzubinden und Bestandteile des oPFS fur zeitkritische Berechnungen zur Landmaschine zu verschieben. Ein kontinuierlicher Anpassungsprozess der Daten auf der Landmaschine durch den Regelkreis soll die optimale Nahrstoffversorgung auch bei Anderungen der Anwendung gewahrleisten. 2 Systemarchitektur der ISOBUS-Anbindung Das oPFS bietet die fur die Datenanalyse, -berechnung und -verwaltung notwendigen Ressourcen. Durch den mobilen Einsatz eines Landmaschinengespanns muss die Anbindung an das oPFS uber ein flachendeckendes Mobilfunknetz erfolgen. Trotz der kontinuierlich steigenden Netzabdeckung gibt es weiterhin Gebiete mit schlechter oder unterbrochener Mobilfunkverbindung. Aus diesem Grund muss die Anbindung der ISOBUSGerate auch zwischenzeitliche Verbindungsausfalle kompensieren. Des Weiteren lassen sich nicht alle Berechnungen auf dem oPFS durchfuhren, da die Verzogerungen durch die zusatzlichen Ubertragungszeiten zwischen Landmaschine und oPFS fur die zeitnahe Verarbeitung zu gros sind. Zur Einhaltung dieser Zeitanforderung und Kompensation von Verbindungsausfallen stellt das ISOCom Projekt Mechanismen fur lokale Teilberechnungen auf der Landmaschine bereit. Da das oPFS die Algorithmen auf Basis der gesammelten Daten kontinuierlich optimiert, garantieren Aktualisierungsmechanismen die Verwendung der aktuellsten Algorithmen auf der Landmaschine. 2.1 Sensorund Aktoreinbindung auf der Landmaschine Die Einbindung von Sensoren und Aktoren auf der Landmaschine erfolgt uber den ISOBUS mittels ECUs (Electronic Control Unit,Abbildung 1). Als zentrales Bindeglied zwischen ISOBUS und oPFS dient ein TC (Task-Controller) mit erweitertem Kommunikationsmodul im ISOBUSTerminal. Eine Unterscheidung ist bei den in der Landtechnik verfugbaren Sensoren zu treffen. Einfache Sensoren (Abbildung 2a) stellen aufbereitete Daten zur weiteren Verarbeitung dem oPFS bereit. Intelligente Sensoren (Abbildung 2b) besitzen dagegen eigene Algorithmen und sind mit den vom oPFS bereitgestellten Daten in der Lage, den Aktor direkt mittels Peer-Control zu steuern. Bei der intelligenten Ausfuhrung kann das oPFS jedoch keinen Einfluss auf die im Sensor verwendeten Algorithmen nehmen. Abbildung 2: Kommunikationsbeziehungen der ISOBUS-Gerate Abbildung 1: Systemarchitektur Die Kombination von Sensoren und die Erfassung von Sensorwerten sind bei intelligenten Sensoren nur eingeschrankt moglich, da Hersteller ihre Systeme geschlossen gestalten. Einfache Sensoren ermoglichen die Kombination von Sensoren in einem Anwendungsprozess und die zentrale Algorithmenund Datenverwaltung im TC mit Erfassung der Messwerte. Wegen dieser Flexibilitat wird dieser Typ favorisiert. Dennoch werden beide Varianten unterstutzt. Fur die Konfiguration der ISOBUS-Kommunikation fehlen im ISOBUS geometrische Information wie eine automatisch erfasste Anbauposition. 2.2 Online Datenaustausch Die Anbindung der Landmaschine an das oPFS erfolgt uber Mobilfunk. Die in landlichen Bereichen oft eingeschrankte Ubertragungsrate erfordert eine Optimierung der Datenubertragung. Damit ein sicherer Zugriff erfolgt, wird ein virtuelles privates Netzwerk mit OpenVPN [Op14] aufgebaut. Der Datenaustausch wird autorisiert und uber eine verschlusselte TLS-Verbindung durchgefuhrt. OpenVPN bietet zudem den Datenkompressionsalgorithmus Lempel-Ziv-Oberhumer (LZO). Um Ubertragungen redundanter Daten zu vermeiden, werden die erfassten Punktdaten zu polygonbasierten Daten zusammengefasst. Die neuberechneten Teilbereiche der Applikationskarten werden zur Landmaschine ubertragen und mit der alten Applikationskarte zusammengefuhrt. Der ISOBUS sieht keine Aktualisierung der Auftragsdaten zur Anwendungslaufzeit vor. Im eingesetzten TC werden die Auftragsdaten durch einen parallelen Datenbankzugriff aktualisiert und stehen ohne Unterbrechung in der Anwendung zur Verfugung. Das oPFS verbessert kontinuierlich eingesetzte Daten und Algorithmen. Ebenso entstehen neue Anwendungen, z.B. die teilflachenspezifische Ausbringung von Pflanzenschutz. Um neue Anwendungen mit unbekannten Parametern nutzbar zu machen, wird der Zugriff mit den standardisierten Web-Schnittstellen Web Feature Service [Vr14] und Web Processing Service [Sc07] des Open Geospatial Consortium [OG14] realisiert. Die Landmaschine stellt lediglich eine Umgebung zur Schnittstellenabfrage und Algorithmenausfuhrung bereit. Fur den optimierten Aktualisierungsprozess der verschobenen Daten und Algorithmen kapselt das oPFS Wissen in Algorithmenbausteine. Hierdurch ist die Aktualisierung einzelner Bausteine moglich und ein Verbindungsausfall kann mit einem temporaren, lokalen Betrieb kompensiert werden. 3 Ergebnisse von Laborund Feldtests Das vorgestellte System wurde prototypisch realisiert und in Labor-/Feldtests verifiziert. Zunachst wurden Mobilfunkverbindungen in unterschiedlichen Netzen analysiert, gemittelte Durchsatz auf landlicher Flache zeigt Tabelle 1 a). OpenVPN erzielt unabhangig von der Funktechnologie (2G/3G) und der Netzabdeckung hohere Durchsatze. Grund ist die LZO-Komprimierung, die die Datengrose der ubertragenen Daten effektiv minimiert. Die eigentliche Ubertragungsrate der Verbindung andert sich nicht. Kartendaten weisen eine Grosenordnung von ca. 2 Mbyte je Hektar auf. Entsprechend den Feldtestergebnissen ist das Kartenformat (Shape/XML, Polygon/Raster) vernachlassigbar, da sich alle Formate stark komprimieren lassen (Ausgangsgrose ca. 1/3 1/10). a) Funktechnologien VPN Durchsatz HSDPA (3G) aus 843,3 kBit/s HSDPA (3G) an 2.352 kBit/s EDGE (2.5G) aus 87,1 kBit/s EDGE (2.5G) an 450 kBit/s b) Messung Durchsatz 1 1.692 kBit/s 2 2.026 kBit/s 3 2.606 kBit/s 4 3.087 kBit/s Tabelle 1: a) Durchsatzmessungen im Mobilfunk und b) adaptive LZO-Kompression Labortests haben zudem die adaptive Arbeitsweise der LZO-Komprimierung verdeutlicht. Das Verfahren uberpruft die zu ubertragenden Daten und konfiguriert die Komprimierung anhand dieser. So steigt der Durchsatz in Tabelle 1 b) mit jeder Ubertragungsmessung zum maximalen Komprimierungsfaktor an. Die Datenrate ist fur die Ubertragung komprimierter Karten ausreichend. Weiterhin erlaubte der erweiterte TC erstmals in einem Feldtest die Aktualisierung der Applikationskarte und/oder der Algorithmen zur Laufzeit der Anwendung. Ebenso konnten neue im oPFS erstellte Anwendungen direkt im Anschluss uber die Schnittstellen auf der Landmaschine verwendet werden. Die vom oPFS auf die Landmaschine verschobenen Algorithmen garantieren auch bei unterbrochener Mobilfunkverbindung eine Ausfuhrung der Anwendung.