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Frostschutz, 20.05.2023

Temperaturüberwachung agrarischer Flächen in einem sicheren Datenraum

Im Rahmen ihres berufsbegleitendes Master-Studiums im Bereich Cloud Computing Engineering beschäftigen sich die beiden Studenten Thomas Ederer (2210781006@fh-burgenland.at) und Martin Ivancsits (2210781020@fh-burgenland.at) mit dem Thema des sicheren Datenaustauschs durch Einsatz eines Data Spaces. Als praktischer Anwendungsfall wird dafür die Temperaturüberwachung von Agrarflächen herangezogen. Ziel ist es, den Landwirten und Landwirtinnen ein möglichst präzises Lagebild zu geben um rechtzeitig auf drohende Frostschäden reagieren zu können. Im Rahmen des „Tag der Technik im Burgenland - 22. Juni 2023“ werden sie ihr Projekt vorstellen und hoffen auf reichlich Feedback.
 

Aktueller Stand des Wissens

Die Produktion von Früchten auf Agrarflächen ist mehreren Risiken ausgesetzt. Eines davon sind Spätfröste im Frühjahr, wenn die Pflanzen bereits ausgetrieben haben ([12]). Berichte von Versicherungen ([13], [14], [15]) zeigen, dass derartige Frostereignisse zu Schäden in der Höhe von vielen Millionen Euro führen. Zur Vermeidung/Minderung dieser Kosten setzen landwirtschaftliche Betriebe auf unterschiedliche Maßnahmen. Wie in [9] beschrieben, können folgende Methoden eingesetzt werden:
  • Verhinderung von Wärmeabstrahlung
  • Luftumwälzung
  • Beregnung
  • Zufuhr von Wärmeenergie
  • physiologische Verfahren
Abgesehen von den physiologischen Verfahren haben alle anderen Methoden gemeinsam, dass Energie zur Verhinderung von Frostschäden eingesetzt wird.
Will man die Wärmeabstrahlung reduzieren, benötigt man eine Nebelmaschine die ihrerseits Strom oder Treibstoff und ein zu vernebelndes Medium (z. B. Wasser benötigt). Die Luftumwälzung sorgt dafür, dass die kalte Luft in Bodennähe (z. B. in Senken) mit der wärmeren Luft der Umgebung vermischt wird. Um das zu erreichen, werden Ventilatoren benötigt, die ihrerseits Strom oder Treibstoff verbrauchen.
Bei der Beregnung der Kulturen wird mit Erreichen der Frostgrenze Wasser auf die Pflanzen gesprüht. Das Wasser verwandelt sich in Eis und gibt dabei Wärmeenergie ab. Bei dieser Art der Prävention muss die Wasserzufuhr solange fortgesetzt werden, bis die Temperaturen wieder ausreichend stark angestiegen sind. Diese Methode verbraucht neben Strom bzw. Treibstoff für die Pumpen auch Wasser.
Bei der Zufuhr von Wärmeenergie zu den Kulturpflanzen werden auf den Anbauflächen Wärmequellen (z. B. Heizkerzen, Heizdrähte, brennende Strohballen, usw.) verteilt. Zusätzlich zu den Kosten für die zu verbrennenden Stoffe entstehen durch die Verbrennung Abgase und Feinstaub.

Neben diesen technischen Maßnahmen versuchen Pflanzenzüchter durch gezielte Selektion resistentere Sorten zu finden ([3], [5]). Eine weitere Möglichkeit bieten Pflanzenwachstums-regulatoren (siehe [8]). Diese werden auf die Pflanzen aufbracht, um dadurch das Austreiben der Pflanzen zu verzögern.

All diese Maßnahmen setzen voraus, dass die Landwirte und Landwirtinnen rechtzeitig über ein bevorstehendes Frostereignis informiert werden. Wie vorangegangene Forschungs-

arbeiten gezeigt haben, kann durch den Einsatz Cyber-Physischer-Systeme (CPS) ([7]) ein agrartechnisches System ([2], [4]) gebaut werden, dass die landwirtschaftlichen Betriebe mit Messdaten in Echtzeit direkt von deren Anbauflächen versorgt. Zum Einsatz kommen kostengünstige Sensoren, die ihre Daten per Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) verschicken ([6]).

Neben den Betrieben, die ihre Sensoren auf deren Feldern betreiben, haben auch Andere (z. B. Versicherungen) an den Messdaten Interesse (um z. B. in Zukunft genauere Vorhersagen und Warnungen erstellen zu können). Als Plattform für einen sicheren Datenaustausch bietet sich ein International Data Space (IDS) ([1], [10], [11]) an.
 

Methodischer Ansatz

Ziel der Arbeit ist es, einen End-to-End Anwendungsfall eines IDS zu erstellen, der für die feinmaschige Überwachung der Temperatur agrartechnisch genutzter Flächen genutzt werden kann. Das fängt bei den Sensoren an, die ihre Daten periodisch an ein Service schicken. Diese Daten werden im Service um die Global Positioning System (GPS) Koordinaten des jeweiligen Sensors angereichert und für künftige Anfragen aufbewahrt (Caching). Im IDS werden die Daten anderen Teilnehmer des Data Spaces angeboten. Für die konsumierende Seite wird ein weiteres Service erstellt, das die Sensordaten vom IDS abholt und diese in Form von Overlays auf einer Landkarte anzeigt. Abbildung 1 zeigt die Architektur der Anwendung.


 

Referenzen


[1] Edward Curry, Simon Scerri, and Tuomo Tuikka. 2022. Data Spaces: Design, Deployment, and Future Directions. Springer International Publishing,

Cham, 1–17. https://doi.org/10.1007/978-3-030-98636-0_1

[2] Hao Ding, Limin Liu, and Zhao Liang. 2023. Research on Environmental Monitoring and Prediction Method of Orchard Frost Based on Wireless

Sensor Network. In Advances in Guidance, Navigation and Control, Liang Yan, Haibin Duan, and Yimin Deng (Eds.). Springer Nature Singapore,

Singapore, 7323–7332.

[3] Hatice Dumanoglu, Veli Erdogan, Ali Kesik, Said Efe Dost, Rabia Albayrak Delialioglu, Zahide Kocabas, Cemil Ernim, Tahir Macit, and Melike Bakir.

2019. Spring late frost resistance of selected wild apricot genotypes (Prunus armeniaca L.) from Cappadocia region, Turkey. Scientia Horticulturae

246 (2019), 347–353. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2018.10.038

[4] Yong He, Yu Tang, Qin Zhang, and Yiying Zhao. 2021. Agricultural IoT Standardization and System Applications. Springer International Publishing,

Cham, 23–40. https://doi.org/10.1007/978-3-030-65702-4_2

[5] Abdollah Khadivi-Khub and Zahra Khalili. 2017. A breeding project: The selection of promising apricot (Prunus armeniaca L.) genotypes with late

blooming time and high fruit quality. Scientia Horticulturae 216 (2017), 93–102. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2016.12.027

[6] Fatin N. Khairodin, Tharek Abdul Rahman, Olakunle Elijah, and Haziq I. Saharuddin. 2022. Smart IoT System for Chili Production Using LoRa

Technology. In International Conference on Intelligent Emerging Methods of Artificial Intelligence & Cloud Computing, Fausto Pedro García Márquez

(Ed.). Springer International Publishing, Cham, 22–33.

[7] João Victor Bonella Lopes, Ana Cecilia Villa-Parra, and Teodiano Bastos-Filho. 2021. A Cyber-Physical System for Low Cost Monitoring and

Sensing of Rural Areas Using Sensors, Microcontrollers and LoRa Network: Agriculture 4.0. In Human Interaction, Emerging Technologies and Future

Applications III, Tareq Ahram, Redha Taiar, Karine Langlois, and Arnaud Choplin (Eds.). Springer International Publishing, Cham, 461–467.

[8] Benjamin A. Loseke, Paul E. Read, and Erin E. Blankenship. 2015. Preventing spring freeze injury on grapevines using multiple applications of

Amigo Oil and naphthaleneacetic acid. Scientia Horticulturae 193 (2015), 294–300. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.07.025

[9] Markus Müller. 2018. „Untersuchungen zur Schadensminderung bei Spätfrösten in fränkischenWeinbergen“. Technical Report. Bayerische Landesanstalt

für Weinbau und Gartenbau. https://www.lwg.bayern.de/mam/cms06/weinbau/dateien/lwg_projekt-a1222_spaetfrostvermeidung_im_weinbau_

2018.pdf.

[10] Boris Otto, Michael ten Hompel, and Stefan Wrobel. 2019. International Data Spaces. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 109–128.

https://doi.org/10.1007/978-3-662-58134-6_8

[11] Heinrich Pettenpohl, Markus Spiekermann, and Jan Ruben Both. 2022. International Data Spaces in a Nutshell. Springer International Publishing,

Cham, 29–40. https://doi.org/10.1007/978-3-030-93975-5_3

[12] Melba Ruth Salazar-Gutiérrez, Bernardo Chaves, and Gerrit Hoogenboom. 2016. Freezing tolerance of apple flower buds. Scientia Horticulturae 198

(2016), 344–351. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.12.003

[13] Landwirtschaftskammer Österreich. 2023. Schwere Frostschäden im Obstbau. https://www.lko.at/schwere-frostschAďden-im-obstbau+2400+

3821066

[14] Österreichische Hagelversicherung. 2020. Spätfrost hat schwere Schäden im Obstbau verursacht. https://www.hagel.at/presseaussendungen/

spaetfrost-hat-schwere-schaeden-im-obstbau-verursacht/

[15] Österreichische Hagelversicherung. 2021. Frostige Zeiten im Obstbau. https://www.hagel.at/presseaussendungen/lokalaugenschein/

 

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