Der Fall des lokalisierten und Indoor-Anbaus
Bevor wir uns mit der Entwicklung cloudbasierter, lokaler Anbausysteme befassen, ist es wichtig, die potenziellen Vorteile des Indoor-Anbaus zu verstehen. Die drei wichtigsten Vorteile sind:
1. Erhöhte Produktverfügbarkeit:
Die weltweite Nachfrage nach Obst, Nüssen, Gemüse und Blattgemüse, die nicht in einer bestimmten Region heimisch sind, kann schneller und effizienter gedeckt werden, wenn diese Produkte lokal in der jeweiligen Region angebaut werden. Dies trägt auch dazu bei, Transportwege zu verkürzen: Zwar werden die Betriebe dadurch nicht unbedingt CO₂-ärmer, aber die Ernährungssicherheit und die Verfügbarkeit von Produkten, die andernfalls über weite Strecken transportiert werden müssten, werden dadurch deutlich verbessert. Weitere Vorteile sind die Verlängerung der Anbausaison, die ganzjährige Verfügbarkeit bestimmter Nutzpflanzen und die Möglichkeit, trotz der unbeständigen Wetterverhältnisse der Erde eine effiziente globale Lebensmittelproduktion aufrechtzuerhalten.
2. Reduzierung der Lebensraumzerstörung.
Eine verstärkte Nutzung von CEA (Conservation Energy Agriculture) oder anderen Indoor-Pflanzen als Getreide könnte die Lebensraumzerstörung verringern. Dies mag kontrovers diskutiert werden, doch es gibt überzeugende Gründe, warum die Landwirtschaft oft als Bedrohung für Lebensräume und die Umwelt übersehen wird. Die Aufmerksamkeit konzentriert sich hauptsächlich auf die Landnutzung und die Abholzung durch die Holzindustrie. Laut WWF (World Wide Fund for Nature) verliert die Erde jährlich 18,7 Millionen Hektar Wald aufgrund dieser drei Hauptfaktoren, und rund 50 % der bewohnbaren Landfläche der Welt wurden in Ackerland umgewandelt. Zu den wichtigsten Landnutzungsformen gehören Weide- und Unterbringung von Nutztieren, großflächige Landwirtschaft und der Anbau von Gemüse und Getreide für den menschlichen Verzehr. Mehr als ein Drittel der Anbaufläche dient der Produktion von Futtermitteln wie Mais, Gerste, Hafer, Sorghum und Sojabohnen. Es wird immer deutlicher, dass landwirtschaftliche Techniken, die große Flächen beanspruchen, nicht nachhaltig sind.
3. Gesündere Ernährung.
Neben der Reduzierung des Flächenbedarfs für traditionelle Anbaumethoden können ökologische Nachhaltigkeit und Indoor-Anbau zu einer gesünderen Ernährung beitragen. Es ist medizinisch erwiesen, dass Menschen, obwohl Allesfresser, mit einer Ernährung, die auf einer Mischung aus Gemüse, Obst und Nüssen mit reduziertem Fleischkonsum basiert, besser zurechtkommen. Die weitverbreitete Anwendung dieser Ernährungsweise wird zu einer deutlichen Reduzierung der Futtermittelproduktion für Nutztiere führen und somit einen grundlegenden Wandel hin zu einem nachhaltigen Lebensstil für die Weltbevölkerung ermöglichen. Darüber hinaus könnte dies die Anzahl der gehaltenen Nutztiere verringern, wodurch der Bedarf an Lebensmitteltransporten sinkt und Treibhausgasemissionen reduziert werden. Laut der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) verursacht die weltweite Tierhaltung Treibhausgasemissionen, die 14,5 % aller anthropogenen, also vom Menschen verursachten, Treibhausgasemissionen ausmachen.
Vertikale Landwirtschaft und großflächige Indoor-Landwirtschaft stecken noch in den Kinderschuhen. Während der gängigste Ansatz darin besteht, Gewächshäuser und andere Indoor-Strukturen auf großen Flächen zu errichten, zeichnet sich ein wachsender Trend zum Bau maßgeschneiderter vertikaler Anbauanlagen ab, darunter umgenutzte Fabriken oder Lagerhallen mit mehreren Etagen. Dies ermöglicht eine effizientere und pragmatischere Nutzung von Immobilien und Land für den Anbau von Nicht-Getreidepflanzen. Vertikale Landwirtschaft eignet sich auch hervorragend für die Geflügelzucht und stellt somit eine potenziell praktikablere Fleischquelle dar.
Für den großflächigen Anbau von Pflanzen im Innen- und Außenbereich sind mehrere Voraussetzungen erforderlich. Um die natürlichen Bedingungen nachzubilden und aufrechtzuerhalten, muss der Anbauer regelmäßig Parameter wie Temperatur, künstliche Beleuchtung, Luftfeuchtigkeit, Bodenfeuchtigkeit und – im Falle von Hydrokultur/Aeroponik – Nährstoffe im Wasser überwachen. Professionelle Anbauer verfügen über mehrere Gebäude mit geschlossenen Anbausystemen, die jeweils optimal auf diese Wachstumsbedingungen abgestimmt sein müssen. Dies erfordert den Einsatz von cloudbasierten Sensoren, die die Umgebungsbedingungen kontinuierlich messen und die Daten an eine zentrale Überwachungsstation übermitteln.
Bewährte Verfahren für die Systembereitstellung
Der erste Schritt besteht darin, eine Aufzeichnung der natürlichen und nicht natürlichen äußeren Bedingungen zu erstellen, die als Bezugspunkt dient, um gegebenenfalls die notwendigen Anpassungen an die Umgebung vorzunehmen.
Als Nächstes muss über den Netzwerktyp entschieden werden. Angesichts der zunehmenden Verfügbarkeit von IoT für die Sensoranbindung bietet sich ein Netzwerk mit einem zentralen Hub oder Gateway an, der mit einem lokalen Controller oder Computer kommuniziert (siehe Abbildung 1). Der Controller lädt die Daten zur weiteren Analyse in die Cloud hoch. Die Cloud kann proprietär sein oder als Dienst von einem etablierten oder neuen Anbieter bereitgestellt werden.
Ein Landwirt kann entscheiden, dass sofortige Reaktionen auf Sensordaten nicht notwendig sind. In solchen Fällen kann die Cloud innerhalb eines akzeptablen Zeitraums Befehle oder Aktionen ausführen. Ist jedoch eine minimale oder gar keine Latenz zwischen dem Senden der Sensordaten und der Ausführung einer Aktion oder eines Befehls durch den Zentralrechner erforderlich, kann der Landwirt einen Edge-Controller zwischen Gateway und Cloud einsetzen, um die Zeitspanne von der Analyse bis zur Aktion zu verkürzen. Letztendlich gilt: Je präziser die Umweltkontrolle, desto besser das Pflanzenwachstum.
Die Implementierung von Edge Computing lässt sich in Backend- und Frontend-Bereiche unterteilen, die beide eine entscheidende Rolle bei der Optimierung der Pflanzenproduktion in geschlossenen Systemen spielen. Das Backend umfasst sowohl Edge-Computing- als auch Cloud-Computing-Elemente, während das Frontend aus Sensornetzwerk und Gateway besteht. Ein Ökosystem von Hardwareanbietern und Systemintegratoren wird entstehen, um alle notwendigen Komponenten für diese Lösungsarchitektur bereitzustellen und so eine wachsende Zahl von IoT-Implementierungen und Anwendungsfällen in verschiedenen Branchen zu unterstützen. Das Sensornetzwerk ist besonders wichtig, da es so nah wie möglich an den Pflanzen positioniert wird, deren Umgebung überwacht und Daten zur Übertragung an das Gateway sammelt. Entscheidend ist außerdem, dass jeder der zahlreichen einzelnen Sensorknoten einfach, zuverlässig und wartungsfreundlich ist, mit minimalem Stromverbrauch arbeitet, um die Batterielebensdauer zu verlängern, und über verschiedene drahtlose Verbindungsmethoden mit dem Gateway und letztendlich dem Cloud-Service-Provider kommuniziert.
Als bevorzugte drahtlose Verbindungstechnologie wird Bluetooth® Low Energy (BLE) oder der neue energiesparende Wi-Fi®-Standard 802.11ah eingesetzt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Lösungen in lizenzfreien Frequenzbändern arbeiten und über die in der Indoor-Gärtnerei üblichen Entfernungen von 10 bis 100 Metern kommunizieren können. Der Standard 802.11ah bietet mit bis zu einem Kilometer die größte Reichweite. Die Datenraten von BLE und Wi-Fi 802.11ah liegen zwischen 10 Kilobit pro Sekunde (kbit/s) und 10 Mbit/s bzw. zwischen 50 kbit/s und 100 kbit/s und bieten somit ausreichend Bandbreite für die verschiedenen zu messenden Datenparameter.
Es ist unerlässlich, dass der Sensorknoten über robuste Sicherheitsvorkehrungen verfügt. Wie in jedem Unternehmen sind auch in der Indoor-Kultur und der großflächigen CEA-Industrie viele Landwirte und große Konzerne aktiv. Jede Information, die einem Anbieter einen Wettbewerbsvorteil verschafft, bedeutet höhere Umsätze und Gewinne. Der Wunsch und die Fähigkeit, drahtlose Netzwerke zu hacken, um an Daten zu gelangen, die diesen Vorteil ermöglichen, sind weithin bekannt und akzeptiert. Die beste Möglichkeit, dieses Risiko zu minimieren, ist eine hardwarebasierte Lösung, die sowohl die Daten als auch den Knoten verschlüsseln und authentifizieren kann. Firmware- oder Softwarelösungen gelten allgemein als anfällig für Hackerangriffe.
Entwickler und Hersteller von Sensorknoten werden ihre Angebote auf Siliziumlösungen stützen, die benutzerfreundliche, modulare und aufrüstbare Systemdesigns mit geringem Stromverbrauch, hoher Sicherheit und der Flexibilität zur Unterstützung der erforderlichen drahtlosen Verbindungsoptionen ermöglichen. Diese Anbieter kooperieren zudem aktiv mit führenden Cloud-Service-Providern. Soll die Lösung cloudunabhängig sein, muss der Anbieter sie so konfigurieren können, dass sie mit einer proprietären Cloud kommuniziert, die alle erforderlichen Funktionen bietet.
Ein Beispiel für eine solche Lösung ist die Google Cloud IoT Core-Entwicklungsplattform von Microchip Technology (siehe Abbildungen 2 und 3). Die Entwicklungsboards kombinieren einen Mikrocontroller, ein Sicherheitselement und einen vollständig zertifizierten WLAN-Netzwerkcontroller und bieten so die einfachste und effizienteste Möglichkeit, Sensorknoten mit der Google Cloud IoT Core-Plattform zu verbinden. Nutzer können sich direkt mit Google Cloud verbinden, wo bereits ein kostenloses Sandbox-Konto eingerichtet ist, oder mit einer virtuellen Sandbox-Umgebung, um Licht- und Temperaturdaten anzuzeigen. Zusätzliche Sensoren lassen sich optional über die weit verbreiteten MikroElektronika Click™-Erweiterungsplatinen anschließen, die die Integration zusätzlicher Funktionen in ein Design erleichtern.
Eine bessere Art, die Welt zu ernähren: Klimakontrollierte
Umgebungen (ECEs) und Indoor-Farming versprechen eine sicherere, zuverlässigere und effizientere globale Lebensmittelproduktion auf deutlich kleinerem Raum als herkömmliche Anbaumethoden. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, ist Klimakontrolltechnologie erforderlich, die im großen Maßstab ein stabiles Indoor-Anbauklima für nicht-heimische Nutzpflanzen gewährleistet. Zu den wichtigsten dieser Technologien zählt das Sensornetzwerk, das Daten von Umweltsensoren erfasst und zur Verarbeitung und Analyse in die Cloud und zurück überträgt. Führende Cloud-Anbieter haben schnell einsetzbare Lösungen entwickelt, die diese Anforderungen erfüllen und einfache sowie flexible Möglichkeiten zur Unterstützung verschiedener ECE- und Indoor-Farming-Anwendungen bieten.
Controlled Environment Agriculture (CEA): Ein technologiebasierter Ansatz zur Lebensmittelproduktion. Ziel der CEA ist es, optimale Wachstumsbedingungen für Nutzpflanzen während ihrer gesamten Entwicklung zu gewährleisten. Die Produktion findet in geschlossenen Anbaustrukturen wie Gewächshäusern oder Gebäuden statt. Die Pflanzen werden typischerweise hydroponisch kultiviert, um die Wurzelzone mit den benötigten Mengen an Wasser und Nährstoffen zu versorgen. CEA optimiert den Einsatz von Ressourcen wie Wasser, Energie, Fläche, Kapital und Arbeitskräften. Zu den CEA-Technologien gehören Hydroponik, Aquakultur und Aquaponik. Steuerbare Variablen sind: Temperatur (Luft, Nährlösung, Wurzelzone); Luftfeuchtigkeit (%RH); Kohlendioxid (CO₂); Licht (Intensität, Spektrum, Bereich); Nährstoffkonzentration (ppm und elektrische Leitfähigkeit); Düngemittel; und pH-Wert (Säuregrad) der Nährlösung. CEA-Anlagen reichen von vollautomatisierten Gewächshäusern mit computergesteuerter Bewässerung, Beleuchtung und Belüftung bis hin zu einfachen Lösungen wie Kunststofffolien oder -abdeckungen, sogenannten Schutzabdeckungen, die über die Pflanzen im Freiland gelegt werden, und mit Kunststofffolie bespannten Tunneln.
