Energieeffiziente Messstation für verteilte Trockenstressmessungen an Kartoffelpflanzen

Einleitung

Der Klimawandel ist ein Problem, dass sich seit der Industrialisierung und dem massiven Verbrauch von fossilen Rohstoffen anbahnt. Durch die Verbrennung von Öl, Gas und Kohle zur Energiegewinnung und dem damit verbundenen Anstieg der Konzentration klimarelevanter Gase verändert sich das Klima auf dem gesamten Planeten. Inzwischen werden Auswirkungen nicht nur an den Polkappen erkennbar, sondern auch in den gemäßigteren Klimazonen. Das Wetter tendiert durch den Klimawandel dazu extremer zu werden. Aus diesem Grund suchen Forscher rund um die Welt Möglichkeiten diese Schwierigkeiten in allen Bereichen zu kompensieren. Gerade in der Nahrungsmittelversorgung können sich durch Verschiebungen von Temperaturen große Probleme ergeben. Trockenzeiten können sich sehr negativ auf den Ertrag eines ganzen Landstrichs auswirken und im Extremfall zu einem verknappten Nahrungsmittelangebot führen. Um diesen Effekt zu verhindern oder wenigstens zu schwächen gibt es unterschiedliche Ansätze. Einer davon wird in Norddeutschland auf einem landwirtschaftlichen Versuchsgelände mit verschiedenen Kartoffelsorten durchgeführt. Diese Sorten werden dort hinsichtlich ihrer Resistenz gegenüber verminderter Bewässerung und anderen Stressfaktoren untersucht. Gerade auf den qualitativ eher schlechten, sandigen Böden der Lüneburger Heide wirken sich längere Trocken- und Hitzeperioden besonders negativ aus.

Aufgabenstellung

Nach Projekten in den USA, die schon vor einiger Zeit ein Zusammenhang zwischen Blatttemperatur und Trockenstressresistenz aufzeigten, wurde im letzten Jahr dieser Zusammenhang auch auf dem Versuchsfeld in Norddeutschland prinzipiell bestätigt, konnte allerdings wegen aufwändiger Messungen nicht weiter quantifiziert werden. Im Rahmen dieser Masterarbeit soll für die umfangreiche Messung in diesem Jahr ein Messaufbau konzipiert werden, der alle relevanten Größen misst. Dazu gehören die Blatt- und Lufttemperatur, als auch die Bodenfeuchtigkeit in der Nähe der Knolle, Luftfeuchtigkeit nahe den Blättern und die Sonneneinstrahlung. Die Messaufbauten sollen das bereits auf dem Versuchsfeld verbaute Sensornetz „PotatoNet“ verwenden und so Daten kontinuierlich über einen längeren Zeitraum und in Echtzeit erfassen und zur Verfügung stellen können.

Schwierigkeiten sind bei den Messungen insofern zu erwarten, als dass Kartoffelpflanzen sehr empfindlich auf Berührungen bzw. Verletzungen an Knolle und Blättern reagieren. Deswegen muss die Temperatur mithilfe von Infrarot-Thermometern gemessen werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass nasse Oberflächen besser reflektieren als trockene und so die Messung verfälschen könnten. Dies ist wichtig, da ein Teil des Versuchsfeldes beregnet wird. Weil der Boden des Versuchsfeldes im Detail durchaus heterogen ist kann aus einer einzelnen Messung nicht entnommen werden, wie es allen anderen Pflanzen auf dem Feld geht. Deswegen muss die Temperaturmessung an Pflanzen in regelmäßigen (räumlichen) Abständen kontinuierlich durchgeführt werden. Hierfür wird auf das PotatoNet, ein bereits auf dem Feld verfügbares Netz aus Sensorknoten, zurückgegriffen. Ein langfristiges Ziel wäre die Entwicklung einer autarken Messstation, die regenerativ mit Energie versorgt wird. Gerade deswegen sollte besonders auf Energieeffizienz wert gelegt werden. Da die Kommunikation auf der Messstation über I2C erfolgt, wird als Schnittstelle zwischen der Messstation und weiteren Geräten ein Mikroprozessor verwendet. Dieser Mikroprozessor soll auch für eine Vorverarbeitung der Daten verwendet werden, etwa eine Komprimierung oder Plausibiltäts prüfung, und für die Umsetzung von Energiesparmaßnahmen, indem Sensoren abgeschaltet werden. Gut denkbar ist auch Software, die zuerst sehr energiesparende, aber ungenauere Sensoren nutzt und nach einer Plausibilitätsprüfung weitere energiehungrige, dafür aber sehr genaue Sensoren hinzuzieht. Während der gesamten Einsatzzeit im Feld ist, wie bereits erwähnt, eine möglichst geringe Leistungsaufnahme des Sensorbetriebs sinnvoll. Dies sollte schon bei der Entwicklung berücksichtigt werden und konsequent umgesetzt werden. Außerdem soll das System autonom eingesetzt werden können und die Möglichkeit erhalten die Daten im EEPROM oder auf einer SD-Karte abzulegen. So werden auch ohne Sensornetz im Hintergrund Daten erfasst. Aus den Messungen könnten Modelle und Korrelationen er wachsen, die in diesem Fall Aufschluss über das Verhalten der beobachteten Pflanze geben und ihr Verhalten in gewissem Maße vorhersagen können.

Links

• PotatoNet
• VSD - Versuchsstation Dethlingen
• Hinweise zur Durchführung von studentischen Arbeiten am IBR