Messdaten vom Feld direkt zum Landwirten

Zusammenfassung

Ich entwickle ein System, das Messwerte von einem Feld über das Mobilfunknetz an einen Server überträgt. Ein funktionierender Prototyp sendet bereits zuverlässig Daten. Zusätzlich teste ich einen Sensor für Bodenfeuchtemessung. Als Nächstes stehen eine neue Leiterplatte und längere Außentests an.

Eine praktische Frage

Wie lassen sich Bedingungen auf einem Feld beobachten, ohne jedes Mal selbst zum Messpunkt fahren zu müssen? Mit dieser Frage hat mein Projekt begonnen: Ich entwickle ein kleines Gerät, das Umweltdaten erfasst und aus der Ferne an einen Server sendet.

Dafür verbinde ich Elektronik, Mobilfunk und Software. Das Ziel ist einfach: Messwerte auch von Orten empfangen zu können, an denen es keinen normalen Internetanschluss gibt. Landwirtinnen und Landwirte oder Forschende könnten die Daten dann aus der Ferne abrufen. Das Projekt befindet sich noch in Entwicklung und ist kein fertiges Produkt. Erst Tests im Freien werden zeigen, wie gut es sich im Alltag bewährt.

Vom ersten Prototyp zur funktionierenden Verbindung

Der erste Prototyp basiert auf einem kleinen Rechner auf einer Platine. Er erfasst Daten und überträgt sie mit NB‑IoT – einem Mobilfunkdienst für Geräte, die nur kleine Datenmengen senden – über das Internet. Die Verbindung mit einem SIM7080-Modem funktioniert inzwischen zuverlässig: Der Prototyp sendet Daten an meinen Server.

Die SIM-Karten stellen die Mobilfunkverbindung bereit, über die der Prototyp seine Daten sendet.

Bis dahin war mehr nötig, als nur Bauteile zusammenzustecken. Während der Entwicklung habe ich den Prototyp mehrfach angepasst und unter anderem ein Bauteil zur Steuerung der Stromversorgung ergänzt. Dabei wurde deutlich: Ein Feldgerät muss nicht nur einmal auf dem Schreibtisch funktionieren, sondern auch für den späteren Einsatz ausgelegt sein.

So sieht der funktionierende Prototyp derzeit aus: noch ziemlich provisorisch, aber er sendet zuverlässig Daten an meinen Server.

Die Nahaufnahme zeigt die zusätzlichen Platinen und Kabel, mit denen ich den Prototyp aufgebaut habe.

Neben dem zusammengesteckten Testaufbau entwickle und teste ich auch die Leiterplatten selbst.

Auch die Empfangsseite betreibe ich selbst: Eine Serveranwendung nimmt die Gerätedaten entgegen. Der Server steht in einem Rechenzentrum und läuft neben den Diensten für meine Website, E-Mail, Überwachung und Datensicherung. Weil ich beide Seiten aufbaue, kann ich den gesamten Weg nachvollziehen – vom Messwert auf dem Feld bis zu den Daten auf einem von mir betriebenen Dienst.

Wie die Software die einzelnen Teile verbindet

Hinter den Platinen arbeiten mehrere Software-Bausteine zusammen: Das Gerät erfasst und speichert Messwerte, ein Mobilfunkmodem überträgt sie an meinen Server, und der Server legt sie ab und stellt sie für das Dashboard bereit. Die folgenden Grafiken zeigen den Datenweg des NB‑IoT-Prototyps. Der weiter unten beschriebene Arduino-Aufbau für den Bodenfeuchtesensor ist ein separates Vorhaben.

Der Weg der Messdaten vom Feldgerät bis zum Web-Dashboard. Das Gerät behält eine lokale Kopie, bis der Server den Empfang bestätigt.

Bei jedem Aufwachen misst und speichert das Gerät Daten. Wenn ein Datenpaket fällig ist, sendet es die Messwerte und entfernt sie erst nach einer erfolgreichen Empfangsbestätigung aus dem Speicher.

Ein eigener Versuch zur Bodenfeuchte

Parallel zum NB‑IoT-Gerät arbeite ich mit einem Bodenfeuchtesensor, der über RS‑485 kommuniziert – eine kabelgebundene Verbindung, die häufig für Geräte über längere Distanzen verwendet wird. Der Aufbau wird mit Solarstrom versorgt und läuft in einem länger angelegten Test. Für diesen Versuch entwickle ich den Treiber, mit dem der Arduino die Sensordaten auslesen kann. Die Daten werden an agroadvisor.kraftsoftware.at übertragen.

Mit diesem Arduino-Aufbau entwickle und teste ich den Treiber für den Bodenfeuchtesensor. Der Sensor kommuniziert über RS‑485; am Arbeitstisch kann ich diese Verbindung vorbereiten, bevor sie sich im längeren Test bewähren muss.

Solarstrom ist Teil des Aufbaus, den ich für den Betrieb an einem entfernten Messpunkt teste.

Die beiden Projektteile untersuchen unterschiedliche Möglichkeiten, Messdaten im Feld zu erfassen und zu übertragen. Beim NB‑IoT-Prototyp steht die drahtlose Übertragung über das Mobilfunknetz im Mittelpunkt. Der Bodenfeuchteversuch erprobt, wie Sensor, Kabelverbindung und Solarstrom über längere Zeit zusammenspielen.

Wie es weitergeht

Eine zweite Version der NB‑IoT-Platine ist derzeit in Entwicklung. Sie soll mit SMD-Bauteilen aufgebaut werden – kleinen Komponenten, die direkt auf die Leiterplatte gelötet werden. Dadurch kann die Elektronik kompakter und stärker integriert werden. Die folgende Abbildung zeigt den aktuellen Entwurf, nicht ein fertiges Feldgerät.

Die nächste Platinenrevision ist noch in Arbeit; zu sehen ist ein Entwurf und kein fertiges Produkt.

Als Nächstes möchte ich die Platine fertigstellen, die Sensorsoftware vervollständigen und die Geräte für Außentests in ein IP68-Gehäuse einbauen. Das Gehäuse und der vollständige Feldtest stehen noch bevor. Dabei wird sich zeigen, wie zuverlässig die Daten ankommen, wie gut die Stromversorgung ausreicht und wie sich der Aufbau unter echten Feldbedingungen bewährt.

Das abgebildete Gehäuse dient der Vorbereitung auf Außentests. Ob der fertige Aufbau die Anforderungen der Schutzart IP68 erfüllt, muss noch geprüft werden.