8. Januar 2016

In der konventionellen Landwirtschaft erfolgt Bewässerung sowie der Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden auf Grundlage der Erfahrung der Landwirte. Dies führt nicht nur zu einer niedrigen Arbeitseffizienz und einer folgenschweren Ressourcenverschwendung, sondern es gefährdet auch die Qualität und Sicherheit landwirtschaftlicher Produkte.

Die landwirtschaftliche Wassernutzungsrate in China liegt lediglich bei 51% im Gegensatz zu zwei Dritteln in den Industrieländern. Die verwendete Menge Dünger pro Acker ist 2,6 mal so groß wie die in den Vereinigten Staaten und die Effizienzrate beim Einsatz von Pestiziden beträgt nur drei Fünftel des Werts in den entwickelten Ländern.

"Um diese Probleme zu bewältigen ist es wichtig, dass wir auf eine präzise und bedarfsgerechte, digital gesteuerte Landwirtschaft hinarbeiten", sagte Prof. He Yong vom Institut für Automatisierung von Biosystemen und Informationstechnologie. "Zu diesem Zweck müssen wir zwei technologische Schwierigkeiten überwinden. Zum einen gilt es präzise Informationen über das aktuelle Pflanzenwachstum und die entsprechenden Bedürfnisse auf schnellem Weg zu erhalten, zum anderen müssen exakte Daten bezüglich der Stärke dieser Bedürfnisse erhoben werden."

Das Forschungsteam unter Leitung von Prof. He Yong hat sich der digitalen Landwirtschaft schon vor Jahren verschrieben. Gefördert durch das Programm 863 wurde ein System für die schnelle Erfassung von Pflanzenumgebungsdaten und Echtzeit-Überwachung auf Grundlage des Internet der Dinge (IdD) entwickelt – zusätzlich zu einer Reihe notwendiger Geräte. Drei technologische Schlüsselprobleme konnten bereits gelöst werden: die schnelle Messwertgewinnung (rapid sensing), die stabile Übertragung sowie ein präzises Management von Pflanzeninformationen.

Schnelle Messwertgewinnung

Um eine digitale Landwirtschaft zu betreiben und ein präzises Pflanzen-Management sicherzustellen, müssen Forscher zunächst aktuelle Pflanzenumgebungsdaten verfügbar machen.

Die Forscher entwickelten zu diesem Zweck einen neuen Ansatz zur Erfassung von Pflanzendaten in drei Dimensionen: Bei Blattwerk, Einzelpflanzen und Pflanzenkolonien zeigte sich als Indikator erstens eine Wechselbeziehung zwischen spezifischen elektromagnetischen Spektren und ernährungsphysiologischen Veränderungen. Zweitens wurde ein effizienter, tragbarer Pflanzennährstoffsensor und ein ausgeklügeltes Überwachungssystem für physiologische und ökologische Pflanzendaten entwickelt. Drittens wurde in der Diagnose von Pilzkrankheiten bei Pflanzen in den ersten vier Phasen Pionierarbeit geleistet.

Stabile Datenübertragung

Um den Anforderungen einer energiesparenden, kosteneffizienten und stabilen Übertragung im komplexen landwirtschaftlichen Kontext gerecht zu werden, erfanden die Forscher ein aktives und energieeffizientes Ad-hoc-Netzwerk und ein asynchrones Standby-Kommunikationsverfahren auf Basis von Textnachrichten, welches das Problem von Energieverbrauch und der Fernübertragung landwirtschaftlicher Nutzdaten gelöst hat. Sie haben auch Vorschläge für eine Umstrukturierung lokaler Netzwerke erarbeitet: Leapfrog Routing als Wartungsalgorithmus ermöglicht Selbstdiagnose und Selbstreparatur bei Netzwerkausfällen, hebt Barrieren bei den Feldknoten an, verhindert den Zusammenbruch lokaler Netze durch Interferenzen mit anderen drahtlosen Signalen und erhöht die Stabilität drahtloser Übertragungsnetzwerke.

Intelligente Überwachung

Auf der Grundlage von Echtzeit-Informationserfassung und stabiler Informationsübertragung entwickelten die Forscher ein intelligentes kollaboratives Echtzeit-Überwachungs- und Kontrollsystem für das Pflanzenwachstum. "Das System ist in der Lage, Informationen abzufragen und automatisch Temperaturen zu steuern, um die Anforderungen für optimales Pflanzenwachstum zu erfüllen. Es wurden somit die Voraussetzungen für eine präzise Verwaltung von Düngemitteln, Wasser, Pestiziden und die Temperaturregulierung geschaffen, was eine große Ressourcenersparnis ermöglicht und erhebliche sozioökonomische Vorteile mit sich bringt", sagte He Yong.

Allein bis zum jetzigen Zeitpunkt hat dieses Forschungsprojekt bemerkenswerte soziale, wirtschaftliche und ökologische Vorteile eingebracht und den wissenschaftlich-technologischen Fortschritt in der Landwirtschaft vorangetrieben.