Entwurf eines effizienten intelligenten Bewässerungssystems: Schlüsselmerkmale und Strategien für den Erfolg

Ist Ihnen bewusst, dass unglaubliche 70% des weltweit entnommenen Wassers für die Bewässerung verwendet werden? Leider ist dies auch der Ort, an dem der Großteil der Wasserverschwendung stattfindet, denn etwa 60 % des Bewässerungswassers geht durch Verdunstung, Abfluss und ineffiziente Nutzungsmethoden verloren. Angesichts der wachsenden Weltbevölkerung und der schwindenden Süßwasserressourcen besteht dringender Handlungsbedarf, um die Sammlung, Nutzung und Speicherung von Wasser auf globaler Ebene zu verbessern. Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit, unsere Ressourcen intelligenter und effizienter zu verwalten, insbesondere in aufstrebenden Branchen, die durch das Internet der Dinge (IoT) angetrieben werden. Heute werden wir uns mit der intelligenten Bewässerung befassen und zeigen, wie sie eine wichtige Rolle bei der Linderung des weltweit zunehmenden Wasserstresses spielen kann.

Abbildung 1: Bewässerung durch Sprinkleranlage. (Bildquelle: Radiocrafts)

In diesem Blog-Beitrag werden wir daher die wichtigsten Faktoren untersuchen, die den Markt für intelligente Bewässerungssysteme beeinflussen, die spezifischen Herausforderungen identifizieren, die es zu bewältigen gilt, und Radiocrafts RIIM (Radiocrafts Industrial IP Mesh) als vielversprechende Lösung für intelligente Bewässerungssysteme vorstellen.

Was sind die treibenden Kräfte auf dem Markt für intelligente Bewässerung?

Die Nachfrage nach umweltfreundlichen Systemen und nachhaltigem Ressourcenmanagement ist zu einer treibenden Kraft auf dem Markt für intelligente Bewässerung geworden. Es besteht ein wachsender Bedarf an der Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Architekturen, die unseren ökologischen Fußabdruck minimieren. Darüber hinaus besteht eine wachsende Notwendigkeit, diese Ziele auf kosteneffiziente Weise zu erreichen, so dass die Entwicklung einer solchen Infrastruktur leichter zugänglich und machbar ist.

Intelligente Bewässerung hat die bemerkenswerte Fähigkeit, die Entwicklung von Bewässerungssystemen und die Nahrungsmittelproduktion an bisher unwirtlichen Orten, einschließlich Wüstenlandschaften, zu ermöglichen. Es mag kontraintuitiv erscheinen, aber mit intelligenter Bewässerung können wir die Sichtweise auf Wüsten revolutionieren - sie sind nicht länger unfruchtbare Einöden, sondern fruchtbare Böden für die Nahrungsmittelproduktion. Diese Technologie hat das Potenzial, trockene Landschaften in üppige, nahrungsproduzierende Paradiese zu verwandeln, die es uns ermöglichen, den steigenden Nahrungsmittelbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung zu decken. Darüber hinaus ist eine intelligente Bewässerung besonders wichtig in armen Regionen wie der Sahara in Afrika, wo die lokale Nahrungsmittelproduktion eine entscheidende Rolle für die Ernährung der Bevölkerung und die Verbesserung der Ernährungssicherheit spielen kann.

Abbildung 2: Fortschrittliche Landwirtschaft in Wüstengebieten. (Bildquelle: Radiocrafts)

Dennoch ist der Markt für intelligente Bewässerung mit bestimmten Einschränkungen konfrontiert, wie z. B. dem begrenzten Zugang zu Wasser, der Verfügbarkeit von Ackerland und ausreichenden Arbeitskräften für die effektive Verwaltung des Bewässerungssystems.

Was sind die spezifischen Probleme, die bei der intelligenten Bewässerung gelöst werden müssen?

Beim Aufbau eines effizienten, intelligenten Bewässerungssystems gibt es mehrere Herausforderungen im Bereich der drahtlosen Kommunikation, die es zu bewältigen gilt. Einige der wichtigsten Anforderungen sind:

• Zuverlässige Vernetzung: Geringe Paketverluste und eine hohe Paketempfangsrate von 99,99 % sorgen für eine stabile und zuverlässige Kommunikation.
• Geringe Latenz: Niedrige Latenzzeit von etwa 10 ms für Echtzeitanwendungen, bei denen Verzögerungen inakzeptabel sind, bei gleichzeitiger Unterstützung von Anwendungen, die etwas längere Verzögerungen tolerieren können, z. B. bei langsam ablaufende Prozesse wie Prozessüberwachung und Wartungsüberwachung.
• Ausreichende Reichweite und Abdeckung: Eine ausreichende Reichweite und Abdeckung in großen, halboffenen ländlichen Gebieten ist notwendig, um eine nahtlose Vernetzung im gesamten Bewässerungssystem zu gewährleisten.
• Zwei-Wege-Kommunikation: Eine Zwei-Wege-Kommunikation ermöglicht nicht nur die Daten von Sensoren zu erfassen, sondern auch Geräte wie Ventile zu steuern, was den Fernbetrieb und die Steuerung des Bewässerungssystems ermöglicht.
• Einfache Implementierung: Eine einfache Implementierung ist notwendig, insbesondere in rauen Umgebungen wie Wüsten, wo das System extremen Bedingungen standhalten muss.
• Hohe Zuverlässigkeit: Lange Batterielebensdauer für zuverlässigen Betrieb und weniger häufige Batteriewechsel an abgelegenen Standorten.
• Einfache Installation: Einfache Installation ohne zusätzliche Stromkabel, was die Aufstellung des Systems an verschiedenen Orten erleichtert.
• Over-the-Air(OTA)-Updates: Ermöglichung von OTA-Updates (Aktualisierung über Funkverbindung) der Firmware, um berührungslose Aktualisierungen zu ermöglichen, insbesondere an abgelegenen und schwer zugänglichen Orten, wo der physische Zugang schwierig sein kann.

Die Bewältigung dieser Herausforderungen im Bereich der drahtlosen Kommunikation ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung eines robusten und effizienten intelligenten Bewässerungssystems, das in unterschiedlichen Umgebungen zuverlässig funktioniert und die Wassernutzung für den landwirtschaftlichen Bedarf effektiv optimiert.

Abbildung 3: Überwachung von Sensordaten. (Bildquelle: Radiocrafts)

Radiocrafts Maschennetzwerk mit großer Reichweite als effiziente Lösung für intelligente Bewässerungssysteme

Die RIIM-Lösung (Radiocrafts Industrial IP Mesh) von Radiocrafts ist ein vollständig eingebettetes industrielles IoT-Maschennetzmodul, das alle wesentlichen Komponenten für ein komplettes drahtloses Netzwerk enthält, ohne dass Lizenz- oder Abonnementkosten anfallen. Mit dem Kauf des RIIM-Moduls erhalten Sie eine sofort einsatzbereite Lösung für Ihr intelligentes Bewässerungssystem. Darüber hinaus ermöglicht die Maschennetzwerk-Architektur von RIIM eine Selbstbildung, Selbstheilung und Selbstoptimierung, wodurch die Installation und Implementierung Ihres intelligenten Bewässerungssystems erheblich vereinfacht wird.

(Bildquelle: Radiocrafts)

RIIM von Radiocrafts bietet eine beeindruckende Abdeckung von etwa 80 x 80 km² in einer halboffenen ländlichen Umgebung. Es unterstützt bis zu 1400 Meter zwischen Geräten und kann Daten über das Netzwerk verteilen, indem es die Daten bis zu 28 Mal von Gerät zu Gerät weiterleitet (28 Maschensprünge). RIIM kann außerdem bis zu 1000 Knoten für einen einzigen Border-Router (Grenzrouter) (Gateway) aufnehmen, was zur Senkung der Installationskosten beiträgt, da weniger Gateways für groß angelegte Implementierungen benötigt werden. Wenn Sie eine noch größere Fläche abdecken möchten, können Sie einfach einen weiteren Grenzrouter hinzufügen.

Eines der einzigartigen Merkmale von RIIM ist sein ICI-Framework (Intelligente C-programmierbare I/O), das gewährleistet, dass das Verhalten des Moduls auf die spezifischen Anforderungen jedes Kunden zugeschnitten werden kann. Die ICI-Anwendung läuft immer auf dem Modul und ermöglicht die Konfiguration des Funknetzes, der Hardwareschnittstellen sowie Lese- und Schreibvorgänge für diese Schnittstellen. Das bedeutet, dass Sie eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren, wie z. B. Bodenfeuchtesensoren, Wasserventilsteuerungen, UV-Sensoren, Regen-/Frostsensoren, Windsensoren und vieles mehr, direkt anschließen können, ohne dass externe Schaltungen erforderlich sind.

Darüber hinaus unterstützt RIIM das Mist-Computing, das die Bandbreitenanforderungen reduziert und schnelle Reaktionen auf lokale Ereignisse ermöglicht. Dies ermöglicht eine effiziente Datenverarbeitung und Entscheidungsfindung vor Ort, wodurch die Notwendigkeit der Datenübertragung in die Cloud minimiert wird und Echtzeitmaßnahmen auf der Grundlage lokaler Sensordaten möglich sind. Das ICI-Framework und das Mist-Computing von RIIM machen es zu einer leistungsstarken und flexiblen Lösung für intelligente Bewässerungssysteme, die eine zuverlässige und kosteneffiziente Leistung bietet.

Abbildung 4: Das ICI-Framework von Radiocrafts. (Bildquelle: Radiocrafts)

Ein wesentlicher Vorteil von RIIM ist die Unterstützung der symmetrischen 2-Wege-Kommunikation, die für die Ventilsteuerung in intelligenten Bewässerungssystemen entscheidend ist. Im Gegensatz zu vielen anderen IoT-Netzwerklösungen, die sich auf eine einseitige Sensordatenkommunikation konzentrieren, wurde RIIM so konzipiert, dass es sowohl Up-Link- als auch Down-Link-Kommunikation ermöglicht. Das bedeutet, dass RIIM nicht nur Sensormesswerte erfassen kann, sondern auch Geräte wie Ventile, die eine Downlink-Kommunikation erfordern, effektiv steuern kann. Dies macht RIIM zu einer vollständig symmetrischen Lösung, die eine nahtlose Kommunikation in beide Richtungen ermöglicht.

Dies ist besonders wichtig für intelligente Bewässerungssysteme, bei denen die Ventilsteuerung eine entscheidende Rolle bei der Verwaltung des Wasserflusses und der Optimierung der Bewässerungspläne spielt. Viele gängige LPWAN-Technologien (Low Power Wide Area Networking) haben Probleme mit der skalierbaren Downlink-Kommunikation, aber RIIM wurde speziell dafür entwickelt, diese Anforderung effizient zu erfüllen. Daher benötigen viele andere LPWAN-Lösungen etwa 1 Minute oder mehr, um ein Ventil zu öffnen und zu schließen, während RIIM dies in nur wenigen Sekunden schafft. Mit RIIM können Sie sowohl die Sensordatenerfassung als auch die Gerätesteuerung zuverlässig verwalten, was es zu einer umfassenden und zuverlässigen Lösung für intelligente Bewässerungsanwendungen macht.

Abbildung 5: Ventilsteuerung. (Bildquelle: Radiocrafts)

Darüber hinaus ermöglicht ein vollständig symmetrischer Kommunikationsansatz Over-The-Air-Updates (OTA) in RIIM. Das bedeutet, dass Sie die benutzerdefinierte ICI-Firmware auch dann aktualisieren können, wenn das Netzwerk bereits eingerichtet und voll funktionsfähig ist, so dass neue Sensoren oder Controller bei Bedarf nahtlos integriert werden können. Dies ist besonders wertvoll bei intelligenten Bewässerungssystemen, bei denen viele Stellen schwer zugänglich und über längere Zeiträume in Betrieb sein können. OTA-Firmware-Updates sorgen dafür, dass Ihr System auf dem neuesten Stand bleibt, ohne den Betrieb zu unterbrechen, und bieten eine bequeme und effiziente Möglichkeit, neue Funktionen hinzuzufügen oder die Performance zu verbessern.

RIIM ist auch für seine außergewöhnliche Zuverlässigkeit bekannt, dank der Unterstützung des zeitsynchronisierten Kanalsprungverfahrens TSCH (Time Synchronized Channel Hopping). TSCH ist eine Maschennetzwerktechnik, die entwickelt wurde, um Paketkollisionen zu minimieren und die allgemeine Zuverlässigkeit des Netzes zu erhöhen. Tatsächlich erreichen TSCH-basierte Netzwerke nachweislich eine Zuverlässigkeit von bis zu 99,99 %, was RIIM zu einer robusten und zuverlässigen Lösung für intelligente Bewässerungsanwendungen macht.

Darüber hinaus hat die Sicherheit bei RIIM Priorität. Es verfügt über eine Verschlüsselung mit einem Pre-Shared Key und unterstützt DTLS End-to-End-Sicherheit, so dass Ihr intelligentes Bewässerungssystem vor potenziellen Hackern geschützt bleibt. Mit RIIM können Sie sich darauf verlassen, dass Ihre Systemdaten sicher sind und Ihre Bewässerungsprozesse geschützt sind.

Abbildung 6: Windsensor. (Bildquelle: Radiocrafts)

RIIM wurde speziell für den Betrieb mit geringem Stromverbrauch entwickelt und ist daher ideal für langlebige Projekte, die auf Batteriebetrieb angewiesen sind. RIIM unterstützt zum Beispiel eine Batterielebensdauer von 7 Jahren mit nur 2 AA-Batterien. Wie ist das möglich? Durch die Integration verschiedener Funktionen, die zusammenarbeiten, um den Stromverbrauch zu minimieren, darunter:

• Stromsparende elektronische Komponenten: RIIM verwendet energieeffiziente elektronische Komponenten, die sicherstellen, dass der Gesamtstromverbrauch von Anfang an minimiert wird.
• „Sleepy“-Modus für Netzwerk-Blattknoten: RIIM ermöglicht es, Netzwerk-Blattknoten in einen stromsparenden „Sleepy“-Modus zu versetzen, der ihren Stromverbrauch auf ein Minimum von nur 4,7 uA reduziert und so die Lebensdauer der Batterie verlängert.
• Konfigurierbare Ausgangsleistung: Die Ausgangsleistung des Moduls kann angepasst werden, um unnötigen Stromverbrauch während des Sendebetriebs zu vermeiden und sicherzustellen, dass nur die erforderliche Leistung genutzt wird.
• Zeitsynchronisiertes Kanalsprungverfahren (TSCH): RIIM verwendet TSCH, das es den Maschennetzroutern ermöglicht, in den Ruhezustand zu gehen, wenn keine Zeitschlitze für eingehende oder ausgehende HF-Datenpakete vorhanden sind, um so Strom zu sparen.
• Datenverarbeitung mit ICI: RIIM unterstützt die Datenverarbeitung durch die benutzerdefinierte ICI-Firmware, die den Stromverbrauch erheblich senken kann. Dies ermöglicht Cloud Computing, bei dem nur relevante Daten, wie z. B. Alarme, die durch das Überschreiten von Schwellenwerten ausgelöst werden, an die Cloud gesendet werden, wodurch unnötige Datenübertragungen minimiert und Energie gespart wird.

Diese beeindruckende Batterielebensdauer macht RIIM zu einer ausgezeichneten Wahl für Projekte, die einen langfristigen Betrieb mit geringem Stromverbrauch erfordern, ohne dass die Batterien häufig ausgetauscht werden müssen.

Zusammenfassung

Da die Weltbevölkerung weiterhin in einem noch nie dagewesenen Tempo wächst, werden unsere endlichen Ressourcen, insbesondere unsere natürlichen Wasserquellen, immer knapper. Diese drängende Realität unterstreicht die dringende Notwendigkeit, unsere begrenzten Ressourcen so effizient wie möglich einzusetzen. Das Internet der Dinge (IoT) ist zwar ein relativ neues Konzept, hat aber bemerkenswerte Fortschritte bei der Erreichung dieses Ziels gemacht. Ein Bereich, in dem die IoT-Industrie wesentlich dazu beigetragen hat, die Effizienz zu maximieren und gleichzeitig umweltfreundlich zu sein, ist der Bereich der intelligenten Bewässerung. Um ein effektives intelligentes Bewässerungssystem zu schaffen, müssen verschiedene Anforderungen erfüllt werden, wie z. B. HF-Module mit großer Reichweite, umfassende Abdeckung, 2-Wege-Kommunikation und geringer Stromverbrauch, um nur einige zu nennen. Die industrielle IP-Maschennetzlösung von Radiocrafts erfüllt all diese Anforderungen und noch mehr, was sie zu einer idealen Lösung für intelligente Bewässerung macht. Durch die Nutzung der Möglichkeiten des IoT können wir erhebliche Fortschritte bei der nachhaltigen Wassernutzung und -einsparung machen und so zu einer umweltfreundlicheren und effizienteren Zukunft beitragen.