LoRa-Netzwerke in der Landwirtschaft

Bewässerung einsparen und einen Effizienzgewinn für die Agrarindustrie: Das verspricht die Anwendung von Internet-of-Things (IoT)-Sensoren in der Landwirtschaft durch Geräte, die beispielsweise die Bodenfeuchtigkeit messen. Dennoch ist die Implementierung nicht frei von Herausforderungen, so zum Beispiel in der Sicherstellung der Konnektivität, damit die Daten den Erzeuger erreichen. Für die ländliche Konnektivität können LoRa-Netzwerke in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, die nur wenig Datenverkehr benötigen.

Die LoRa-Technologie ist nicht in jedem Fall von Vorteil. Dennoch ist die kostengünstig und erfüllt die Nachfrage nach IoT-Sensoren, die über ein großes Gebiet verteilt sind und Energieeffizienz erfordern. Denn die Netzwerkabdeckung der Technologie reicht über einen Radius von 18 km. Da sie ein Deep-Sleep-Konzept nutzt, das den Ruhezustand auslöst, wenn das Gerät nicht benutzt wird, können ihre Batterien im Feld zudem bis zu 10 Jahre halten. Die genutzte Bandbreite ist jedoch gering, daher können immer nur kleine Datenpakete übertragen werden.

„Da die ländliche Gegend kein hohes Bevölkerungsaufkommen hat, sind die Telekommunikationsanbieter nicht sehr daran interessiert, Konnektivität bereitzustellen. Dann begannen einige Technologien aufzutauchen, deren Hauptaugenmerk auf niedrigen Kosten und geringem Stromverbrauch liegt. Hier kommt das LoRa-Netzwerk ins Spiel, das eine sehr kostengünstige und energiesparende Alternative darstellt. Es muss nur dafür sorgen, dass die Informationen in der Zentrale oder an einem zentralen Punkt ankommen, von da an gibt es dann eine Reihe von Technologien, die von den Telekommunikationsbetreibern eingesetzt werden”, erklärt der CEO und Präsident von Go2neXt, Paulo Pichini.

Die LoRa-Technologie hat außerdem den Vorteil, dass sie mit anderen Technologien integriert arbeiten kann. „Die Zukunft geht dahin, dass mehrere Netzwerke zusammenarbeiten. Diese gemeinsame Nutzung verschiedener Konnektivitätstechnologien ist der Weg zum Internet der Dinge (IoT). Man braucht mehrere Netzwerke, die zusammenarbeiten, sodass eines das andere ergänzen und ein wenig als Backup dienen kann”, kommentiert der Executive Manager von Venturus, Marcelo Abreu.

Eine der Anwendungen von LoRA ist auf die Überwachung von Tieren auf Bauernhöfen spezialisiert. Laut Pichini können vernetzte Sensoren mit dieser Technologie bei der Verwaltung von Vieh und Schweinen helfen.

„Der Sensor, der am Vieh angebracht wird, hat einige Eigenschaften: Er speichert die geografische Position mit einer Abweichung von bis zu 5 Metern, er informiert auch über die Temperatur des Tieres und bestimmt, ob das Vieh steht oder läuft. Mit diesen Informationen kann der Landwirt auf dem Dashboard in der Zentrale erkennen, ob das Tier längere Zeit nicht in Bewegung war, wenn es eine hohe Temperatur hat. Wenn man bedenkt, dass ein krankes Rind alle anderen anstecken kann, ist es möglich, zu handeln und das kranke Tier vom Platz zu entfernen”, erklärt Pichini.

Die Sicherheit der Tiere selbst kann durch den Einsatz von Tags, die über LoRa verbunden sind, verstärkt werden, wie Abreu angibt: „Stellen Sie sich eine Farm mit Tausenden von Rindern vor. Wenn man die Herde vernetzt, kann man jederzeit wissen, wo sich die Rinder aufhalten. Es gibt immer noch viele Probleme mit Viehdiebstahl. Das LoRa-Netzwerk kann bei diesem Teil der Sicherheit helfen”.

Bei Schweinen ist es zudem möglich, mithilfe von Sensoren Krankheiten vorherzusagen. Laut Pichini erlauben die Tags die Identifizierung von Krankheiten anhand des Grunzens der Schweine bis zu fünf Tage vor dem Zeitpunkt, an dem die Krankheitsbestimmung ohne diese Technologie möglich wäre. So wird das Tier aus dem Betrieb entfernt und verhindert, dass andere angesteckt werden und geschlachtet werden müssen.

„Der Effizienzgewinn hängt von der Anwendung ab, vom Profil des Betriebs und davon, wie viel Technologie eingesetzt wird. Bei Schweinen schätzt man, dass die Verluste um 40 bis 50 Prozent sinken, weil die Tiere in Parzellen mit 50 bis 100 Tieren aufgeteilt werden. Wenn ein krankes Schwein entfernt wird, können wir eine Ansteckung vermeiden. Die Sensoren fangen mehr als 50 Prozent der Fälle vier Tage vorher ab, was eine Kontamination aller Tiere verhindert”, analysiert Pichini. Bei der Überwachung des Viehbestands würden Effizienzgewinne von 70 Prozent geschätzt werden, ergänzt er.

Nicht nur der Einsatz in der Herde ist mit LoRa-verbundenen Sensoren möglich. Auch Boden- und Klimaanlagen können damit verbunden werden. „In Brasilien sehen wir, dass Lösungen für klimatische Jahreszeiten an Bedeutung gewinnen. Wir haben ein tropisches Klima und das Auftreten von Niederschlägen muss sehr gut kontrolliert werden. Wir beobachten diese Bewegung von klimatischen oder meteorologischen Stationen mit großer Stärke”, sagt Gustavo Zarife, Direktor für Technologie der brasilianischen Vereinigung für Internet der Dinge (ABINC).

Diese Nutzung von LoRa-Netzwerken ermöglicht alles, vom Senden von Informationen über den Niederschlagsindex eines Feldes bis zur Kontrolle von pH-Wert und Bodenfeuchtigkeit. Die Daten sind wichtig, um den Landwirt bei seinen Entscheidungen zu unterstützen. Auch Korrekturen während der Produktion werden ermöglicht, um Ernteverluste zu vermeiden.

Direkt ab Beginn der Datenübertragung mit der LoRa-Technologie ist es möglich, einige Funktionen auf dem Feld zu automatisieren. So beispielsweise die automatisierte Aktivierung der Bewässerung, wenn die Bodenfeuchtigkeit gering ist.

„Es ist möglich, Feuchtigkeitsmessgeräte auf dem Boden zu platzieren und die Lesegeräte verstreut auf dem Feld zu lassen. Daher ist es interessant, dass das LoRa-Netzwerk kostengünstig ist und nicht viel Batterie verbraucht. Die mit dieser Technologie verbundenen Sensoren können so programmiert werden, dass sie über einen bestimmten Zeitraum Daten senden, sodass der Betriebsleiter bessere Entscheidungen treffen kann. Die Möglichkeit, Daten in Echtzeit zu sammeln, hilft in der Präzisionslandwirtschaft sehr”, sagt der Leiter des Agribusiness bei Venturus, Roberto Okumura.

Auch Lösungen für Getreidesilos können über LoRa eingebunden werden. Zarife weist auf Sensoren hin, die in der Lage sind, die Produktion von giftigen Gasen und die Kapazität des Silos zu messen. „Oft müssen die Landarbeiter auf die Spitze des Silos klettern, um ein Element zu beobachten. In dem Moment, in dem die Körner dort gelagert werden, kann es zu einer Ansammlung von giftigen Gasen kommen, die den Mitarbeiter in Ohnmacht fallen lassen und zu einem Arbeitsunfall führen können”, erklärt e

Große Hersteller von Landmaschinen, wie Traktoren und Erntemaschinen, bauen bereits Sensoren in ihre Geräte ein. Momentan liegt das Problem in der Verbindung zwischen dem Gerät und der Zentrale. Doch auch dieses Problem kann mit dem Einsatz von LoRa-Netzwerken gelöst werden. Durch die Sensoren ist es möglich, nicht nur die Position der Maschinen zu analysieren, sondern auch den Bedarf an Wartung zu diagnostizieren.

„Viele Betriebe sind so groß, dass der Traktor seine Arbeit in einem weit entfernten Gebiet verrichtet und erst nach Monaten zurückkommt. Daher ist es wichtig, die von den Sensoren dieser Maschinen generierten Informationen irgendwann herunterladen zu können. In einer idealen Welt wäre dieser Traktor online, aber eine gute Option ist es, die Geräte über das Backbone der Farm laufen zu lassen, das über eine Konnektivität zum Herunterladen der Informationen verfügt. Dies ist eine wichtige Anwendung und LoRa ist ein starker Kandidat, um der Träger der Informationen zu sein”, erklärt Pichini.

Die auf LoRaWAN-Protokoll basierten Lösungen werden auch bei der Überwachung des Waldwachstums eingesetzt. Insbesondere kommen sie beim Anbau von Holz für kommerzielle Zwecke zum Einsatz. Dort erfährt man beispielsweise, wie groß ein Baum ist und ob das Wachstum den Erwartungen entspricht.

Die Kommunikation innerhalb ländlicher Grundstücke kann mit LoRa-Netzwerken optimiert werden. Diese sind sehr effektiv, wenn es darum geht, textbasierte Informationen zu senden. Pichini weist darauf hin, dass aufgrund der fehlenden Konnektivität viele Landarbeiter entweder nicht kommunizieren oder ein teures Satellitentelefon benutzen.

Ein Prototyp von Venterus testete die Verwendung eines LoRa-Netzwerks für die Feldkommunikation. Ziel des Tests war es, zwei Geräte über dieses Netzwerk zu verbinden, um Nachrichten auszutauschen. Das Modell war erfolgreich beim Senden von textbasierten Informationen. Diese Nachrichten konnten große Entfernungen erreichen, die vorher nicht verbunden waren. Die Weiterleitung von zum Beispiel Audiodateien funktionierte bisher nicht.

„Es ist möglich, mit wenig Energie Daten über große Entfernungen zu übertragen, aber man muss wenig Informationen übertragen. Je nachdem, was die Konnektivität benötigt, wenn man Maschinen und andere Dinge bewegen muss, die keine großen Datenmengen für eine lange Zeit senden müssen, kann LoRa die Anforderungen erfüllen”, erklärt Abreu.

Sicherheit

LoRa-Netzwerke sind eine Option für eine Reihe von IoT-Anwendungen im Feld. Sichergestellt werden muss jedoch, dass die mit dieser Technologie gesendeten Daten sicher und zuverlässig sind. Es handelt sich bei LoRaWAN um eine Technologie mit nativer Verschlüsselung. Das heißt, eine Nachricht, die durch dieses Netzwerk läuft, verfügt über eine mit kryptografischen Schlüsseln verbundene Sicherheit

„Solange der Sensor korrekt funktioniert, gibt es ein gewisses Maß an Sicherheit, damit der Sensor eine Nachricht senden, durch die Cloud gehen und die Anwendung erreichen kann. Heute ist die Sicherheit von LoRaWAN hoch und es ist immer noch möglich, Elemente in das Gerät einzubauen, um eine zusätzliche Sicherheitsebene zu schaffen”, sagt Zarife.

Die LoRa Alliance®, ein weltweiter Zusammenschluss von Unternehmen, die den offenen LoRaWAN-Standard für Low-Power-Langstrecken-Netzwerke (LPWANs) unterstützen, weist darauf hin, dass der Verbindungsstandard sehr sicher ausgelegt ist. So zum Beispiel durch Authentifizierung und Verschlüsselung als obligatorische Elemente.

Eine Warnung besteht jedoch für nicht sicher aufbewahrte Sicherheitsschlüssel, oder wenn diese nicht geräteübergreifend zufällig sind. Auch einmal wiederverwendete kryptografische Nummern (Nonces) können ein Risiko darstellen, dass Netzwerke und Geräte kompromittiert werden könnten. Laut dem Verband sollte man nach LoRaWAN-zertifiziertenCM-Geräten Ausschau halten, um sicherzustellen, dass das Gerät gegen den Standard getestet wurde und wie erwartet funktioniert.

Laut der LoRa Alliance® muss die inhärente Sicherheit des LoRaWAN-Protokolls von einer sicheren Implementierung und dem sicheren Aufbau von Geräten und/oder Netzwerken begleitet werden, um die nativen Sicherheitsmechanismen des Protokolls zu erhalten. Es ist wichtig, zertifizierte Geräte zu verwenden und mit vertrauenswürdigen Anbietern zu arbeiten.

Es ist auch notwendig, die Bedürfnisse jedes Netzwerktyps zu differenzieren. Dabei wird zwischen privat und national unterschieden. Zarife erklärt, dass der Endnutzer von nationalen Netzwerken, wie ATC LoRaWAN in Brasilien, sich nicht um die Überwachung der Infrastruktur kümmern muss, da der Vertrag Service Level Agreements vorsieht, die eingehalten werden müssen. „Es gibt Unternehmen, die sich um diesen Betrieb kümmern”, betont er.

In einem privaten Netzwerkmodell muss sich der Kunde, der die Infrastruktur einrichtet, um Themen wie die Installation des Gateways, die Festlegung der Backhaul-Technologie, die Einspeisung der Energieinfrastruktur und die Durchführung des Betriebs sowie der Wartung des Gateways kümmern. Laut Zarife erlauben private Netzwerklösungen die Definition von Parametern und Alarmen zur Überwachung des Gateways.

„Es ist eine Herausforderung, ein privates Netzwerk zu erstellen und zu betreiben. Für ein isoliertes Gateway in einem begrenzten Gebiet habe ich kein Problem damit, ein privates Netzwerk einzurichten. Aber wenn wir anfangen, über sehr große Anwendungen nachzudenken, kann es interessant sein, ein Netzwerk zu wählen, das von einem Dritten betrieben wird, wenn das Gebiet von einem nationalen Netzwerk abgedeckt wird”, gibt Zarife an. Es gibt auch Modelle, die die Verbindung beider Netzwerke und sogar die gemeinsame Nutzung von Netzwerken zwischen benachbarten Landwirten ermöglichen.

Pichini rechnet vor, dass das LoRa-Netzwerk nur für 30 Prozent der Datenzuverlässigkeit verantwortlich ist. Der Rest hänge mit der Qualität der vom Sensor generierten Informationen zusammen. „Das LoRa verfügt über eine Reihe von zuverlässigen Mechanismen, die, wenn die Sensorinformationen unterwegs verloren gehen, ein Signal zurücksenden, damit die Informationen erneut gesendet werden können. Somit sind die Daten, wenn sie ankommen, zuverlässig. Wenn sie nicht zuverlässig sind, könnte es ein Anwendungsproblem bei der Erfassung von Informationen sein”, überlegt er.

Die Überwachung der Sensoren ist eine Herausforderung im Feld, wo diese Tags über große Flächen angebracht werden. Okumura verweist auf den Einsatz von Künstlicher Intelligenz am Gateway, um zu analysieren, ob die Informationen zur richtigen Zeit empfangen werden. „Auch ohne künstliche Intelligenz wird dies von jemandem gelesen, der sich im Feld auskennt: Diese Person kann sehen, ob etwas schiefläuft oder nicht. Von dort aus kann eine Wartung oder Diagnose durchgeführt werden, um herauszufinden, was die Fehler im Signal verursacht”, erklärt er.

Das Netzwerk ist für die Gewährleistung der Übertragungsstabilität verantwortlich. Laut Pichini ist es sowohl in Bezug auf die Batterie als auch auf die Verbindung zuverlässig. Bei der Installation einer LoRa-Infrastruktur werden Stabilitätstests durchgeführt. Die Verbindung sollte nur bei einem Stromausfall oder bei sehr aggressivem Schlechtwetter abreißen. „Die Chance, dass die Verbindung abbricht, ist sehr gering, viel geringer als zum Beispiel bei Wi-Fi”, vergleicht er.

Die Sicherheitsrichtlinien von LoRa-Netzwerken müssen an zwei Punkten ansetzen: bei der Sicherheit des Netzwerks, also der Garantie, dass die Verbindung stabil ist, und beim Schutz der Daten. Dazu muss die Netzwerkarchitektur unter Berücksichtigung des Wetters des Ortes entworfen werden, schließlich handelt es sich um eine drahtlose Technologie. Darüber hinaus muss die Anwendung, die die Daten nutzen wird, mit einer Firewall Sicherheitsprotokolle befolgen und in der Lage sein, Malware und Hacker zu erkennen.

LoRa wird sich in diese Umgebung integrieren. Die Technologie verfügt nicht über eine Firewall, sondern nutzt die bereits vorhandene Firewall. LoRa setzt den Fokus nicht darauf, Informationssicherheit zu betreiben, sondern eine sichere Übertragung zu ermöglichen”, fasst Pichini zusammen.