Optimierung des Bewässerungsmanagements einer Olivenplantage von 15.000m²durch Internet der Dinge (IdD) und Teilautomatisierung

Sabri Asmi

(Matrikelnummer: 47495)

Eingereichte Abschlussarbeit zur Erlangung des Grades

Diplom-Ingenieur (FH)

im Studiengang

Industrial Engineering

an der

Ingenieurwissenschaften Fakultät

der Hochschule Mittweida, University of Applied Sciences

Erstprüfer: Herr Prof. Dr.-Ing. Swen Schmeißer Eingereicht am: 09.03.2019

Zweitprüferin: Frau M.Sc. Sara Kischnick

I

Vorwort und Danksagung

Diese Diplomarbeit ist Bestandteil meines Studiums zur Erlangung des Grades Dip-

lom-Ingenieur (FH) im Studiengang Industrial Engineering an der Hochschule Mitt-

weida, University of Applied Sciences.

Die Schwerpunkte dieser Diplomarbeit liegen auf den folgenden Themengebieten:

Auseinandersetzung mit dem Begriffsdschungel Internet der Dinge (IdD)

Sensoren, Aktoren und Mikrocontroller in der Automatisierungstechnik

Der Heilige Olivenbaum aus 360-Grad-Perspektive

Kombination und Integration von Automatisierungstechnik und Internet der

Dinge (IdD) in der Optimierung des Bewässerungsmanagements der Oliven-

haine

An dieser Stelle möchte ich mich ganz herzlich bei all den Menschen bedanken, die

mich während der Anfertigung dieser Diplomarbeit unterstützt haben:

Meinen zwei Betreuern Erstprüfer Herr Prof. Dr.-Ing. Swen Schmeißer und Zweitprü-

ferin Frau M.Sc. Sara Kischnick für die vielseitige Unterstützung, präzisen Rückmel-

dungen und wertvollen Anregungen im Verlauf der Arbeit.

Meine Schwester M.Sc. Dipl.-Ing. Kaizourane Asmi für ihre hilfreichen Ratschläge.

Christian Felderer für die immer schnelle, umfassende Unterstützung während der

zwölf Jahren Freundschaft.

Abschließend mein ganz besonderer Dank gilt meinen Eltern, meine Tochter und Ehe-

frau für Ihre moralische Unterstützung.

II

Inhaltsverzeichnis

Vorwort und Danksagung ............................................................................................ I

I. Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................ V

I. Abbildungsverzeichnis ....................................................................................... VII

I. Tabellenverzeichnis ............................................................................................ XI

1 Einleitung ............................................................................................................. 1

1.1 Motivation ..................................................................................................... 1

1.2 Problemstellung ............................................................................................ 2

1.3 Zielsetzung ................................................................................................... 4

1.4 Aufbau der Arbeit ......................................................................................... 5

2 Grundlagen des Internet der Dinge ..................................................................... 7

2.1 Einleitung ..................................................................................................... 7

2.2 Was ist Internet der Dinge (IdD) ................................................................... 8

2.2.1 Industrie 4.0 ........................................................................................ 10

2.2.2 Big Data .............................................................................................. 12

2.2.3 Machine-to-Machine (M2M) ................................................................ 15

2.2.4 Smart Farming (Landwirtschaft 4.0) .................................................... 18

2.3 IoT-Architektur ............................................................................................ 19

2.4 IoT-Plattformen ........................................................................................... 21

2.5 Sicherheitsaspekte im Internet der Dinge ................................................... 21

3 Automatisierungstechnik ................................................................................... 23

3.1 Sensoren .................................................................................................... 24

3.2 Aktoren ....................................................................................................... 26

3.3 Mikrocontroller ............................................................................................ 27

3.4 Abgleich verschiedener Mikrocontroller ...................................................... 29

3.4.1 Particle Photon vollständig integrierte IoT-Plattform ........................... 31

III

4 Der Olivenbaum - heiliger Baum ....................................................................... 34

4.1 Einleitung ................................................................................................... 34

4.2 Olivenöl im Christentum ............................................................................. 35

4.3 Olivenöl und Islam ...................................................................................... 36

4.4 8 Güteklassen von Olivenöl ........................................................................ 37

4.5 Edaphische Faktoren ................................................................................. 40

4.5.1 Begriffsdefinition .................................................................................. 40

4.5.2 Chemische Beschaffenheit.................................................................. 40

4.5.3 Physikalische Beschaffenheit .............................................................. 41

4.6 Ökologische Anforderungen ....................................................................... 41

4.6.1 Temperaturanforderungen .................................................................. 41

4.6.2 Wasserbedarf ...................................................................................... 42

4.6.2.1 Wasserbedarf aus Klima- und Bodenfeuchte .................................. 42

4.6.2.2 Wasserbedarf aus Kenntnissen zum Pflanzenwasserverbrauch ..... 43

4.7 Bewährte Bewässerungssysteme für Olivenhaine ..................................... 44

4.7.1 1500 Jahre altes Bewässerungssystem für Olivenbäume ................... 46

4.7.2 Mikrobewässerung .............................................................................. 48

4.8 Auslegung einer Bewässerungsanlage ...................................................... 54

5 Ist-Zustand Analyse ........................................................................................... 55

5.1 Brainstorming ............................................................................................. 55

5.2 Lage des Olivenhains ................................................................................. 56

6 Lösungsansatz .................................................................................................. 58

6.1 Einleitung ................................................................................................... 58

6.2 Anforderungsgenerierung ........................................................................... 58

6.3 Materialstückliste und Layout-Prototyp ....................................................... 59

6.3.1 Temperatur- und Feuchtesensor ......................................................... 60

6.3.2 Bodentemperatursensor ...................................................................... 61

6.3.3 HC-SR04 Ultraschallmodul und Distanzsensor ................................... 62

IV

6.3.4 PH-Sensor ........................................................................................... 63

6.3.5 Bodenfeuchtesensor ........................................................................... 63

6.3.6 Flüssigkeit-Durchflussmesser ............................................................. 64

6.3.7 Relais .................................................................................................. 65

6.4 Komponentencodes ................................................................................... 67

6.4.1 Tinker-App Code ................................................................................. 68

6.4.2 Temperatur- und Feuchtesensor Code ............................................... 73

6.4.3 Bodentemperatursensor Code ............................................................ 73

6.4.4 HC-SR04 Ultraschallmodul und Distanzsensor Code ......................... 74

6.4.5 DF-SEN0161 Analog Sensor pH Code ............................................... 74

6.4.6 Capacitive Soil Moisture Sensor SKU -SEN0193 Code ...................... 75

6.4.7 Flow meter Code ................................................................................. 76

6.5 Serienprototyptest und Ergebnisse ............................................................ 77

6.6 Ubidots Dashboard ..................................................................................... 81

6.7 Console-Particle - Event Logs .................................................................... 85

7 Fazit und Ausblick ............................................................................................. 89

8 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 92

V

I. Abkürzungsverzeichnis

“ Zoll

$ Dollar

€ Euro

° F Grad Fahrenheit

°C Grad Celsius

AWS Amazon Web Services

BZ Bewässerungszeitspanne

cm Zentimeter

ET

durchschnittlicher Tageswasserverbrauch in der Bewässerungs-

zeitspanne

ETP Potenzieller Evapotranspiration

ETPBZ Potentielle Evapotranspiration im Beregnungszeitraum

IdD Internet der Dinge

IFTTT If this then that

IoT Internet of Things

KHz Kilohertz

KI künstliche Intelligenz

k-Ohm Kiloohm

KWB Klimatische Wasserbilanz

M2M Machine-to-Machine

mA Milliampere

MIT Massachusetts Institute of Technology

mm Millimeter

MPa Milli-Pascal

N Niederschlag

nFK Wasserspeicherfähigkeit des Bodens

NoSQL Not only Structured Query Language

pBV

Pflanzenverfügbarer Bodenvorrat oberhalb des Mindestbodenfeuchtege-

haltes zu Anfang der Bewässerungszeitspanne

RFID Radio-Frequency Identification

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

VI

SQL Structured Query Language

u.a. Unter anderen

V Volt

VCC Voltage at the common collector

W-LAN Wireless Local Area Network

ZWBBZ Zusatzwasserbedarf in der Bewässerungszeitspanne

VII

I. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1:Das Bewässerungssystem in der Olivenplantage, (Quelle: Sabri Asmi,

24.07.2018) ................................................................................................................ 3

Abbildung 2: Best in Class Olivenöl nativ extra,(Quelle: Sabri Asmi, 27.11.2018) ...... 3

Abbildung 3: Magisches Dreieck, Quelle: (Buchenau, 2011, S. 11) ........................... 5

Abbildung 4: Die Hebel der Digitalen Transformation, Quelle: (Arndt Borgmeier, 2017,

S. 4) ............................................................................................................................ 7

Abbildung 5: Vereinfachter Prinzip Darstellung IoT, Quelle: (Stefan, 2016, S. 13) ..... 9

Abbildung 6: Aspekte die dem Iot zugeordnet sind, Quelle (Arndt Borgmeier, 2017) 10

Abbildung 7: Stufen der industriellen Revolution, Quelle: (Kaufmann, 2015, S. 4) ... 11

Abbildung 8:Definition von Industrie 4.0. (angelehnt an Staufen AG), Quelle: (Huber,

2018, S. 14) .............................................................................................................. 12

Abbildung 9: Gartner Hype Cycle für Emerging Technologies, 2014. (Mit freundlicher

Genehmigung von Gartner), Quelle: (Kaufmann, 2015, S. 9) ................................... 13

Abbildung 10: Nutzung von SQL- und NoSQL-Datenbanken im Webshop nach Meier

und Kaufmann2016, Quelle: (Daniel Fasel, 2016, S. 19)........................................ 14

Abbildung 11:Upstream (top), downstream (middle), and mash-up (bottom)

components for typical industrial M2M turnkey solutions, Quelle: (Dohler, 2015) ..... 16

Abbildung 12: M2M World of Connected Services, Quelle: (Beecham Research

Limited, 2019) ........................................................................................................... 17

Abbildung 13:Grundelemente der IoT-Architektur, Quelle: (Hryzhnevich, 2018) ...... 20

Abbildung 14:Organisationsformen für Fast IT und Slow IT, Quelle: (Andreas

Gadatsch, 2017) ....................................................................................................... 22

Abbildung 15:Zusammenhänge zwischen menschlicher Tätigkeit, Mechanisierung

und Automatisierung, Quelle: (Manfred Weck, 2006, S. 1) ....................................... 23

Abbildung 16:Meilensteine der Materialflussautomatisierung, Quelle: (Michael ten

Hompel, 2008 , S. 122) ............................................................................................. 24

VIII

Abbildung 17: Sensoren – Messgrößenaufnahme und -verarbeitung, Quelle: (Müller,

2010, S. 1) ................................................................................................................ 25

Abbildung 18: Funktionsgliederung des Aktors. a Energiewandler. b EnergiesteIler,

Quelle: (Janocha, 1992) ........................................................................................... 27

Abbildung 19: Einfaches Mikrocontroller-System, Quelle: (Bahring, 2010, S. 2) ...... 28

Abbildung 20:Eingebettete Systeme in Geräten des täglichen Lebens, Quelle:

(Bahring, 2010, S. 4) ................................................................................................ 29

Abbildung 21: Raspberry Pi und Beaglebone Black, Quelle: (Monk, Getting Started

with the Photon, 2015, S. 6) ..................................................................................... 30

Abbildung 22: Arduino Uno Revision 3,Quelle: (Monk, 2016, S. 4) .......................... 30

Abbildung 23: ESP8266 , Quelle: (Moritz, 2016) ...................................................... 30

Abbildung 24: Photon, Quelle: (Rush, 2016, S. 4) .................................................... 30

Abbildung 25:Photon Block-Diagramm, Quelle: (Particle, n.d.) ................................ 31

Abbildung 26:Belegungsplan Photon, Quelle: (Particle, n.d.) ................................... 32

Abbildung 27:Particle Mobile App - iPhone | Android, Quelle: (Particle, n.d.) ........... 33

Abbildung 28: Top 8 Olivenölprozudenten, Quelle: (Reinhard Jäger, 2017) ............. 34

Abbildung 29: am meisten gefälschten Lebensmitteln, Quelle: (Reinhard Jäger, 2017)

................................................................................................................................. 37

Abbildung 30:Merkmale von Olivenöle, Quelle: (DIE EUROPÄISCHE KOMMISSION,

2011, S. 3-4) ............................................................................................................. 39

Abbildung 31: Diagramm für PH-Skala, Quelle: (Wasserhelden, n.d.) ..................... 41

Abbildung 32: Verfahren der Feldbewässerung, Quelle: (Sourell, n.d.) .................... 44

Abbildung 33: :Baugrube der Zisterne: Quelle: (Yotam Tepper, 2016) ..................... 46

Abbildung 34:Die Oberseite des Damms, Quelle: (Yotam Tepper, 2016) ................ 46

Abbildung 35:Die Ecke des Feldturms vor der Ausgrabung, Quelle: (Yotam Tepper,

2016) ........................................................................................................................ 47

Abbildung 36:Ein Versuchsgraben im Kalksteinhügel, Quelle: (Yotam Tepper, 2016)

................................................................................................................................. 47

IX

Abbildung 37: 1.000 Jahre alt Olivevbäume in Shivta, Quelle: (Tepper, 2018)........ 47

Abbildung 38:Zeitan-Bachbett, Quelle: (Tepper, 2018) ............................................ 47

Abbildung 39: Anordnungen oberirdische Tröpfchenbewässerung, Quelle (Megh R.

Goyal, 2015, S. 118) ................................................................................................. 48

Abbildung 40: Unterirdische Tropfbewässerung, Quelle: (Florian Haas, 2016) ........ 49

Abbildung 41:Ventil, Quelle: (Rainbird, n.d.) ............................................................. 51

Abbildung 42:Filter, Quelle: (Rainbird, n.d.) .............................................................. 51

Abbildung 43: Druckminderer,Quelle: (Aqua-technik-shop, n.d.) .............................. 51

Abbildung 44: Strahler, Quelle: (Rainbird, n.d.) ........................................................ 51

Abbildung 45: Druckkompensierender Bubbler, Quelle: (Rainbird, n.d.) .................. 52

Abbildung 46:Gartenpumpe Quelle: (LIDL, n.d.) ....................................................... 52

Abbildung 47: Tropfschlauch, Quelle: (Rainbird, n.d.) .............................................. 52

Abbildung 48:WIFI Smart Irrigation 8-Zone, Quelle: (Rainbird, n.d.) ........................ 52

Abbildung 49:Drip Tee, Quelle: (Rainbird, n.d.) ........................................................ 52

Abbildung 50: Absperrventil für Tropfbewässerung, Quelle: (Rainbird, n.d.) ............ 52

Abbildung 51: Bewässerungssystem, Quelle: (Rainbird, n.d.) .................................. 53

Abbildung 52:Klassische Ventilkasten bodeneben, Quelle: (Garten24h, n.d.) .......... 53

Abbildung 53:Komponenten für ein typisches Tröpfchenbewässerungssystem,

Quelle: (Megh R. Goyal, 2015, S. 107) ..................................................................... 53

Abbildung 54:Grundstück Layout, Quelle: Eigene Darstellung ................................. 57

Abbildung 55: Installation Fritzing auf dem eigenen Rechner ................................... 59

Abbildung 56:Particle Maker Kit, Quelle : Sabri Asmi,02.2019 ................................. 59

Abbildung 57: Relay Shield, Quelle: Sabri Asmi, 02.2019 ........................................ 65

Abbildung 58:Prototypsystem, Quelle: Asmi Sabri,02.03.2019 ................................. 77

Abbildung 59:Nass- und Trockenbereich, Quelle: Asmi Sabri,02.03.2019 ............... 78

Abbildung 60: W-LAN Flashvorgang, Quelle: Asmi Sabri, 02.03.2019 ..................... 78

X

Abbildung 61: 4 Kanäle Status LOW, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019 ..................... 79

Abbildung 62: 1 Kanal auf HIGH gesetzt, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019 ............... 79

Abbildung 63: 4 Kanäle auf HIGH gesetzt, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019 ............. 80

Abbildung 64: Tinker-App 4 Kanäle auf HIGH, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019 ........ 80

Abbildung 65:Ubidots Konto erstellen und anmelden, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

................................................................................................................................. 81

Abbildung 66:Datendarstellung, Diagramme und Variablen, Quelle: Sabri Asmi,

Quelle 02.03.2019 .................................................................................................... 82

Abbildung 67:Geräte- und Variablen-Auswahl, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019 ....... 82

Abbildung 68: Darstellung Serienprototyp Testergebnisse ....................................... 83

Abbildung 69:Darstellung Gesamtdurchflussmenge und Tank-Wasserniveau,

Quelle:Sabri Asmi,02.03.2019 .................................................................................. 83

Abbildung 70: Darstellung Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Quelle: Sabri Asmi,

02.03.2019 ................................................................................................................ 84

Abbildung 71: Darstellung Bodentemperatur, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019.......... 84

Abbildung 72: Darstellung PH-Wert, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019 ....................... 84

Abbildung 73: Darstellung Bodenfeuchte, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019 ............... 85

Abbildung 74: Darstellung der Daten im Event Logs, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

................................................................................................................................. 85

Abbildung 75:Darstellung der Daten im Event Logs, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

................................................................................................................................. 86

Abbildung 76:Darstellung der Daten im Event Logs, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

................................................................................................................................. 86

Abbildung 77: Darstellung der Daten im Tinker-App, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019

................................................................................................................................. 87

Abbildung 78:Schlauch-Bewässerungs-Layout, Quelle: Eigene Darstellung ............ 88

Abbildung 79:Druckverlustberechnung, Quelle: (Schweizer-fn, 2018) ...................... 88

XI

I. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Arduino und Raspberry Pi im Vergleich, Quelle: (Ionos, 2018) ................ 29

Tabelle 2: Photon-Anschlüsse, Quelle: (Particle, n.d.) ............................................. 33

Tabelle 3: Vergleich der Bewässerungsverfahren, Quelle: (Grudzinski, 2003) ........ 45

Tabelle 4: Anforderungsgenerierung und Priorisierung ............................................ 58

1

1 Einleitung

1.1 Motivation

In der Mittelmeerküche und insbesondre in Nordafrika wird hauptsächlich natives Oli-

venöl extra wegen seinem kulinarischen Hochgenuss und hervorragenden medizini-

schen Eigenschaften verwendet. Dieser Hochgenuss liefert wichtige Vitamine und

Fettsäuren für den Körper und ist ein natürlicher Antioxidant.

Studien renommierter japanischer-tunesischer Wissenschaftler zeigten, dass das tu-

nesisches Öl „zeichnet sich durch einen hohen Gehalt und Konzentration von “Poly-

phenol” aus, der zehnmal höher sein kann als die von spanischen und italienischen

Olivenölen“1. Leider verfügte Tunesien nicht über ein notwendiges Marketingkonzept

und Marketingstrategie um ihre Produkte weltweit durchzusetzen.

Tunesien konnte seine alten traditionellen Methoden und Anbauarten aufgrund zahl-

reicher Modernisierungsdefizite und fehlender Bereitschaft der Olivenbauern, die keine

Veränderungen und Prozessoptimierungen umzusetzen wollten, nicht modernisieren.

Sogar das Bewässerungs- und Düngerdosiersystem, bei dem das Know-how oft fehlt

ist ineffizient oder entspricht nicht dem Stand der Technik. Smart Garden Bewässe-

rung, Digitale Landwirtschaft und Landwirtschaft 4.0 und Internet of Things (IoT) sind

größtenteils bei ausländischen Großunternehmen in Tunesien bekannt.

In unseren Beiden eigenen Olivenhainen von 40 Hektar mit 3200 Olivenbäumen und

1,5 Hektar mit 180 Olivenbäumen in Tunesien, produzieren meine Schwester und ich

feinstes natives Chetoui -und Sahli-Olivenöl.

Olivenbäume können aus dem Regenwasser vom Winter und trotz praller Sonne im

Sommer das Jahr überstehen und Früchte ausbilden, da ihre Wurzeln bis sechs Meter

tief in die Erde Greifen2. Hierzu bewässern wir unsere Olivenbäume bis zu vier-mal im

Sommer mit unseren erfahrenen Angestellten. Wir setzten hierzu die beste Expertise

und Wissenstransfer über Generationen ein, um Premium Olivenöl zu erzeugen.

1 (tunesienexplorer, 2017)

2 (Fohrer Olivenöl, n.d)

2

In meiner Diplomarbeit möchte ich mich mit dem Thema Bewässerungsmanagement

von Olivenhaine widmen und die bisher verwendete Methode in meiner Olivenplantage

weiterentwickeln, optimieren und den technologischen Hub durch Digitalisierung,Teil-

automatisierung und Internet der Dinge (IdD) schaffen.

1.2 Problemstellung

Die Bewässerung zu den Dürrzeiten und an heißen Sommertagen sowie im Winter bei

Neupflanzung erfolgt ausschließlich über einen Traktor mit Anhänger und einem Was-

sertank mit 3000 Liter Fassungsvermögen.

Der Olivenbauer-Experte positioniert den Wasserschlauch an dem Olivenbaum lässt

das Wasser laufen und schließt den Hahn, wenn der Wasserbedarf gedeckt ist.

Die Regulierung der Wassermenge erfolgt durch schließen und öffnen des Ventils

nach bester Expertise gemäß Abbildung 1.

3

Abbildung 1:Das Bewässerungssystem in der Olivenplantage, (Quelle: Sabri Asmi, 24.07.2018)

Diese Methode hat sich bisher bewährt und wir könnten dadurch premium und Best in

Class Olivenöl nativ extra erzeugen. Wir haben gute Olivenöl-Erträge geschaffen

(siehe Abbildung 2 ). Jedoch möchte ich auf folgende Probleme hinweisen:

Abbildung 2: Best in Class Olivenöl nativ extra,(Quelle: Sabri Asmi, 27.11.2018)

Kosten für die Bewässerungsvorgänge spielen keine Rolle. Sogar die Vermitt-

lung der Personalkosten pro Jahr wurde bisher nicht durchgeführt

Zeit spielte keine Rolle, da mein Vater mit großer Leidenschaft mein Olivenhain

betreute

Bewässerungsvorgang dauerte drei Tagen

Gedanke der Prozessoptimierung fehlte: Ausführung der übertragen und erfor-

derlichen Tätigkeiten in kürzester Zeit (mit hohem Leistungsgrad)

4

Maximierung des Automatisierungsgrades kam nicht in Frage, da wir flexible

und erfahrene Nachbar-bauern beschäftigen. Mein Vater sagte: unsere Mitar-

beiter sind unser wichtigstes Gut

Die wichtigsten Begriffe und Erklärungen rund um die intelligente Bewässerung,

Smart Garden und Internet der Dinge (IdD) waren den Nachbar-Bauern in

Hammamet (Tunesien) unbekannt

Die unterschiedlichen Wasserqualitäten sind bekannt. Es wurde ausschließlich

und bedenkenlos beste Wasserqualität aus den naheliegenden Bergen verwen-

det. Jedoch fehlte die Analyse und Monitoring der Wasserqualität über die Jahre

Die Möglichkeit Regenwasser auffangen, aufbereiten und benutzen wurde bis-

her nicht betrachtet

Die Kontrolle und Bewertung der Bodenfeuchte erfolgt durch Probebohrung mit

dem Finger. Kein geeignetes Messmittel wurde verwendet

1.3 Zielsetzung

Die Bewältigung o.g. Problembilder und der Komplexitätsherausforderung des Pro-

dukts und Prozesses bedarf eine systemisch-lösungsorientierte Auslegung des Ge-

samtsystems Eigenschafts- und funktionsbasiert. Folgende Ziele werden im Laufe die-

ser Diplomarbeit ausgearbeitet:

Durch Digitalisierung soll ein IoT-fähiges Kommunikationssystem zur Echtzeit Über-

wachung und Optimierung aufgebaut werden. Ferner soll durch innovative Steue-

rungstechnik und Automatisierung von Prozessabläufen mehr Wertschöpfung etabliert

werden.

Tunesien gehört zu den Billiglohnländern, bei dem die Monatsgehälter in der Landwirt-

schaft oder Industrie bei Vollzeitbeschäftigung teilweise unter 300 Euro liegen. Auf-

grund der überschaubaren großen Fläche und Ernte der Olivenplantage ist Teilauto-

matisierung in diesem Fall besser geeignet als Vollautomatisierung.

Zur effizienten Projektgestaltung wird das magische Dreieck des Projektmanagements

bzw. die drei Dimensionen Zeit, Kosten und Qualität betrachtet werden (siehe Abbil-

dung 3).

5

Abbildung 3: Magisches Dreieck, Quelle: (Buchenau, 2011, S. 11)

Aus einer ganzheitlichen Helikopterblick Perspektive soll das künftige Bewässerungs-

system kostengünstig, praxisorientiert, innovativ, kreativ, mobil und realistisch umsetz-

bar sein.

Diese abgeleiteten Perspektiven sollen auf folgende Prinzip-Theorien basieren:

Do It Right The First Time

Keep it simple

1.4 Aufbau der Arbeit

Dieser erste Abschnitt der Einleitung (Kapitel 1) widmet sich der Darstellung der Moti-

vation, Problematik, Ziele und Aufbau dieser Diplomarbeit.

Die Welt des Internet der Dinge (IdD) dessen Nutzen, Durchbruch und Veränderung

auf die Menschheit wird im Kapitel 2 beschrieben.

Im Drauffolgendem Kapitel (Kapitel 3) wird die moderne Automatisierungstechnik nä-

her gebracht.

Kulturgeschichte und die Anforderungen in der Pflege des Olivenanbaus werden im

Kapitel 4 dargestellt.

Ausdetaillierte IST-Stand-Analyse erfolgt im fünften Abschnitt (Kapitel 5).

6

Darauf resultierend wird im sechsten Abschnitt (Kapitel 6) basierend auf den theoreti-

schen Grundlagen und der Ist-Stand-Analyse ein IoT-Fähiger, ferngesteuerter, teilau-

tomatisierter und seriennaher Prototyp entwickelt. Dieser Kapitel widmet sich der Lö-

sungsimplementierung.

Mit dem letzten Abschnitt, dem Fazit und einem Ausblick in Bezug auf Weiterentwick-

lungsmöglichkeiten wird diese Diplomarbeit abgeschlossen.

7

2 Grundlagen des Internet der Dinge

2.1 Einleitung

Digitale Transformation, Big Data, Smart Data, intelligente vernetzte Sensoren, auto-

nome und selbstgesteuerte Maschinen, künstliche Intelligenz (KI), Industrie 4.0, Land-

wirtschaft 4.0 und Internet der Dinge (IdD) sind Begriffe die überall im Alltag stecken

und uns auf Schritt und Tritt in allen Facetten der Globalisierung und Bereichen der

Gesellschaft und Wirtschaft begegnen. Die Kraft der kontinuierlichen Innovation und

Forschung sowie faszinierender Technologien in äußert verkürzten Entwicklungszei-

ten verändert unsere Denkweise und grundsätzliche Sicht auf die Welt.

Im heutigen digitalen Zeitalter ist die digitale Transformation der Weg zum „Internet der

Dinge (IdD)“. Nach Roland Berger besteht diese aus den folgenden vier Kernelemen-

ten: digitale Daten, Automatisierung, Vernetzung und digitaler Kundenzugang3

Abbildung 4: Die Hebel der Digitalen Transformation, Quelle: (Arndt Borgmeier, 2017, S. 4)

3 (Arndt Borgmeier, 2017, S. 5)

8

Daher ist es äußerst wichtig sich mit diesen wichtigen Themengebiete tiefer zu befas-

sen und sich deren Anwendungsmöglichkeiten zu widmen, da diese Technologien tat-

sächlich vieles besser als wir Menschen können. Hier ein Beispiel: Forscher sind der

Meinung Stau könnte vermieden werden, wenn 5 % aller Fahrzeuge über das Internet

der Dinge gelenkt und gesteuert würden.4

2.2 Was ist Internet der Dinge (IdD)

Der Begriff „Internet der Dinge“ lässt sich um jahrtausendwende einleiten und hat sei-

nen Ursprung am Auto-ID Centers des Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Herr Kevin Ashton Mitgründer des MIT gilt als Erfinder und Vater des Begriffes „The

Internet of Things“. Dieser stand im Einklang mit Radio-Frequency Identification (RFID)

in seinen ersten Jahren und galt als Schlüsseltechnologie für die Vernetzung und Ein-

bindung von Objekten in die virtuelle Datenwelt5.

Internet der Dinge (IdD)“ (engl. Internet of Things) ist ein intelligentes, vernetztes und

übergreifendes Kommunikationsfähiges System, das uns in unterschiedlichen Alltags-

situationen bereichert (siehe Abbildung 5) wie z.B. Smart Home, Haushaltsgeräte,

Connected Car, Fahrzeuge, Parkplatz, Logistik und Ventile. Der IoT-Ansatz zielt laut

Lackes darauf ab6:

Innovative Möglichkeiten für digitale Anwendung für Konsumenten und Produ-

zenten zu schaffen

Ressourcenschonung

Optimierung bestehender Geschäftsmodelle und effiziente Gestaltung von

neuen Geschäftsmodellen

Produktivitätssteigerung und Ergebnisverbesserung

Anwenderzufriedenheit steigern

Smart Home - Energiesparen durch intelligentes Energiemanagement

4 (Hänisch, 2015, S. 8)

5 (Stefan, 2016, S. 9)

6 (Lackes, 2018, S. 2)

9

Konzept von Smart Cities

E-Health-IOT für Medizin & Gesundheitswesen

Verbesserte Smart Security Lösungen

Autonomes Fahren und intelligente Fahrzeugsysteme

Abbildung 5: Vereinfachter Prinzip Darstellung IoT, Quelle: (Stefan, 2016, S. 13)

Definition 1: „Im Internet der Dinge (Englisch: Internet of Things, IoT) bekommen Ge-

genstände eine eindeutige Identität und können miteinander kommunizieren oder Be-

fehle entgegennehmen. Mit dem Internet of Things lassen sich Anwendungen automa-

tisieren und Aufgaben ohne Eingriff von außen erledigen.“7

Definition 2: „Das „Internet der Dinge“ (IdD) beschreibt die Entwicklung, wie maschi-

nengebundene, eingebettete Systeme schrittweise Standardprotokolle der Internet-

Welt adaptieren und damit selbst Teil des globalen Inter-Netzwerks werden“.8

In einer globalen Netzwerkinfrastruktur werden durch „Internet der Dinge“ angeschlos-

sene Maschinen und Geräte überwacht und gesteuert9.

7 (Tutanch, 2016)

8 (Halang, 2016, S. 43)

9 (Kaufmann, 2015, S. 6)

10

Heutzutage schließt sich „Internet der Dinge“ mit mehreren neuen Technologien zu-

sammen, wie in Abbildung 6 gezeigt. Diese schaffen den technologischen Hub für die

Zukunft und sind systematisch miteinander in einer Wirkkette verbunden und ver-

knüpft.

Die Säulen von „Internet of Things“ werden in den darauffolgenden Kapiteln erläutert:

Abbildung 6: Aspekte die dem Iot zugeordnet sind, Quelle (Arndt Borgmeier, 2017)

2.2.1 Industrie 4.0

Der Begriff Industrie 4.0 beschreibt die vollständige Ausstattung der industriellen Pro-

duktionsstandorte, Fertigungsstätten und Montagewerke durch IP-basierte Kommuni-

kation in den Netzwerken. Dieser Begriff wurde zum ersten mal während der Hanno-

verMesse Industrie erwähnt. Im darauffolgenden Jahr hat die Bundesregierung die

Umsetzungsempfehlung des Arbeitskreises Industrie 4.0 erhalten10.

Die vier industriellen Revolutionen (siehe Abbildung 7), angefangen bei der Einführung

der mechanischen Fertigung bis zur heutigen Cyberphysische Systeme haben einen

starken Einfluss auf die Wohlstandgestaltung aller betroffenen Nationen und schreiben

10 (Carsten Pinnow, 2015, S. 1)

11

die Geschichte neu. In erster Etappe ab der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts war

der Mensch Bediener, danach Spezialist, in der dritten „Enabler“ (Befähiger) und nun

als Gestalter der gesamten Wertschöpfungskette aus den Bereichen Entwicklung, Ein-

kauf, Logistik, Produktion, Sales und Aftersales, sowie Finanzdienstleistung11.

Abbildung 7: Stufen der industriellen Revolution, Quelle: (Kaufmann, 2015, S. 4)

Wie oben kurz dargestellt, fokussiert sich Industrie 4.0 eindeutig und branchenunab-

hängig auf die Hauptgeschäftsprozesse eines Unternehmens gem. Abbildung 8:

Produktentwicklung: Smart Products

Kundenauftragsprozess: Smart Factory

Sales und Aftersales: Smart Services

Darüber hinaus werden in Zeiten der Digitalisierung neue Anforderungen an Digital

Leadership oder Management 4.0 gestellt.

Der wesentliche Hauptgedanke bei Industrie 4.0 ist das Zusammenführen intelligenter

Produkte (Smart Products) unter dem Dach einer intelligenten Fabrik (Smart Factory)

und neuen digitalen Internet Diensten (Smart Services)12.

11 (Huber, 2018, S. 12)

12 (Huber, 2018, S. 14)

12

Abbildung 8:Definition von Industrie 4.0. (angelehnt an Staufen AG), Quelle: (Huber, 2018, S. 14)

2.2.2 Big Data

Big Data ist ein allgemeiner Begriff ohne klare Definition. Dieser englische Begriff be-

schreibt große Datenmengen und bezieht sich auf die folgenden vier Dimensionen,

das sogenannte 4 V-Modell13:

Volume: Datenvolumen

Velocity: Geschwindigkeit mit der Daten generiert, bewertet und transferiert

werden

Variability: Große Bandbreite hinsichtlich Datenquellen –und Typen

Veracity: Wahrhaftigkeit, Vertrauenswürdigkeit und Verlässlichkeit der Daten

Wie in der Abbildung 9 Gartner Hype Cycle für Emerging Technologies dargestellt,

bewegte sich Big Data in Richtung den Höhepunkt bzw. Gipfel der Periode der über-

13 (Christian König, 2018, S. 18)

13

zogenen Erwartungen (Inflated Expectations). Zur Erreichung der Plateau der Pro-

duktivität (Plateau of Productivity) muss Big Data in Zukunft das Tal der Enttäuschun-

gen durchgehen (Trough of Disillusionment)14.

Abbildung 9: Gartner Hype Cycle für Emerging Technologies, 2014. (Mit freundlicher Genehmigung von Gartner),

Quelle: (Kaufmann, 2015, S. 9)

Wie oben dargestellt, ist Big Data derzeit in aller Munde und wird oft mit verschiedens-

ten Dinge in einen Topf geworfen wie z.B. SQL- und NoSQL sowie objektorientierte

Datenbanken, bei denen immense Datenvolumen gespeichert werden15, diese enorme

Mengen an strukturierten und unstrukturierten Metadaten werden je Branchengebiet

ausgewertet und steigen derzeit um 40 Prozent pro Jahr und schätzungsweise rundum

um den Faktor 50 bis zum Jahr 2020. Dies entspricht etwa 5.200 Gigabyte pro

Einzelmensch auf der Erde16.

Die folgende Abbildung 10 hilft das o.g. komplexe System zu vereinfachen und anhand

eines Beispiels „Elektronischer Shop“ schemtaisch darzustellen. Hierzu hat Web

14 (Daniel Fasel, 2016, S. 4)

15 (Litzel, 2017)

16 (Michael, 2015)

14

Analytics eine zentrale Bedeutung, da „wichtige Kenngrößen (Key Performance

Indicators) der Inhalte (Content) wie der Webbesucher in einem Datawarehouse

aufbewahrt. Mit spezifischen Werkzeugen (Data Mining, Predictive Business Analysis)

werden die Geschäftsziele und der Erfolg der getroffenen Maßnahmen regelmäßig

ausgewertet“17.

Abbildung 10: Nutzung von SQL- und NoSQL-Datenbanken im Webshop nach Meier und Kaufmann2016,

Quelle: (Daniel Fasel, 2016, S. 19)

17 (Daniel Fasel, 2016, S. 19)

15

2.2.3 Machine-to-Machine (M2M)

Heutzutage existieren über den gesamten Globus hinweg mehr Maschinen als Men-

schen. Diese Anzahl beträgt 65 Milliarden Maschinen und wird in Zukunft weiter ex-

pandieren. Bemerkenswert hierbei ist, dass dies ein großes Potenzial (Abbildung 12

M2M World of Connected Services) im Hinblick auf Vernetzung hat. Somit können

neue Märkte wie z.B. eigenständige Kommunikation und Vernetzung zwischen Ma-

schinen ausgelotet werden18. M2M (Machine-to-Machine) ermöglicht das drahtgebun-

dene oder drahtlose Kommunikationsnetz zwischen Geräten gleichen Typen und eines

spezifischen Anwendungsfalles. Erhöhte Produktivität und Sicherheit, sowie Kosten-

senkung werden durch M2M geschaffen19.

Die einzelnen Maschinen, Geräte oder die Gesamtnetz-Infrastruktur kommunizieren

direkt oder indirekt auch mit dem Benutzer. Demnach übernimmt der Mensch in die-

sem Anwendungsfall eine kontrollierende oder lenkende Funktion20. Hier sind ein paar

Beispiele dargestellt:

Überwachung und Steuerung eines SCADA-Nuclear-Power-Plant

Smart Home Alarm Anlage

Smart Parking und vernetzte Mobilität im Straßenverkehr

Die Abbildung 11 zeigt die starke Verknüpfung und wechselseitiges Aufeinanderein-

wirken zwischen Mensch, Maschine, M2M-Elemenete und Big Data für eine industri-

elle Lösung.

18 (Axel Glanz, 2013, S. 10)

19 (Jan Höller, 2014, S. 11)

20 (Projektgruppe „M2M Initiative Deutschland“, November 2012, S. 2)

16

Abbildung 11:Upstream (top), downstream (middle), and mash-up (bottom) components for typical industrial M2M

turnkey solutions, Quelle: (Dohler, 2015)

17

Abbildung 12: M2M World of Connected Services, Quelle: (Beecham Research Limited, 2019)

M2

M W

orld

of C

on

nected

Services Th

e Intern

et of Th

ings

18

2.2.4 Smart Farming (Landwirtschaft 4.0)

„Unter Smart Farming (auch unter Landwirtschaft 4.0, Farming 4.0 oder Digital Far-

ming bekannt) versteht man die Anwendung von Informations- und Datentechnologie

zur Optimierung komplexer Systeme in der Landwirtschaft. Die Vernetzung von intelli-

genter Landtechnik und moderner Datentechnologie ermöglicht einen an den Standort

angepassten Pflanzenbau sowie einen effizienten Produktionsprozess und unterstützt

den Landwirt bei seinen Entscheidungen“21. Demnach erfordert die Weiterentwicklung

und Optimierung Landwirtschaftlicher Prozesse im Hinblick auf Smart Farming eine

systematische Vorgehensweise sowie spezielle Instrumente und Kompetenzen. Nach-

folgend ist eine Auflistung von Beispielen zur Umsetzung der künftigen Dienstleistun-

gen unter dem Gesichtspunkt Farming 4.022:

Maschinen-Lifecycle-Dienstleitungen: Verfügbarkeit von Maschinen und Bereit-

schaft von Anlagen

Produktivitäts-Dienstleistungen: Prozessverbesserung bei Kundschaft

Management-Dienstleistungen: Hilfestellung und Betreuung durch das Ma-

nagement beim Kunden

Geldmittel zur Verfügung stellen, Miet-und Versicherungsservice

Angrenzende Serviceleistungen

21 (Giesler, 2018)

22 (Boes, 2014, S. 62-63)

19

2.3 IoT-Architektur

Um ein besseres und breites Verständnis für IoT und dessen Nutzen zu erreichen,

muss man sich der Kernarchitektur (core architectur) des IoT widmen. Die dazugehö-

rigen Kategorien sind wie folgt ausgelegt23:

Sensoren

Gateways

Server und Cloud

Benutzeranwendungen

Zur ersten Kategorie zählen Sensoren. Deren Hauptaufgabe beschränkt sich auf die

Datensammlung und deren Übertragung (Wiedergabe) in Netzwerksystemen. Die Ga-

teways gehören zur zweiten Kategorie und ermöglichen eine einfache Datenübertra-

gung in beide Richtungen zwischen Sensoren und Cloud24. Die dritte Kategorie be-

schäftigt sich mit Server und Cloud. Hier die dazugehörige Definition: „Prinzipiell ist die

Cloud aber einfach nur ein Begriff, der ein globales Netzwerk von Servern bezeichnet,

die alle eine eigene Funktion erfüllen. Die Cloud ist keine physische Größe, sondern

ein riesiges Netzwerk aus Remoteservern, die über die ganzen Welt verteilt aber mit-

einander verbunden sind, damit sie als ein einziges großes Ökosystem funktionieren

können. Die Server sind dazu ausgelegt, Daten zu speichern oder zu verwalten, An-

wendungen auszuführen oder Inhalte und Dienste wie das Streamen von Videos,

Web-Mail, Software für die Büroproduktivität oder soziale Medien zu liefern. Statt auf

Dateien und Daten auf einem lokalen oder persönlichen Computer zuzugreifen, kön-

nen sie von jedem internetfähigen Gerät online erreicht werden – so können Sie immer

und überall auf Ihre Daten zugreifen“25. Die abschließende Kategorie ermöglicht die

Überwachung und Steuerung von Daten durch Softwarekomponenten im Rahmen ei-

ner IoT-Lösung26.

23 (Ramesh C. Poonia, 10. August 2018, S. 7)

24 (Hryzhnevich, 2018)

25 (Microsof Azure, n.d.)

26 (Hryzhnevich, 2018)

20

Abbildung 13:Grundelemente der IoT-Architektur, Quelle: (Hryzhnevich, 2018)

21

2.4 IoT-Plattformen

IoT-Plattformen sind essenziell für die künftigen Iot-Projekte und bedürfen ausrei-

chende und kontinuierliche Investitionen. Plattformen sind die Brücke zwischen den

vernetzen Maschinen und den Systemen, die für die Daten-Transfer, -Verarbeitung; -

Speicherung und –Auswertung. Die Auswahlmöglichkeiten und Unterschiede zwi-

schen den Angeboten an IoT-Plattformen sind groß. Es empfiehlt sich daher die heu-

tigen sowie künftigen Marktanforderungen und viele andere Faktoren in Betracht zu

ziehen. Hierzu gibt es fünf verschiedene Formen von IoT-Plattformen27:

Cloud-Services: Ubidots IoT, Microsoft, AWS oder Google

Anbinden von IoT-Komponenten wie z.B. Sensoren, Aktoren, Mikrocontroller

(Arduino, Raspberry Pi, Particle und Adafruit)

IoT device management

Data-Analytics-Plattform-Lösungen

IoT Application Enablement

2.5 Sicherheitsaspekte im Internet der Dinge

Das Potential des Internet der Dinge (IdD) ist noch nicht ausgeschöpft. Dies bietet

enorme Chancen für die Wirtschaft. Man kann es auch so sagen: IoT-Milliardenge-

schäft für Business Abwicklung. Das ist ein zweischneidiges Schwert, wo die Dimen-

sion dessen Risiken und Gefahren, auf Privatsphäre und Sicherheit enorm wichtig

sind. Unternehmen und Menschen werden die Kontrolle über ihre Daten verlieren. Was

daraus gemacht wird, wohin wird transferiert, wo befinden sich die Daten, das alles

sind Fragen die noch zu beatworten sind. In Analogie dazu bietet IoT keine verlässliche

Konnektivität und Sicherheit für die Maschinen. Zombie botnets, Hackerangriffe,

schlecht geschützte Pfade und verlorener Kontrolle über Smart Home Geräte, Sicher-

heit der Infrastruktur für das Schlüssel-Management wird IoT-Sicherheit damit ständig

konfrontiert28.

27 (Reder, 2018)

28 (McGillicudd, 2014)

22

Demzufolge ist es notwendig die Unternehmensstruktur auf die Digitalisierung anzu-

passen und auszudehnen. Aus meiner Sicht hat VW die richtige Entscheidung getrof-

fen als VW-Aufsichtsrat in 2017 den Umbau der Vorstandsebene vorgeschlagen hat,

und einen neuen Digital- und IT-Vorstand berufen möchte29. Die Abbildung 14 zeigt,

mögliche neue Ansätze für Organisationsformen für Fast IT und Slow IT.

Die folgenden vier Säulen bilden die Grundlage der IT-Sicherheit30:

Verfügbarkeit

Datenexistenz

Integrität

Vertraulichkeit

Verbindlichkeit

Abbildung 14:Organisationsformen für Fast IT und Slow IT, Quelle: (Andreas Gadatsch, 2017)

29 (Freitag, 2017)

30 (Andreas Gadatsch, 2017, S. IX)

23

3 Automatisierungstechnik

Durch Automatisierung werden Prozesse gestaltet, optimiert und weiterentwickelt mit

dem Ziel Prozessabläufe nach einem bestimmten Schema und ohne eingreifen der

Produktionsmitarbeiter völlig oder teilweise selbständig ausgeführt zu werden (siehe

Abbildung 15). Die vom Menschen aufzubringende Muskelkraft wird durch Arbeitsma-

schinen mit Antrieb sowie Vorrichtungen ersetzt. Die Steuerungstechnik befreit den

Produktionsmitarbeiter von den im Tagesgeschäft anfallenden Routineaufgaben (Wie-

derholungen und monotoner Gedächtnis- und Gedankenarbeit). Sie übernimmt die

Aufgaben der Steuerung von Aktoren sowie Erfassung, Übertragung, Verarbeitung von

Schaltinformationen.

Ein Automat wird als eine Maschine bezeichnet, die vorbestimmte Abläufe teilweise

oder völlig selbstständig durchführt. Ein Halb- oder Teilautomat ist eine Maschine, die

alle prozessnotwendigen Aufgaben wie z.B. Bewegung zwischen Werkstück und

Werkzeugschneide des Werkzeugs selbstständig durchführt. Des Weiteren werden

manuelle Tätigkeiten wie z.B. Materialversorgung, Auswahl der Drehzahl der Ma-

schine von Hand durchgeführt. Im Gegensatz dazu übernimmt ein Vollautomat die

Ausführung aller Tätigkeiten und Funktionen ohne Beteiligung der Menschen31.

Abbildung 15:Zusammenhänge zwischen menschlicher Tätigkeit, Mechanisierung und Automatisierung, Quelle:

(Manfred Weck, 2006, S. 1)

31 (Manfred Weck, 2006, S. 1-2)

24

Elektrotechnik und Elektronik waren die Treiber der heutigen moderne Automatisie-

rungstechnik (gem. Abbildung 16). Die zunehmend Weiterentwicklung von Mikropro-

zessoren und der Einsatz vereinheitlichter Rechnerarchitekturen und deren Einfluss

auf Datenverarbeitung durch Computer spielen hierbei eine wichtige Rolle32.

Somit spielen Sensoren, Aktoren, Mikrocontroller und Mikrocontroller-Systeme eine

zentrale Rolle in der heutigen Welle der Automatisierungstechnik und insbesondere in

der smarten Vernetzung durch das Internet of Things (IoT).

Abbildung 16:Meilensteine der Materialflussautomatisierung, Quelle: (Michael ten Hompel, 2008 , S. 122)

3.1 Sensoren

„Sensoren - oft auch Wandler oder (Mess-)Fühler genannt - sind technische Sinnesor-

gane: Bauteile, die neben bestimmten physikalischen oder chemischen Eigenschaften

32 (Michael ten Hompel, 2008 , S. 121)

25

(z. B. Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schallwechseldruck, Schall,

Helligkeit, Magnetismus, Beschleunigung, Kraft) auch die stoffliche Beschaffenheit ei-

ner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen können. In der Tech-

nik spielen Sensoren in automatisierten Prozessen eine wichtige Rolle als Signalge-

ber. Sie nehmen Informationen auf und wandeln mechanische, thermische oder an-

dere physikalische / chemische in elektrisch verarbeitbare Größen“33.

Abbildung 17: Sensoren – Messgrößenaufnahme und -verarbeitung, Quelle: (Müller, 2010, S. 1)

Sensoren werden am häufigsten eingesetzt zur Messung der34:

Temperatur

Druck

Durchfluss

Binäre Position

Position

Flüssigkeits-Chemosen

Füllstand

Geschwindigkeit

Gas-Chemo

33 (Glück, 2016, S. 2-3)

34 (Stefan Hesse, 2009, S. 20)

26

3.2 Aktoren

Ein Aktor ist ein aktive Baueinheit, die unter bestimmten Voraussetzungen bzw. nach

erhalten eines bestimmen elektrischen Signals eine Aktion durchführt: mögliche Akti-

onen sind u.a.35:

Senden von Signale an sich selbst oder andere Aktuatoren

Generierung von neuen Aktuatoren

Spezifizieren von neuen Ersatzhandlung

Die Funktionsgliederung von Aktoren kann durch den Einsatz von Funktionsglieder

"Energiewandler" und "Energiesteller" dargelegt werden (siehe Abbildung 18 )

Bei einem Energiewandler wie z.B. Stromwandlern oder Drehmomentwandlern ist die

Eingangs- und Ausgangsgröße eine Energie gleicher Art. Anders ist dies jedoch bei

einem elektromagnetischen oder piezoelektrischen Wandlern (gem. Abbildung 18 a).

Die Ausgangsgröße eines Energiestellers ist eine Energie die durch die Eingangs-

größe wie z.B. Transistoren oder Ventilen geregelt (gem. Abbildung 18 b).

35 (Uwe Borghoff, 1995, S. 218)

27

Abbildung 18: Funktionsgliederung des Aktors. a Energiewandler. b EnergiesteIler, Quelle: (Janocha, 1992)

3.3 Mikrocontroller

Mikrocontroller bezeichnet eine bestimmte Art von Mikrorechner auf einen Chip. Sie

übernehmen die Rolle der Steuerung und Kommunikation um bestimmten Aufgaben

mit weinigen Bausteine zu lösen. Dies bedingt den Einsatz und Nutzung von Speicher,

Prozessorkern, und Ein-/ Ausgabeschnittstellen. Aufgrund vielfältiger und unterschied-

licher Aufgabenanforderungen werden individualisierte Mikrocontroller mit speziellen

Mikroprozessoren, die sogenannten Mikrocontrollerfamilien eingesetzt36.

36 (Uwe Brinkschulte, 2002, S. 1-2)

28

.

Abbildung 19: Einfaches Mikrocontroller-System, Quelle: (Bahring, 2010, S. 2)

Als Haupteinsatzgebiet der anwendungsorientierten Mikroprozessoren und Mikrocon-

troller werden die sogenannten eingebetteten Systeme (Embedded Systems) angese-

hen. Hier werden Datenverarbeitungssysteme in eine technische Umgebung einge-

gliedert. Die Regelung und Kontrolle dieser Umgebung erfolgt über deren Datenverar-

beitungsleistung. Das Beispiel Kaffeemaschine wird zum Zweck der Erläuterung und

eindeutigen Identifizierung der Steuerungsrolle der Mikrocontroller oder Mikroprozes-

sor in ein eingebettetes System aufgeführt. Hier wird durch die Datenverarbeitungs-

leistung die Koordination sämtlicher Komponentenfunktion wie Wassertank, Heizele-

mente und Magnetventil um eine gutes Kaffeeerlebnis zu bieten. Hingegen ist der

Computer im Haus ein Rechnersystem zur Datenverarbeitung und ist daher kein ein-

gebettetes System. Computer für Steuerung von automatisierten Anlagen und Maschi-

nen in industrieller Umgebung sind jedoch eingebettete Systeme. Überall im Alltag sind

wir von 06.00 Uhr bis 22Uhr ständig in Berührung mit solchem Systeme 37 (siehe Ab-

bildung 20).

37 (Bahring, 2010, S. 3)

29

Abbildung 20:Eingebettete Systeme in Geräten des täglichen Lebens, Quelle: (Bahring, 2010, S. 4)

3.4 Abgleich verschiedener Mikrocontroller

Die bekanntesten und auch meistgenutzten Mikrocontroller Boards für Hobbybastler,

Programmierer und Entwickler sind Arduino und Raspberry pi. Hier können Coder ihre

Projektideen schnell und unkompliziert testen. In der folgenden Tabelle 1 werden die

Vor– und Nachteile kurz beschrieben.

Arduino Raspberry pi

Vorteile - Sofort einsetzbar (Hardware-/Soft-

ware-Setup)

- Große Entwicklungsumgebungen

mit zahlreichen Bibliotheken

- Standardmäßig HDMI- und netzwerk-

fähig

- Sowohl für einfache als auch

komplexe Aufgaben geeignet

Nach-

teile

- Shields kostspielig

- Geringer Lernfaktor

- Kostenpflichtige Zusatzkomponenten

- Softwareinstallation erfolgt separat

Tabelle 1: Arduino und Raspberry Pi im Vergleich, Quelle: (Ionos, 2018)

30

Mikrocontroller sind im heutigen digitalen Zeitalter eine Schlüsseltechnologie. Mittler-

weile gibt es davon eine große Anzahl unterschiedlicher Funktionen, Leistung sowie

Anzahl der Input- / Output-Schnittstellen (siehe Abbildungen 15/16 /17/18). Die Kon-

kurrenz ist jedoch spürbar. Der Mikrocontroller ESP8266 ist Arduino und Raspberry pi

einen Schritt voraus, da dieser über ein integriertes WLAN verfügt, stromsparend ist,

und sich aufgrund der extremen kleinen Größe überall einsetzen lässt38. Im kommen-

den Abschnitt werde ich auf einen IoT-fähigen Mikrokontroller wie z.B. Particle Photon

tiefer eingehen.

Abbildung 21: Raspberry Pi und Beaglebone Black,

Quelle: (Monk, Getting Started with the Photon, 2015,

S. 6)

Abbildung 22: Arduino Uno Revision 3,Quelle: (Monk,

2016, S. 4)

Abbildung 23: ESP8266 , Quelle: (Moritz, 2016)

Abbildung 24: Photon, Quelle: (Rush, 2016, S. 4)

38 (Moritz, 2016)

31

3.4.1 Particle Photon vollständig integrierte IoT-Plattform

Der Particle Photon (siehe Abbildung 25) ist das ideale Board für IoT-Maker. Er ist

leistungsfähig und ist mit WiFi und Cloud-Anbindung ausgestattet. Somit legt er die

Grundbausteine für Iot-Anwendungen. Mit fünf Gramm Nettogewicht, einer kompakten

Bauweise und geringen Abmessungen in mm (36.58 x 20.32 x 6.86) gehört ein Photon

zur Kategorie der kleinsten auf dem Markt verfügbaren Platinen. Er benötigt 3,3 VDC-

Stromversorgungen39.

Abbildung 25:Photon Block-Diagramm, Quelle: (Particle, n.d.)

39 (Stal, 2016)

32

Auf dem Photon-Datenblatt sind folgende Features und Konfigurationen eingetragen40:

Particle PØ Wi-Fi module

o Broadcom BCM43362 Wi-Fi

chip

o 802.11b/g/n Wi-Fi

o STM32F205RGY6 120Mhz

ARM Cortex M3

o 1MB flash, 128KB RAM

On-board RGB status LED (ext. drive

provided)

18 Mixed-signal GPIO and advanced

peripherals

Open source design

Real-time operating system (Fre-

eRTOS)

Soft AP setup

FCC, CE and IC certified”

Abbildung 26:Belegungsplan Photon, Quelle:

(Particle, n.d.)

Gemäß Datenblatt ist der Photon leistungsfähig auf kleinsten Raum und besitzt ana-

loge und digitale Ein- und Ausgänge, sowie Kommunikationsschnittstellen (siehe Ta-

belle 2) 41 :

40 (Particle, n.d.)

41 (Particle, n.d.)

33

Peripheral Type Qty Input(I) / Output(O) FT[1] / 3V3[2]

Digital 18 I/O FT/3V3

Analog (ADC) 8 I 3V3

Analog (DAC) 2 O 3V3

SPI 2 I/O 3V3

I2S 1 I/O 3V3

I2C 1 I/O FT

CAN 1 I/O 3V3[4]

USB 1 I/O 3V3

PWM 9[3] O 3V3

Tabelle 2: Photon-Anschlüsse, Quelle: (Particle, n.d.)

Drüber hinaus bietet der Photon unzählige Features wie z.B. Web IDE (Build), Particle

mobile app (siehe Abbildung 27), Event Logs, remote Diagnostik etc.

Abbildung 27:Particle Mobile App - iPhone | Android, Quelle: (Particle, n.d.)

34

4 Der Olivenbaum - heiliger Baum

4.1 Einleitung

Der heilige Olivenbaum (Olea europaea, Europäische Olive), gehört zur Familie der

Ölbaumgewächse (Oleaceae) und ist eine der ältesten Kulturpflanzen, die seit mehr

als 7.000 Jahren kultiviert wird. Der Olivenbaum hat eine langjährige Geschichte und

Tradition in der Mittelmeerregion und in bestimmten Regionen Kleinasiens (Anatolien).

95 Prozent der weltweiten Olivenöl-Produktion stammen aus dem Mittelmeer Raum42.

Wie in Abbildung 28 zu sehen ist, ist Spanien mit Abstand die Nummer eins an der

Herstellung von Olivenöl. Italien hält mit 350 tausend Tonnen den zweiten Platz vor

Tunesien mit 340 tausend Tonnen.

Abbildung 28: Top 8 Olivenölprozudenten, Quelle: (Reinhard Jäger, 2017)

42 (Gupta, n.d.)

35

4.2 Olivenöl im Christentum

Olivenöl ist eines der vier wichtigsten Symbole im Christentum zusammen mit Brot,

Wein und Wasser. ”Und Gott segnete Mann mit Wein, froh, dass die Herzen der Men-

schen weidet, und Öl, um sein Gesicht zum Leuchten zu bringen, und Brot des Men-

schen Herz zu stärken " (David, Psalm 93)43.

Im Biblischen Alltag wurde das wertvolle Olivenöl hochgeschätzt. Dies wurde als

Brennstoff, in der Medizin zur Heilung von Krankheiten, Körperpflege sowie zum Sal-

ben des Körpers eingesetzt. Der Olivenzweig gilt als Symbol für Frieden. Dieser wurde

für alle sichtbar, als die Taube zu Noah mit einem Ölzweig zurückkehrte44:

„8 Und er ließ die Taube von sich aus, um zu sehen, ob die Wasser sich verlaufen

hätten von der Fläche des Erdbodens; 9 aber die Taube fand keinen Ruheplatz für

ihren Fuß und kehrte zu ihm in die Arche zurück; denn die Wasser waren noch auf der

Fläche der ganzen Erde; und er streckte seine Hand aus und nahm sie und brachte

sie zu sich in die Arche. 10 Und er wartete noch sieben andere Tage und ließ die

Taube abermals aus der Arche; 11 und die Taube kam zu ihm um die Abendzeit, und

siehe, ein abgerissenes Olivenblatt war in ihrem Schnabel. Und Noah erkannte, daß

die Wasser sich verlaufen hatten von der Erde.In ihrem Schnabel hatte sie einen fri-

schen Olivenzweig. Jetzt wusste Noah, dass nur noch wenig Wasser auf der Erde

stand.“ (Genesis 8,11).

Das heilige Salböl wurde in der Bibel erwähnt und gilt als gesund:

„22 Und Jehova redete zu Mose und sprach: 23 Und du, nimm dir die besten Gewürze:

von selbst ausgeflossene Myrrhe fünfhundert Sekel, und würzigen Zimmet die Hälfte

davon, zweihundertfünfzig, und Würzrohr zweihundertfünfzig, 24 und Kassia fünfhun-

dert, nach dem Sekel des Heiligtums, und ein Hin Olivenöl; 25 und mache daraus ein

Öl der heiligen Salbung, eine Mischung von Gewürzsalbe, ein Werk des Salbenmi-

schers; es soll ein Öl der heiligen Salbung sein. 26 Und du sollst damit salben das Zelt

der Zusammenkunft und die Lade des Zeugnisses 27 und den Tisch und alle seine

43 (Iberiaoliveoil, 2014)

44 (STUBBE, 2013)

36

Geräte und den Leuchter und seine Geräte und den Räucheraltar 28 und den Brand-

opferaltar und alle seine Geräte und das Becken und sein Gestell, 29 und du sollst sie

heiligen; und sie sollen hochheilig sein: alles, was sie anrührt, wird heilig sein. 30 Und

Aaron und seine Söhne sollst du salben und sollst sie heiligen, um mir den Priester-

dienst auszuüben. 31 Und zu den Kindern Israel sollst du also reden: Ein Öl der heili-

gen Salbung soll mir dieses sein bei euren Geschlechtern. 32 Auf keines Menschen

Fleisch soll man es gießen, und nach dem Verhältnis seiner Bestandteile sollt ihr kei-

nes desgleichen machen; es ist heilig, heilig soll es euch sein 33“ (Exodus 30:22-33).

4.3 Olivenöl und Islam

Auch im Islam spielt der Olivenbaum (als Symbol des Friedens und der Freundschaft)

und insbesondere sein Olivenöl eine wichtige Rolle im Alltag. Zeytoun ist das arabi-

sche Wort für Olive45.

Hierzu erscheint der Olivenbaum mehrfach im heiligen Koran46 :

„Und Er ist es, Der aus dem Himmel Wasser niedersendet; damit bringen Wir alle Arten

von Pflanzen hervor; mit diesen bringen Wir dann Grünes hervor, woraus Wir Korn in

Reihen sprießen lassen; und aus der Dattelpalme, aus ihren Blütendolden, (sprießen)

niederhängende Datteltrauben, und Gärten mit Beeren, und Oliven- und Granatapfel-

(Bäume) - einander ähnlich und nicht ähnlich. Betrachtet ihre Frucht, wenn sie Früchte

tragen, und ihr Reifen. Wahrlich, hierin sind Zeichen für Leute, die glauben“ (Sure 6

Vers 99),

„hierauf spalten Wir die Erde in Spalten auf und lassen dann auf ihr Korn wachsen und

Rebstöcke und Grünzeug und Ölbäume und Palmen“ (Sure 80 Vers 26-29),

" Allah ist das Licht der Himmel und der Erde. Sein Licht ist gleich einer Nische, in der

sich eine Lampe befindet: Die Lampe ist in einem Glas; das Glas gleich einem funkeln-

den Stern. Angezündet (wird die Lampe) von einem gesegneten Ölbaum, der weder

östlich noch westlich ist, dessen Öl beinahe leuchten würde, auch wenn das Feuer es

nicht berührte. Licht über Licht. Allah leitet zu Seinem Licht, wen Er will. Und Allah

45 (Iberiaoliveoil, 2014)

46 (Editor, 2016)

37

prägt Gleichnisse für die Menschen, und Allah kennt alle Dinge". Sure 24 Vers 35).

Dieser faszinierende Lichtvers wurde in fast allen Olivenpressen, die ich besucht habe

in die Eingangswand über Tor auf Marmor-, oder Mosaik-Fliesen geschrieben und plat-

ziert. Dessen Bedeutung wurde durch die NASA“Fluorescence map from NASA and

The Holy Quran”47 bestätigt.

4.4 8 Güteklassen von Olivenöl

Die Qualität von Olivenöl ist durch EU-Verordnung geregelt. Sie schreibt für die acht

Olivenölsorten dazugehörige Merkmale vor48:

Fettsäuremethylester (FAME) und Fettsäureethylester (FAEE)

Säuregehalt und Gehalt an Fettsäuren

Peroxidzahl meq O2/kg

K232 und K270

Sensorische Prüfung Fehlermedian (Md) und Fruchtigkeitsmedian (Mf)

Zusammensetzung der Sterine

Schutzmaßnahmen und EU-Verordnungen konnten Fälscher nicht hindern und wie

bekannt ist, bleiben diese wirkungslos.

Abbildung 29: am meisten gefälschten Lebensmitteln, Quelle: (Reinhard Jäger, 2017)

47 (Nader, 2018)

48 (DIE EUROPÄISCHE KOMMISSION, 2011)

38

39

Abbildung 30:Merkmale von Olivenöle, Quelle: (DIE EUROPÄISCHE KOMMISSION, 2011, S. 3-4)

40

4.5 Edaphische Faktoren

4.5.1 Begriffsdefinition

Definition Edaphische Faktoren: „Bodenfaktoren. Sie beinhalten die Gesamtheit der

chemisch-physikalischen Eigenschaften der Böden (z.B. Wasser- und Nährstoffver-

fügbarkeit, PH-Wert). Als wichtiger Bestandteil der Standortfaktoren entscheiden sie

oft über das Auftreten bestimmter Pflanzenarten oder –gesellschaften“49.

4.5.2 Chemische Beschaffenheit

Die chemische Beschaffenheit des Bodens bestimmt die Lebenserwartung und den

Ernteertrag eines Olivenbaums. Ich möchte nun auf die folgenden Punkte hinweisen50:

Olivenbäume als Lebewesen, bevorzugen neutrale oder basische pH-Werte

(gem. Abbildung 31)

Kalkstein-Anteil höher 40% überschreitet ist für Olivenbäume schädlich

Gips ist ebenfalls schädlich für Olivenbäume

Salz wird bis zu einem gewissen Grad vom Olivenbaum toleriert. 3,5 g / L gilt

als oberste Grenze

Der pH-Wert reguliert und fördert die die mikrobielle Aktivität sowie die Minera-

lisierung organischer Substanz

49 (GEOVLEX, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, 2009)

50 (Masmoudi-Charfi Chiraz, 2016)

41

Abbildung 31: Diagramm für PH-Skala, Quelle: (Wasserhelden, n.d.)

4.5.3 Physikalische Beschaffenheit

Die physikalische Beschaffenheit kann wie folgt zusammengefasst werden51:

Eine gute Bodenart zeichnet sich durch ein das Erreichen eines guten Gleich-

gewichts zwischen den folgenden Elementen: Sand, Schluff und Ton.

Gute Wasser-durchlässigkeit an der Oberfläche

Ausreichende und gute Infiltrationswert

Die Tiefe des Bodens ist wichtig für die Entwicklung des Wurzelsystems

4.6 Ökologische Anforderungen

Das Wachstum, sowie die Anpassungsfähig eines Olivenbaum, hängt von den Um-

weltauswirkungen und Umweltrisiken sowie pedologischen Bedingungen des Bodens

ab.

4.6.1 Temperaturanforderungen

Olivenbäume lieben heiße Temperaturen. Diese bestimmen dessen Wachstum und

Entwicklung und spielen eine der wichtigsten Rollen für seine Anpassungsfähigkeit

51 (Masmoudi-Charfi Chiraz, 2016)

42

und überleben in seiner Umgebung. Er kann auch Temperaturen unter dem Gefrier-

punkt standhalten. Laut Loussert und Brousse (1978) liegen die optimalen Durch-

schnittstemperaturen in der Vegetationsperiode zwischen 12 und 22 °C52.

4.6.2 Wasserbedarf

Für Landwirtschaftsbetriebe ist es notwendig, sich mit dem Thema Wasserbedarf für

Obst- und Gemüse Anbau etc. zu beschäftigen. Da diese essentiell für die Planung

der Wasserbereitstellung, die Anwendung von Bewässerungstechniken, sowie Erlan-

gung von Wasserrechten sind. Die zusätzliche zuzuführende potentielle Wasser-

menge hängt von den örtlichen Boden, Klima und die spezifischen Wetterbedingungen

ab. Wassermangel tritt auf, wenn Niederschläge und Wasserspeicherung eines be-

stimmten Standortes nicht ausreichend sind53.

Davon abgeleitet kann man sagen, dass die Bewässerung der Olivenbäume auf den

örtlichen Gesichtspunkte, Sorten von Olivenbäumen und dem eingesetzten Bewässe-

rungsmanagement-System (Traditionell oder Modern) basiert.

Der Wasserbedarf von Olivenbäumen kann anhand verschiedener Verfahren berech-

net werden. Diese werden in den nachfolgenden Kapiteln erläutert.

4.6.2.1 Wasserbedarf aus Klima- und Bodenfeuchte

Im ersten Verfahren wird der Wasserbedarf aus Klima- und Bodenfeuchte ermittelt.

Dessen Kennzahl KWB und ETP aus dem jeweiligen Standort-Wetterdienst gewonnen

sind. Diese stellen den Mittelwert mehrere Jahre dar54.

JahreszusatzwasserbedarfBZ = |KWBBZ| - Pflanzenverfügbarer Bodenwasser-

vorratBZ

Tagesbedarf = (ETPBZ – Pflanzenverfügbarer BodenwasservorratBZ) / Tage der

BZ

|KWB BZ|= Betrag der klimatische Wasserbilanz im Bewässerungszeitraum in mm

52 (Kasraoui, n.d.)

53 (Rickmann Michel, 2014, S. 72-73)

54 (Rickmann Michel, 2014, S. 73-74)

43

ETPBZ = Potentielle Evapotranspiration im Beregnungszeitraum

BZ = Bewässerungszeitspanne der jeweiligen Kultur

Der pflanzenverfürgbare Bodenwasservorrat wird über die Mindestbodenfeuchte er-

fasst. Der Mindestbodenfeuchtegehalt ist in Abhängigkeit von den Bodeneigenschaf-

ten unterschiedlich hoch und wird zur Berechnung des Zusatzwasserbedarfs bei 40

bis maximal 50 % nFK gesetzt. Zur effizienten Berechnung des Wasserbedarfs für

Bewässerungsanlagen und zur Erzielung von attraktive, stabilen und nachhaltigen Er-

träge bei einer hohen Ausnutzung wurden folgende Gleichungen entwickelt55:

WJ = (WJF1 * A1 * K1 + WJF2 * A2 * K2 + … + WJFn * An * Kn) / 100

WT = (WJF1 * A1 + WJF2 * A2 + … + WJFn * An) / 100

WJF1 … WJFn = jährlicher Zusatzwasserbedarf der Kulturen 1…n in [mm]

WTF1 … WTFn = täglicher Zusatzwasserbedarf der Kulturen 1…n in [mm]

A1 … An = Anbauteil einzelner Kulturen an der gesamten Beregnungsfläche in [%]

K1 …Kn = Korrekturfaktor zur Anpassung an die örtlichen Niederschläge mit K= a/b

a = 30-jähriges Niederschlagsmittel während der Beregnungszeitspanne der jeweili-

gen Kulturart

b = 30-jähriges Niederschlagsmittel während der Beregnungszeitspanne der jeweili-

gen Kulturart für die nächstgelegene Messstation

4.6.2.2 Wasserbedarf aus Kenntnissen zum Pflanzenwasserverbrauch

Im Zweiten Verfahren wird die Berechnung des Wasserbedarfes aus den Kenntnissen

zum Wasserverbrauch der Pflanzen. Die Verwendung von Lysimeter lieferte solide

Messungen und ist die sicherste und genaueste Messmethode.

ZWBBZ = (ET * Tage der BZ) – (N + pBV)

ZWBBZ = Zusatzwasserbedarf in der Bewässerungszeitspanne in [mm]

ET = durchschnittlicher Tageswasserverbrauch in der Bewässerungszeitspanne (BZ)

55 (Rickmann Michel, 2014, S. 76-79)

44

BZ = Bewässerungszeitspanne

N = Niederschlag in [mm]

pBV = pflanzenverfügbarer Bodenvorrat (nFK) oberhalb des Mindestbodenfeuchtege-

haltes zu Anfang der Bewässerungszeitspanne (BZ)

4.7 Bewährte Bewässerungssysteme für Olivenhaine

Wie in Abbildung 32 zu sehen ist, existieren heutzutage vielfältige bewässerungsver-

fahren. In Abhängigkeit der Art der Wasseraufbringung unterscheidet man drei Bewäs-

serungsverfahren: Oberflächenbewässerung, Mikrobewässerung und Beregnung.

Abbildung 32: Verfahren der Feldbewässerung, Quelle: (Sourell, n.d.)

Wie man anhand der Tabelle 3 erkennen kann, ist die Tropfbewässerung trotz höherer

Kosten für die Installation am besten für die Olivenhain-Bewässerung geeignet.

Weitere bewährte traditionelle Bewässerungsverfahren ohne Einsatz moderner Tech-

nologie werden in den folgenden Kapiteln erläutert.

45

Oberflächen-

bewässerung

Unterflurbe-

wässerung

Beregnung Tropfbewäs-

serung

Verduns-

tungsverluste

Hoch gering Hoch gering

Versicke-

rungsverluste

Mittel hoch Gering gering

Wassernut-

zungseffizi-

enz

40-50% 60-70% 80-90%

Versalzungs-

gefahr

gering hoch Hoch gering

Verschläm-

mungsgefahr

mittel gering Hoch mittel

Methanaus-

gasung

Ja nein Nein nein

Installations-

kosten

gering gering bis mittel hoch hoch

Geeignete

Böden

schwere Bö-

den, kein Ge-

fälle

leitfähiger

Oberboden

auf undurch-

lässigem Un-

tergrund, kein

Gefälle

alle Böden,

kein bis leich-

tes Gefälle

alle Böden, je-

des Gefälle

Mögliche Kul-

turarten

Stauwassertole-

rante Arten, z.B.

Reis

Alle Alle hauptsächlich

Dauerkulturen

z.B. Wein, Oli-

ven, Obst aber

auch Gemüse-

anbau

Tabelle 3: Vergleich der Bewässerungsverfahren, Quelle: (Grudzinski, 2003)

46

4.7.1 1500 Jahre altes Bewässerungssystem für Olivenbäume

Uralte Bewässerungssysteme sind aus Sicht einiger Forscher weiterhin effizient. Diese

werden zur Rettung von Olivenbäumen in Schivta eingesetzt. Das sogenannte System

ist mindestens 1500 Jahre alt und besteht aus einer Reihe von Kanälen, Dämmen und

Zisternen (gem. Abbildungen 33- 38).

Die Einwohner der antiken Ortschaft von Schivta haben zum Ziel, das benachbarte

Wüstenland für die Landwirtschaft verwendbar zu machen. Damit das Leben der Oli-

venbäume fortbesteht, werden die Dämme mit den herumliegenden Steinen repariert

und instandgehalten. Die Archäologen bestehen darauf und haben sich für das System

eingesetzt und verzichten dabei komplett auf moderner Technik – und wenn es nicht

regnet wird das Wasser selber gebracht.

Falls das Vorgehen funktioniert wird Olivenöl aus der byzantinischen Zeit erzeugt, be-

stätigte Herr Bar-Oz. Er übernahm die Projektleitung für das Projekt, das den Unter-

gang der byzantinischen Kultur in der Negev-Wüste inspiziert.

Die UNESCO verleiht in 2005 die Ruinen von Schivta den Titel Weltkulturerbe56.

Abbildung 33: :Baugrube der Zisterne: Quelle:

(Yotam Tepper, 2016)

Abbildung 34:Die Oberseite des Damms, Quelle: (Yotam

Tepper, 2016)

56 (Proplanta, 2018)

47

Abbildung 35:Die Ecke des Feldturms vor der Ausgra-

bung, Quelle: (Yotam Tepper, 2016)

Abbildung 36:Ein Versuchsgraben im Kalkstein-

hügel, Quelle: (Yotam Tepper, 2016)

Abbildung 37: 1.000 Jahre alt Olivevbäume in Shivta, Quelle: (Tepper, 2018)

Abbildung 38:Zeitan-Bachbett, Quelle: (Tepper, 2018)

48

4.7.2 Mikrobewässerung

In der Mikrobewässerung können Schläuche sowohl oberirdisch als auch unterirdisch

verlegt werden. Aus den eingebauten Tropfern wird die geforderte und geplante

Menge an Wasser für einen bestimmten Zeitraum verteilt. Der regelmäßige Abstand

der Tropfer beträgt in etwa 15 bis 40 Zentimeter je nach Anwendungsfall. In der Unter-

flurbewässerung beträgt die Verlegungstiefe zwischen 20 und 30 Zentimeter je nach

gepflanzter Kultur. Somit können die Pflanzen sogar in den trockenen Monaten mehr

Wasser zur Verfügung haben. Die oberirdische Tröpfchenbewässerung ist für Obst-

und Gemüseanbau geeignet. Hierzu gibt es verschiede Anordnungen zur Verteilung

des Wassers in der Erde 57 (siehe Abbildung 39).

Abbildung 39: Anordnungen oberirdische Tröpfchenbewässerung, Quelle (Megh R. Goyal, 2015, S. 118)

57 (Kampas, 2017)

49

Unterirdische Tropfbewässerung gilt als alternative Bewässerungstechnik. Deren

wichtigsten Vor- und Nachteile können wie folgt zusammenfasst werden58:

Vorteile

Effizientere Wassernutzung

Wasserverdunstung durch die Bodenoberfläche minimal

Wasserversickerung verringert

Wasser wird direkt zu den Wurzeln geleitet.

Präziser Wasserverbrauch

Nachteile

Bewertung und Überprüfung der Funktionalität von außen sehr aufwändig.

Abbildung 40: Unterirdische Tropfbewässerung, Quelle: (Florian Haas, 2016)

58 (Florian Haas, 2016)

50

Das Tröpfchenbewässerungssytem besteht aus mehreren Komponenten, diese sind

wie folgt59:

Die Wasserquelle.

Die Pumpe und die Energieeinheit.

Hauptleitung (Rohre mit großem Durchmesser und Rohrverbindungen).

Die Filtrationsanlage: Sandabscheider, Siebfilter, Abscheider, Medienfilter, Ver-

teiler, Rückspülung)

Fertigation Düngung und Chemigation-Systeme

Steuerventile und Sicherheitsventile

Laterale Wasserverteilungssystem (Schläuche aus Polyethylen mit kleinerem

Durchmesser)

Wasser emittierende Komponenten (Tropfer, Mikrosprayköpfe, Bewässerungs-

matten)

Zusätzliche Verbindungselemente ( Absperr- oder Kugelhahn, Sicherheitsven-

til, Einwegventil, Spülventil, Verbindungsstücke, Nippel, Adapter, Reduzierstü-

cke, T-Stück, Kupplung, Winkelverbindung, Kreuzverschraubung)

59 (Megh R. Goyal, 2015, S. 201)

51

Abbildung 41:Ventil, Quelle: (Rainbird, n.d.)

Abbildung 42:Filter, Quelle: (Rainbird, n.d.)

Abbildung 43: Druckminderer,Quelle: (Aqua-technik-

shop, n.d.)

Abbildung 44: Strahler, Quelle: (Rainbird, n.d.)

52

Abbildung 45: Druckkompensierender Bubbler, Quelle:

(Rainbird, n.d.)

Abbildung 46:Gartenpumpe Quelle: (LIDL, n.d.)

Abbildung 47: Tropfschlauch, Quelle: (Rainbird, n.d.)

Abbildung 48:WIFI Smart Irrigation 8-Zone, Quelle:

(Rainbird, n.d.)

Abbildung 49:Drip Tee, Quelle: (Rainbird, n.d.)

Abbildung 50: Absperrventil für Tropfbewässerung,

Quelle: (Rainbird, n.d.)

53

Abbildung 51: Bewässerungssystem, Quelle: (Rainbird,

n.d.)

Abbildung 52:Klassische Ventilkasten bodeneben,

Quelle: (Garten24h, n.d.)

Abbildung 53:Komponenten für ein typisches Tröpfchenbewässerungssystem, Quelle: (Megh R. Goyal, 2015,

S. 107)

54

4.8 Auslegung einer Bewässerungsanlage

Um wirtschaftliche relevante Schäden einer Fehlplanung oder zeitintensive Optimie-

rungen zu vermeiden, ist es unerlässlich externe Beratung wie z.B. Landschaftsarchi-

tekten und Fachingenieure bei der Bewässerungsplanung einzuholen. Des Weiteren

ist die Einbindung eines Fachplaners, der sich mit seinem Fachgebiet ganz besonders

gut auskennt notwendig. Laut (Roth-Kleyer, 2016, S. 79) sind folgende Schritte not-

wendig:

Start der Planungsgrundlagen

Identifizierung des Ortes und der Leistungsfähigkeit des Wasseranschlusses

Berechnung des Bewässerungsbedarfs

Ermittlung der Bewässerungskreise

Positionsbestimmung der Ventile und der Hauptleitung

Zusammenzustellen der Tropfrohre und des Zubehör

Richtige Größe der Rohrleitungen und Ventile finden

Berechnung des Gesamtdruckverlustes

Geeignetes Steuergeräts sowie dessen Montageort wählen

Geeignete Länge und Art der Steuerkabel wählen

Bewässerungsplan erstellen

55

5 Ist-Zustand Analyse

Basierend auf den theoretischen Grundlagen sowie eigener Erfahrung auf dem Gebiet

der Olivenbaum-Pflege wird der derzeitige Bewässerungsvorgang analysiert und ge-

nauer unter die Lupe genommen.

5.1 Brainstorming

Im Folgenden sind die Erkenntnisse des Brainstormings aufgelistet:

Die Bewässerungssteuerung entspricht nicht dem Stand der Technik, da bisher

herkömmlich bewässert wurde

Die Notwendigkeit einer zusätzlichen Bewässerung wurde ausschließlich durch

Probebohrungen mit dem Finger an heißen Sommertagen ermittelt

Die Bewässerung an heißen Sommertagen erfolgt an fix ausgewählten Termi-

nen (Anfang Mai, Anfang Juni, Anfang und Ende Juli, Mitte/Ende August)

Bodenfeuchtigkeit wurde bisher nicht ermittelt

Bodentemperatur ist bisher unbekannt

Wasserhärte und PH-Wert wurden noch nie bewertet (wg. gutem Bergwasser)

Fehlende Kenntnisse über den Volumenstrom (Wasserdurchflussmenge)

Luftfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur wurden bisher nicht überwacht

Fehlende Kenntnisse über die Menge des Wassers im Wassertank während

und nach des Bewässerungsvorganges

Fehlende Kenntnisse über den Wasserdruck aus dem Wassertank-Schlauch

am Olivenbaum-Gießrand

Koordination der Aktivitäten bei laufenden Motortraktor zwischen meinen Vater,

Traktorfahrer und Olivenbauer-Experte ist erschwert und bedarf hohe Konzent-

ration

Toleranzbreite der Menge gegossener X Liter Wasser pro Bewässerungsvor-

gang und Jahr ist unpräzise sowie nicht ressourcenschonend

Frucht- und Samenbildung zu Sommerzeiten können durch falsches Manöver

des Traktors beeinträchtig werden. Hierzu übernimmt mein Vater während des

Bewässerungsvorganges die Aufsichtsrolle um diese präventiv zu schützen

Seitliche Entfernung zwischen Olivenbaum und Traktor erfolgt durch mehrma-

lige Manöver, da die Breite der Olivenbäume unterschiedlich ist. Dieser Vor-

gang ist zeitintensiv

56

Traktorfahrer, mein Vater und Olivenbauer-Experte sind während des Bewäs-

serungsvorganges intensiv beschäftigt

Bisher wurden drei Kronen des Olivenbaumes durch falsches Manöver gebro-

chen trotz 6-Augenprinzip

Der Bewässerungsvorgang ist zeit- und kostenintensiv und findet am Nachmit-

tag gegen 17:00 Uhr an 3 aufeinander folgenden Tagen statt

Regenwassernutzung: Auffangen, Aufbereitung und Nutzung des Regenwas-

sers sind bisher nicht umgesetzt

5.2 Lage des Olivenhains

Der Olivenhain, mit einer Größe von ca. 15.000 m² (56 m x 300 m), befindet sich an

einer Hauptstraße und liegt in einem Agrargebiet am Stadtrand von Hammamet (Tu-

nesien). Die Olivenbäume haben einen Abstand von 9,0 m zu einander in der Reihe

bei einem Reihenabstand von 9,0 m.

Der Olivenhain steht im offenen Gelände, unweit vom Stausee und nur 2 km vom Ge-

birge. Im Ort sind mehrere landwirtschaftliche Mittel- und Großbetriebe angesiedelt,

die auf den Anbau von Olivenbäumen spezialisiert sind.

Stromnetze für die elektrische Spannung sowie Trinkwasserhausanschlussleitung

wurden bis dato vom lokalen Versorgungsnetz nicht bereitgestellt. Hierfür habe ich die

notwendigen Schritte bereits eingeleitet und in Dezember 2018 einen Antrag beim

Energieversoger gestellt.

57

Abbildung 54:Grundstück Layout, Quelle: Eigene Darstellung

Freies Grundstück

58

6 Lösungsansatz

6.1 Einleitung

In diesem Kapitel wird der Lösungsansatz basierend auf den theoretischen Grundla-

gen (Kapiteln 2, 3 und 4), sowie die Erkenntnisse aus der Ist-Zustand Analyse im Ka-

pitel 5 ausgearbeitet. Diese vier Kapitel bilden das Grundgerüst für die Automatisie-

rung und IoT Integration meines künftigen Bewässerungssystems.

Mein Ziel ist es, einen IoT-fähigen, ferngesteuerten und seriennahen Prototyp zu ent-

wickeln. Dieser soll mindestens während der viermalig im Jahr festgelegten Bewässe-

rungstermine Daten-Merkmale sammeln, speichern, verarbeiten und in der Console-

Particle sowie Ubidots-Dashboard darstellen.

6.2 Anforderungsgenerierung

In der Tabelle 4 werden die priorisierten Ergebnisse der Ist-Zustand Analyse in Funk-

tions- und Eigenschaftsgruppen unterteilt. Diese werden im Hinblick auf künftige Auto-

matisierung und IoT-Integration bewertet und die dazugehörigen Sensoren und Akto-

ren ermittelt:

Mechanische Funktionen

und Eigenschaften

IoT Automatisiert Komponentenauswahl

Wasserdurchflussmenge Ja Ja Durchflussmesser

Luftfeuchtigkeit % Ja Ja Luftfeuchtigkeitssensor

Temperatur (°C) Ja Ja Temperatursensor

Bodentemperatur (°C) Ja Ja Bodentemperatursensor

Bodenfeuchtigkeit Ja Ja Bodenfeuchtsensor

Wassertank voll oder leer Ja Ja Level Sensor

PH-Wert Ja Ja PH-Sensor

Ventile öffnen Ja Ja Relais

Ventile schließen Ja Ja Relais

Koordinationstätigkeiten Ja Ja Fernsteuerung Tinker App

Bewässerungsmerkmale Ja Ja Daten Monitoring, Speiche-rung, verarbeitung über Particle cloud data logger und Ubidots

Tabelle 4: Anforderungsgenerierung und Priorisierung

59

6.3 Materialstückliste und Layout-Prototyp

Aus Sicherheitsgründen wird kein Hochvolt-System gewählt. Hier werden Niedervolt-

System-Komponenten gesucht und im System integriert.

Das Design der elektronischen Schaltungen wird mit Hilfe der open-source Software

Fritzing (http://fritzing.org/home/) erstellt. Fritzing enthält eine Vielzahl relevanter

elektronischer Bauelemente, diese können einfach per Drag und Drop auf die Platine

gezogen werden.

Abbildung 55: Installation Fritzing auf dem eigenen Rechner

Die IoT-Plattform Particle und Photon werden in der Entwicklung, im Versuch und im

Bau des seriennahen Prototyps eingesetzt.

Als erstes habe ich ein Particle Konto eingerichtet und das Particle Maker Kit für 79,19

€ ($89) gekauft.

Abbildung 56:Particle Maker Kit, Quelle : Sabri Asmi,02.2019

60

6.3.1 Temperatur- und Feuchtesensor

Technische Daten DHT22 Digital temperature-humidity sensor

Kosten: 8,81€ ($9.95)

Betriebsspannung: 3,3 bis 5,5 VDC

Betriebsstrom: 2,5 mA

0-100% Luftfeuchtigkeitsmesswerte mit einer Genauigkeit von 2-5%

Temperaturmessungen von -40 bis 80 ° C, Genauigkeit ± 0,5 ° C

Abmessungen 27 mm x 59 mm x 13,5 mm (1,05 "x 2,32" x 0,53 ")

4 Pins, Abstand von 0,1 "

Fritzing Layout:

Hinweis: Pin 3 wird nicht verwendet. 10-Ohm-Widerstand zwischen VCC und dem Da-

ten-Pin wurden platziert

61

6.3.2 Bodentemperatursensor

Technische Daten Waterproof DS18B20 Digital temperature sensor + extras:

Kosten: 8,81€ ($9.95)

Kabelspezifikationen:

o Edelstahlrohr: 6 mm Durchmesser; 30 mm Länge

o Kabel: 91 cm lang; Durchmesser von 4 mm

DS18B20 Technische Daten:

o Betriebstrom: 3,0 V bis 5,5 V Strom / Daten

o Nutzbarer Temperaturbereich: -55 bis 125 ° C (-67 ° F bis + 257 ° F)

o Genauigkeit:± 0,5 ° C von -10 ° C bis + 85 ° C

Fritzing Layout:

Hinweis: 4,7-k-Ohm-Widerstand wurde als Pullup von der DATA- auf die VCC-Leitung

platziert

62

6.3.3 HC-SR04 Ultraschallmodul und Distanzsensor

Der Ultraschall Sensor dient zur Messung des Wasserniveaus

Technische Daten HC-SR04 Ultraschallmodul und Distanzsensor

Kosten: 2,00€

Eingangstriggersignal 40KHz Ultraschallimpulses.

Stromversorgung: 5V DC. Ruhestrom < 2mA.

Erkennungswinkel: < 15°.

Erkennungsbereich: 2 - 500 cm.

Genauigkeit: 0,3 cm

Fritzing Layout:

63

6.3.4 PH-Sensor

Technische Daten DF-SEN0161 Analog Sensor pH und cables SEN0161:

Kosten: 63,71€

Betriebsspannung: 5V DC

Messbereich 0 ... 14pH

Fritzing Layout:

6.3.5 Bodenfeuchtesensor

Technische Daten capacitive Soil Moisture Sensor SKU -SEN0193:

Kosten: 12,16 €

Betriebsspannung: 3,3 bis 5,5 VDC; Ausgangsspannung: 0 ~ 3,0VDC

Betriebsstrom: 5mA

Schnittstelle: PH2.0-3P

Abmessungen: 3,86 x 0,905 Zoll (L x B)

64

Fritzing Layout:

6.3.6 Flüssigkeit-Durchflussmesser

Technische Daten für den Durchflussmesser - Plastik 1/2" NPS

Kosten: 8,81€ ($9.95)

Betriebsspannung: 5 bis 18VDC; Max. Stromaufnahme: 15 mA bei 5 V

Arbeitsflussrate: 1 bis 30 Liter / Minute; Haltbarkeit: 300.000 Zyklen

Arbeitsflussrate: 1 bis 30 Liter / Minute; Impulse pro Liter: 450

Arbeitstemperatur- und Feuchtigkeitsbereich: -25 bis 80 ° C & 35% -80% rF

Maximaler Wasserdruck: 2,0 MPa

Abmessungen: 2,5 "x 1,4" x 1,4 "

Fritzing Layout:

65

6.3.7 Relais

Für ein schnelles Öffnen oder Schließen von Ventilen bzw. Ansteuerung von Aktoren

wird das Relay Schield von Particle (siehe Abbildung 57 ) eingesetzt. Dies ermöglicht

die Fernsteuerung über Particle App Tinker und kostete 26,84 € ($30)

Somit übernehmen unsere Beschäftigten die Steuerungsfunktion und können selbst

entscheiden ob ausreichend Wasser im Gießrand vorliegt. Ein Teil unserer langjähri-

gen Traditionen wird dadurch bewährt. In dieser ersten Ausbaustufe des Systems dür-

fen Roboter nicht über Menschen entscheiden. Das Particle Relais Shield verfügt über

vier Kanäle, die von den Pins D3, D4, D5 und D6 des Particle-Geräts gesteuert wer-

den.

Abbildung 57: Relay Shield, Quelle: Sabri Asmi, 02.2019

Die nummerierten Bilder 1 bis 4 zeigen die Fernsteuerung der 4 Relais über die Tinker-

App

1) 4 Kanäle Status LOW – Blinker Off

66

3) 4 Kanäle Status HIGH – Blinker On (rot: D3, D4, D5 und D6)

2) 4 Kanäle Statuswechsel von LOW zu

HIGH (D3, D4, D5 und D6)

67

6.4 Komponentencodes

Die gezielt gekauften Komponenten haben eine eigene Bibliotheken. Diese werden

neben dem Quellcode installiert und verwaltet.

5) 4 Kanäle Statuswechsel von HIGH zu LOW

6) 4 Kanäle Status LOW – Blinker wieder Off

68

6.4.1 Tinker-App Code

Die Kombination des Tinker-Codes mit eigenem Skript ist notwendig, damit die Tinker-

App daneben ausgeführt werden kann. Zuerst wird der Tinker Code60 im eigenen Pro-

gramm kopiert. Die Sensoren-Codes werden Schritt für Schritt darauf aufbauend ein-

gesetzt.

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/ #include "application.h" #include "stdarg.h" PRODUCT_ID(PLATFORM_ID); PRODUCT_VERSION(3); /* Function prototypes -------------------------------------------------------*/ int tinkerDigitalRead(String pin); int tinkerDigitalWrite(String command); int tinkerAnalogRead(String pin); int tinkerAnalogWrite(String command); STARTUP(System.enable(SYSTEM_FLAG_WIFITESTER_OVER_SERIAL1)); STARTUP(System.enableFeature(FEATURE_WIFITESTER)); SYSTEM_MODE(AUTOMATIC); /* This function is called once at start up ----------------------------------*/ void setup() { //Setup the Tinker application here //Register all the Tinker functions Particle.function("digitalread", tinkerDigitalRead); Particle.function("digitalwrite", tinkerDigitalWrite); Particle.function("analogread", tinkerAnalogRead); Particle.function("analogwrite", tinkerAnalogWrite); } /* This function loops forever --------------------------------------------*/ void loop() { //This will run in a loop }

60 (Particle Industries, 2015)

69

/******************************************************************************* * Function Name : tinkerDigitalRead * Description : Reads the digital value of a given pin * Input : Pin * Output : None. * Return : Value of the pin (0 or 1) in INT type Returns a negative number on failure *******************************************************************************/ int tinkerDigitalRead(String pin) { //convert ascii to integer int pinNumber = pin.charAt(1) - '0'; //Sanity check to see if the pin numbers are within limits if (pinNumber < 0 || pinNumber > 7) return -1; if(pin.startsWith("D")) { pinMode(pinNumber, INPUT_PULLDOWN); return digitalRead(pinNumber); } else if (pin.startsWith("A")) { pinMode(pinNumber+10, INPUT_PULLDOWN); return digitalRead(pinNumber+10); } #if Wiring_Cellular else if (pin.startsWith("B")) { if (pinNumber > 5) return -3; pinMode(pinNumber+24, INPUT_PULLDOWN); return digitalRead(pinNumber+24); } else if (pin.startsWith("C")) { if (pinNumber > 5) return -4; pinMode(pinNumber+30, INPUT_PULLDOWN); return digitalRead(pinNumber+30); } #endif return -2; } /******************************************************************************* * Function Name : tinkerDigitalWrite * Description : Sets the specified pin HIGH or LOW * Input : Pin and value * Output : None. * Return : 1 on success and a negative number on failure

70

*******************************************************************************/ int tinkerDigitalWrite(String command) { bool value = 0; //convert ascii to integer int pinNumber = command.charAt(1) - '0'; //Sanity check to see if the pin numbers are within limits if (pinNumber < 0 || pinNumber > 7) return -1; if(command.substring(3,7) == "HIGH") value = 1; else if(command.substring(3,6) == "LOW") value = 0; else return -2; if(command.startsWith("D")) { pinMode(pinNumber, OUTPUT); digitalWrite(pinNumber, value); return 1; } else if(command.startsWith("A")) { pinMode(pinNumber+10, OUTPUT); digitalWrite(pinNumber+10, value); return 1; } #if Wiring_Cellular else if(command.startsWith("B")) { if (pinNumber > 5) return -4; pinMode(pinNumber+24, OUTPUT); digitalWrite(pinNumber+24, value); return 1; } else if(command.startsWith("C")) { if (pinNumber > 5) return -5; pinMode(pinNumber+30, OUTPUT); digitalWrite(pinNumber+30, value); return 1; } #endif else return -3; } /******************************************************************************* * Function Name : tinkerAnalogRead * Description : Reads the analog value of a pin * Input : Pin * Output : None. * Return : Returns the analog value in INT type (0 to 4095) Returns a negative number on failure

71

*******************************************************************************/ int tinkerAnalogRead(String pin) { //convert ascii to integer int pinNumber = pin.charAt(1) - '0'; //Sanity check to see if the pin numbers are within limits if (pinNumber < 0 || pinNumber > 7) return -1; if(pin.startsWith("D")) { return -3; } else if (pin.startsWith("A")) { return analogRead(pinNumber+10); } #if Wiring_Cellular else if (pin.startsWith("B")) { if (pinNumber < 2 || pinNumber > 5) return -3; return analogRead(pinNumber+24); } #endif return -2; } /******************************************************************************* * Function Name : tinkerAnalogWrite * Description : Writes an analog value (PWM) to the specified pin * Input : Pin and Value (0 to 255) * Output : None. * Return : 1 on success and a negative number on failure *******************************************************************************/ int tinkerAnalogWrite(String command) { String value = command.substring(3); if(command.substring(0,2) == "TX") { pinMode(TX, OUTPUT); analogWrite(TX, value.toInt()); return 1; } else if(command.substring(0,2) == "RX") { pinMode(RX, OUTPUT); analogWrite(RX, value.toInt()); return 1; } //convert ascii to integer

72

int pinNumber = command.charAt(1) - '0'; //Sanity check to see if the pin numbers are within limits if (pinNumber < 0 || pinNumber > 7) return -1; if(command.startsWith("D")) { pinMode(pinNumber, OUTPUT); analogWrite(pinNumber, value.toInt()); return 1; } else if(command.startsWith("A")) { pinMode(pinNumber+10, OUTPUT); analogWrite(pinNumber+10, value.toInt()); return 1; } else if(command.substring(0,2) == "TX") { pinMode(TX, OUTPUT); analogWrite(TX, value.toInt()); return 1; } else if(command.substring(0,2) == "RX") { pinMode(RX, OUTPUT); analogWrite(RX, value.toInt()); return 1; } #if Wiring_Cellular else if (command.startsWith("B")) { if (pinNumber > 3) return -3; pinMode(pinNumber+24, OUTPUT); analogWrite(pinNumber+24, value.toInt()); return 1; } else if (command.startsWith("C")) { if (pinNumber < 4 || pinNumber > 5) return -4; pinMode(pinNumber+30, OUTPUT); analogWrite(pinNumber+30, value.toInt()); return 1; } #endif else return -2;}

73

6.4.2 Temperatur- und Feuchtesensor Code

Für den Code wird die DHT-sensor-library von Adafruit benötigt. Der im Particle-Web-

IDE verfügbare Beispiel-Code „dht-test.ino“ wird customized und im gesamten Quell-

code integriert.

Die wichtigen Funktionen und Elemente des Codes „Temperatur- und Feuchtesensor

Codes“ sind wie folgt (Code-Ausschnitte):

#include <Adafruit_DHT.h> #define DHTPIN A2 // what pin we're connected to #define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302) …. // Humidity measurement Temperature = dht.getTempCelcius(); // Humidity measurement Humidity = dht.getHumidity(); // Publish data Spark.publish("Temperature", String(Temperature) + " °C"); delay(10000); Spark.publish("Humidity", String(Humidity) + "%"); delay(10000);

6.4.3 Bodentemperatursensor Code

Die DS18B20 -sensor-library wird im Projekt benötigt. Der im Particle-Web-IDE ver-

fügbare Beispiel-Code „ds18b20_SingleDrop.ino“ wird customized und im gesamten

Quellcode integriert. Die wichtigen Funktionen und Elementen des Codes „Digital tem-

perature sensor“ sind wie folgt (Code-Ausschnitte):

#include <DS18B20.h> …. if (millis() - msLastSample >= msSAMPLE_INTERVAL){ getTemp(); } if (millis() - msLastMetric >= msMETRIC_PUBLISH){ Serial.println("Publishing now."); publishData(); } // delay(10000); …. void publishData(){ sprintf(szInfo, "%2.2f", celsius);

74

Spark.publish("Soil_Temperature", String(szInfo) + " °C"); //Particle.publish("Soil_Temperature", szInfo, PRIVATE); msLastMetric = millis(); } void getTemp(){ float _temp; int i = 0; do { _temp = ds18b20.getTemperature(); } while (!ds18b20.crcCheck() && MAXRETRY > i++); if (i < MAXRETRY) { celsius = _temp; fahrenheit = ds18b20.convertToFahrenheit(_temp); Serial.println(fahrenheit); } else { celsius = fahrenheit = NAN; Serial.println("Invalid reading"); } msLastSample = millis();}

6.4.4 HC-SR04 Ultraschallmodul und Distanzsensor Code

Die HC_SR -sensor-library wird ebenfalls im Projekt eingefügt. Der im Particle-Web-

IDE verfügbare Beispiel-Code „usage.ino“ wird customized und im gesamten Quell-

code integriert. Die wichtigen Funktionen und Elementen des Codes „HC-SR04 sen-

sor“ sind wie folgt (Code-Ausschnitte):

#include <HC-SR04.h> .... const int triggerPin = D7; // HC const int echoPin = D0; // HC HC_SR04 rangefinder = HC_SR04(triggerPin, echoPin); … int cm = rangefinder.distCM(); Spark.publish("Water_Level", String(cm) + "cm");

6.4.5 DF-SEN0161 Analog Sensor pH Code

Der Code für „DF-SEN0161 Analog Sensor pH“ wurde in der Particle-Community

durch Programmierfachleute intensiv diskutiert und zu einer finalen Lösung gebracht.

75

Die wichtigen Funktionen und Elemente des Codes61 „SEN0161 Analog Sensor pH“

sind wie folgt (Code-Ausschnitte):

for(int i=0;i<10;i++) //Get 10 sample value from the sensor for smooth the value { buf[i]=analogRead(SensorPin); delay(10); } for(int i=0;i<9;i++) //sort the analog from small to large { for(int j=i+1;j<10;j++) { if(buf[i]>buf[j]) { temp=buf[i]; buf[i]=buf[j]; buf[j]=temp; } } } avgValue=0; for(int i=2;i<8;i++) //take the average value of 6 center sample avgValue+=buf[i]; float phValue=(float)avgValue*3.3/4095/6; phValue=5.28*phValue; //convert the millivolt into pH value Particle.publish("PH_Value", String(phValue, 2));

6.4.6 Capacitive Soil Moisture Sensor SKU -SEN0193 Code

Der Test-Code für den “Capacitive Soil Moisture” wurden den Hersteller dfrobot auf

eigener Webseite zur Verfügung gestellt62. Die erfassten Werte für den trockenen und

durchnässten Boden werden nach dem Kalibriervorgang im Code übernommen.

Die wichtigen Funktionen und Elemente des Codes „Capacitive Soil Moisture Sensor

SKU -SEN0193“ sind wie folgt (Code-Ausschnitte):

// Kalibirierung Ermittlung von Wert 1 und 2 const int AirValue = 3125; //you need to replace this value with Value_1 const int WaterValue = 1539; //you need to replace this value with Value_2 int intervals = (AirValue - WaterValue)/3;

61 (Learjet, 2017)

62 (Dfrobot, 2017)

76

int soilMoistureValue = 0; …….. soilMoistureValue = analogRead(A0); //put Sensor insert into soil if(soilMoistureValue > WaterValue && soilMoistureValue < (WaterValue + intervals)) { Serial.println("Soil Very Wet"); Spark.publish("Soil_Very_Wet", String(soilMoistureValue)); } else if(soilMoistureValue > (WaterValue + intervals) && soilMoistureValue < (AirValue - intervals)) { Serial.println("Soil Wet"); Spark.publish("Soil_Wet", String(soilMoistureValue)); } else if(soilMoistureValue < AirValue && soilMoistureValue > (AirValue - intervals)) { Serial.println("Soil Dry"); Spark.publish("Soil_Dry", String(soilMoistureValue)); }

6.4.7 Flow meter Code

Der Flow-Meter Code 63 wurde in der Particle-Community durch Programmierfachleute

intensiv diskutiert und zu einer finalen Lösung gebracht. Dieser wird customized und

im gesamten Quellcode integriert.

unsigned long t; static unsigned int pc; t = (millis() - oldTime); if(t >= 1000) // Only process counters once per second { //Read water sensor pulse count and process if (WaterPulseCount != 0) // Do nothing if water is not flowing! { detachInterrupt (WATER_SENSOR_PIN); // Disable water flow interrupt to read value //Calculate litres and adjust for 1 sec offset, if any oldTime = millis(); // Reset base delay time pc = WaterPulseCount; liters = (WaterPulseCount / pulsesPerLiter) * (t / 1000); accumPulseCount += pc; // accumulate the readings wenn notwendig WaterPulseCount = 0; // Reset the water pulse counter

63 (Community Particle, 2015)

77

attachInterrupt(WATER_SENSOR_PIN, WaterPulseCounter, FALLING); totalliters = accumPulseCount / pulsesPerLiter; sprintf(liters_S, "%4.2f", liters); if(liters > 0.04) {//Particle.publish("Liters_S", String(liters_S)+ " L"); Particle.publish("Total_liters", String(totalliters, 2)+ " L"); } } }

6.5 Serienprototyptest und Ergebnisse

Basierend auf dem Fritzing-Layout wurden die einzelnen Komponenten an Particle

Photon angeschlossen (siehe Abbildung 58 ). Das Photon sitzt direkt auf dem dazu

maßgeschneiderten Relais.

Abbildung 58:Prototypsystem, Quelle: Asmi Sabri,02.03.2019

Durch das stabile und Stapelware Boxensystem erfolgte die Trennung zwischen Nass-

und Trockenbereich. Diese Intelligente Bauweise schützt die elektrischen Komponen-

ten während der Tests von Wasser (siehe Abbildung 59).

Durchflussmesser

Bodentemperatursensor

Bodenfeuchtsensor

Relais

12

VD

C B

atte

rie

Photon

78

Durch zwei Bohrungen im oberen Boxsystem wird das Wasserniveau durch Ultraschall

gemessen. Der Tank wurde mit ca. 5 Liter Wasser gefüllt. Die pH-Werte werden durch

eine dritte Bohrung im oberen Trockenbereich gemessen.

Abbildung 59:Nass- und Trockenbereich, Quelle: Asmi Sabri,02.03.2019

Das Flashen erfolgte während der Test-Phase der einzelnen Sensoren ausschließlich

über W-LAN (ohne Hardware). Nach dem erfolgreichen Flashvorgang des finalen

Codes (siehe Abbildung 60 ) ist der seriennahe Prototyp nun betriebsbereit. Zunächst

wird die Tinker-App Funktionalität geprüft, in dem die vier Kanäle des Relais fernge-

steuert auf High gesetzt werden. Dadurch können bis zu vier Bewässerungszonen ge-

steuert werden.

Abbildung 60: W-LAN Flashvorgang, Quelle: Asmi Sabri, 02.03.2019

Tank (30 x 20 x 17 cm) Nassbereich

Elektrische Komponente (30 x 20 x 7 cm) Nassbereich

Trennwand

79

Abbildung 61: 4 Kanäle Status LOW, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019

Abbildung 62: 1 Kanal auf HIGH gesetzt, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

80

Abbildung 63: 4 Kanäle auf HIGH gesetzt, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

Abbildung 64: Tinker-App 4 Kanäle auf HIGH, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019

Die Sensordaten können direkt in Ubidots-Dashboard, Console-Particle und Tinker-

App dargestellt und abgerufen werden.

81

6.6 Ubidots Dashboard

Mithilfe der Ubidots-Bibliothek und Particle Build-IDE können Daten sehr leicht gesen-

det und abgerufen werden. Ubidots verwendet „in-code Instance Declaration“ und

„Protocol Selection“ um entweder Daten an Ubidots zu senden oder von dort abzuru-

fen. Die Einleitung sowie Codebeispiel aus Ubidots Help Center64 wurden angepasst

und im Projektcode eingefügt.

#ifndef TOKEN #define TOKEN "xxxxxxxxxxxxxxx " // Put here your Ubidots TOKEN #endif …. ubidots.add("Temperature", Temperature); // Change for your variable name. ubidots.add("Humidity", Humidity); ubidots.add("Water_Level", cm); ubidots.add("Soil_Temperature", celsius); ubidots.add("Total_liters", totalliters); ubidots.add("Soil_Moisture", soilMoistureValue); ubidots.add("PH_Value", phValue); bool bufferSent = false; bufferSent = ubidots.send(); //send data to a device label that matches the device Id if(bufferSent){ // Do something if values were sent properly Serial.println("Values sent by the device");

Nach dem Erstellen eines Undidots-Accounts und einloggen, werden im Dashboard-

Bereich Widgets eingefügt. Die folgenden Screenshots bilden Schritt-für-Schritt eine

dazugehörige Anleitung (Datendarstellung, Statistik, Variablenauswahl etc.)

Abbildung 65:Ubidots Konto erstellen und anmelden, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

64 (Hernandez, n.d.)

1) Ubidots-Anmeldung

82

Abbildung 66:Datendarstellung, Diagramme und Variablen, Quelle: Sabri Asmi, Quelle 02.03.2019

Abbildung 67:Geräte- und Variablen-Auswahl, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019

2) Auswahl Datendarstellung

3) Diagramm wählen

4) Particle Photon Variablen einfügen und auflisten

5) Gerät auswählen (Particle Photon)

6) Eine Variable frei wählen

83

Die Ergebnisse des Serienprototyps werden live im Ubidots-Dahboard übertragen.

Abbildung 68: Darstellung Serienprototyp Testergebnisse

Abbildung 69:Darstellung Gesamtdurchflussmenge und Tank-Wasserniveau, Quelle:Sabri Asmi,02.03.2019

Die Gesamtdurchflussmenge von 2,3 Liter, für den Bewässerungsvorgang zwischen

16:45Uhr und 16:50 Uhr, korreliert eindeutig mit dem Wassertankniveau.

Während das Wasserstandniveaus im Tank kontinuierlich gesunken ist bzw. die Ent-

fernung zur Wasseroberfläche sich erhöhte (von 1 bis 11cm), steigte die Gesamtdurch-

flussmenge von 0 Liter bis auf 2,3 Liter. Somit konnten die Ergebnisse der einzelnen

Codes des Ultraschall- und Durchflusssensors bestätigt werden.

In der Abbildung 70, Abbildung 71 und Abbildung 72 blieb die gemessene Raumtem-

peratur und Luftfeuchtigkeit im Wohnzimmer, PH-Wert des Wassertanks sowie Boden-

temperatur des Pflanzgefäßes konstant.

84

Abbildung 70: Darstellung Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

Abbildung 71: Darstellung Bodentemperatur, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019

Abbildung 72: Darstellung PH-Wert, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019

85

Der Bodenfeuchtigkeitswert (siehe Abbildung 73 ) ist gesunken, da ich um 16:49 Uhr

Wasser ins Pflanzengefäß gegossen habe, um die Funktionalität des Sensors zu tes-

ten.

Abbildung 73: Darstellung Bodenfeuchte, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019

6.7 Console-Particle - Event Logs

Die Ereignisinformationen werden direkt in Echtzeit vom Photon in der Konsolenober-

fläche und Tinker-App transferiert. Die Suche und das Filtern nach Datensätzen sind

möglich. Die gezeigten Daten zum Start und Ende der Bewässerungsperiode sind

gleich wie im Ubidots-Dashboard und Tinker-App.

Abbildung 74: Darstellung der Daten im Event Logs, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

86

Abbildung 75:Darstellung der Daten im Event Logs, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

Abbildung 76:Darstellung der Daten im Event Logs, Quelle: Sabri Asmi, 02.03.2019

87

Abbildung 77: Darstellung der Daten im Tinker-App, Quelle: Sabri Asmi,02.03.2019

Der erfolgreich getestete seriennahe, IoT-fähige und teilautomatisierte Prototyp wird

zwecks Vervollständigung des Gesamtbildes um die folgenden Komponenten erwei-

tert, und in meiner Olivenplantage gemäß des Schlauch-Bewässerungs-Layout (siehe

Abbildung 78 ) eingesetzt.

3 x 300m 3/4 Zoll Schlauch für die Längsverbindung (Druckverlust siehe Abbil-

dung 79)

810 m 1/2 Zoll Schlauch für die Querverbindung bzw. Bewässerung des Giess-

randes

6000 Liter Wassertank

3 x Magnetventile 12VDC 3/4 Zoll

Inline-Wasserfilter

90 x T-Verbinder 3/4 Zoll auf 1/2 Zoll

Honda Wasserpumpe WB 30 XT

88

Abbildung 78:Schlauch-Bewässerungs-Layout, Quelle: Eigene Darstellung

Der Druckverlust im 3/4 “ Schlauch beträgt 0,017 bar basierend auf den Ergebnissen

des Online-Druckverlust-Rechners (siehe Abbildung 79), und ist somit einsetzbar.

Abbildung 79:Druckverlustberechnung, Quelle: (Schweizer-fn, 2018)

3/4 Zoll Schlauch

1/2 Zoll Schlauch

3/4 auf 1/2 Zoll

T-Verbinder

Zone 1 Zone 2 Zone 3

Freies Grundstück

89

7 Fazit und Ausblick

Iot-Projekte in der Agrarwirtschaft schaffen die besten Ergebnisse, langfristige Profita-

bilität, Best-in-Segment Performance, Erträge und Effizienz der Prozesse.

Die kontinuierliche Fernüberwachung der Umgebungsbedingungen, die Fernsteue-

rung der Aktoren und Sensoren und Automatisierung von Arbeitsschritten ist ein revo-

lutionärer Ansatz in der Olivenbaum-Landwirtschaft Tunesiens. Diese schaffen einen

erheblichen Mehrwert in der Bewässerung von bisher traditionellen Olivenhaine.

In dieser Diplomarbeit wurden die technischen Grundlagen des Internet of Things (IoT)

und Automatisierung sowie umfassende Recherche über Olivenbäume unter die Lupe

genommen. Es wurde ein maßgeschneiderter, feingeschliffener seriennaher Prototyp

entwickelt und erfolgreich getestet. Dieser ist von der Praxis für die Praxis und erfüllt

meine gesetzten Ziele.

Durch die Integration von IoT-Technologien und Teilautomatisierung in meinem Be-

wässerungssystem konnten die ersten Erfolgserlebnisse während der seriennahen

Prototyp-Tests identifiziert werden. Die Quintessenz der Arbeit resümiert sich wie folgt:

Über IoT-Hub gesammelte Daten werden in Echtzeit transferiert, verarbeitet

und in Ubidots sowie Particle Datenbank gespeichert

Sensorendaten werden in Ubidots-Dashboard, Console-Particle (Event logs)

und in der Tinker-App (Mobile App) angezeigt und können analysiert werden.

Remotesteuerung und Teilautomatisierung des Bewässerungssystems durch

Fernsteuerung der Aktoren per Relais Einsatz

Ein einziger Mitarbeiter kann die gesamte Bewässerungsanlage über Tinker-

App (quasi per Handy) ansteuern und die Daten in den IoT-Dashboards in Echt-

zeit verfolgen.

Daten zur edaphischen und ökologischen Faktoren in der Olivenbaum-Land-

wirtschaft werden ermittelt, übertragen, verarbeitet und gespeichert in der IoT-

Lösung

Wasseranalyse bzw. die kontinuierliche Ermittlung und Darstellung des PH-

Wertes im IoT-System ist sichergestellt

90

Überwachung des Wasservolumens im Tank und die Darstellung der Mess-

werte im IoT-Dashborad ist sichergestellt

Genaue Angaben über den Wasserverbrauch pro Bewässerungsintervall und

pro Jahr werden ermittelt

6 Zonen Bewässerungssteuerung durch Wi-Fi Internet und Tinker-Mobile-App

Kostenersparnisse durch Reduzierung der Anzahl der Mitarbeiter (von 3 auf 1)

wird realisiert

Nichtwertschöpfende Tätigkeiten wie z.B. widerholte Traktormanöver, er-

schwerte und zeitintensive Koordination der Mitarbeiter werden vermieden

Kronen und Samenfrucht des Olivenbaumes werden vom Traktor dauerhaft ge-

schützt

Drastische Reduzierung der Durchlaufzeiten von drei aufeinanderfolgenden Ta-

gen auf einen Tag (wg. 1 Kubikmeter Wasser pro Stunde ggf. mehr)

Die angemessene Projektkosten des seriennahen Prototyps belaufen sich auf

ungefähr 300€

Die kompakte Bauweise ist geeignet für mobile Einsätze

Die Abneigung von Innovation und Integration von IoT-und Automatisierungslösungen

in der Bewässerung von Olivenhaine kann nur aufgrund von mangelnder Wahrneh-

mung und Kenntnisse über die wirtschaftlichen Erfolge dieser Systemlösungen entste-

hen. Um dem entgegenzuwirken und die richtige Motivation zu schaffen werde ich die

Nachbar-Olivenbauern in Tunesien im Rahmen von save-the-date Fachtagungen zum

Thema IoT und Remotebewässerung schulen. Des Weiteren werde ich laufend mei-

nen seriennahen Prototyp weiterentwickeln und mit einer ganzen Reihe interessanter

Optionen wie folgt ausstatten:

Photovoltaik und Batteriespeicher für dauerhafte Datenerfassung

Versorgung mit dem mobilen Internet-Zugang (LTE, 3G, UMTS) für ländliche

Regionen

Intelligente Datenanalytik zur Entscheidungsunterstützung bei der Bestimmung

des Wasserbedarfs

91

Mehrere kommunikationsfähige und intelligente Sensoren und Aktoren in der

Plantage

IFTTT (If this then that) zur Automatisierung des Alltags und Übermittlung von

Push-Benachrichtigungen

Smarte Überwachungstechnik durch Bewegungssensoren, IR-Nachtsicht und

versteckte Mini Kamera.

Abschließend lässt sich sagen, dass das IoT und die Automatisierungstechnik ein

enormes und zumindest für Tunesien bisher ungenutztes Potential in der Agrarwirt-

schaft darstellt.

92

8 Literaturverzeichnis

Andreas Gadatsch, M. M. (2017). IT-Sicherheit - Digitalisierung der

Geschäftsprozesse und Informationssicherheit. Wiesbaden : Springer

Fachmedien GmbH .

Aqua-technik-shop. (n.d.). Abgerufen am 10. 02 2019 von https://www.aqua-technik-

shop.de/beregnungsanlagen/regelventile-filter/druckminderer/mode/list.html

Arndt Borgmeier, A. G. (2017). Smart Services und Internet der Dinge:

Geschäftsmodelle, Umsetzung und Best Practices: Industrie 4.0, Internet of

Things (IoT), Machine-to-Machine, Big Data, Augmented Reality Technologie.

München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG .

Axel Glanz, M. B. (2013). Machine-to-Machine-Kommunikation. Frankfurt am Main:

Campus Verlag GmbH.

Bahring, H. (2010). Anwendungsorientierte Mikroprozessoren Mikrocontroller und

Digitale Signalprozessoren 123 4., vollstandig¨ uberarbeitete Auflage. Berlin:

Springer-Verlag .

Beecham Research Limited. (26. 01 2019). Abgerufen am 2017 von

http://www.beechamresearch.com/files/BRL_M2M_IoT_Sector_Map_2017.ppt

x

Boes, A. (2014). Dienstleistung in der digitalen Gesellschaft. Frankfurt am Main:

Campus Verlag GmbH.

Buchenau, G. K. (2011). Analyse ausgewählter Projektmanagement-Standards für

große und mittelständische Unternehmen: IOAS Working Papers. Kassel:

WITEC Verlag.

Carsten Pinnow, S. S. (2015). Industrie 4.0 - Grundlagen und Anwendungen:

Branchentreff der Berliner Wissenschaft und Industrie. Berlin: Beuth Verlag

GmbH.

Christian König, J. S. (2018). Big Data Chancen, Risiken,Entwicklungstendenzen.

Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH.

93

Community Particle. (11 2015). Community Particle. Abgerufen am 24. 02 2019 von

https://community.particle.io/t/beginner-solved-flow-meter-and-store-

variable/17570/2

Daniel Fasel, A. M. (2016). Big Data Grundlagen, Systeme und Nutzungspotenziale.

Wiesbaden : Springer Fachmedien .

Dfrobot. (25. 05 2017). dfrobot. Abgerufen am 03. 03 2019 von

https://www.dfrobot.com/wiki/index.php/Capacitive_Soil_Moisture_Sensor_SK

U:SEN0193

DIE EUROPÄISCHE KOMMISSION. (27. 11 2011). EUR-Lex der Zugang zum EU-

Recht. Abgerufen am 04. 02 2019 von https://eur-

lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2011:023:0001:0014:DE:P

DF

Dohler, C. A.-H. (2015). Machine-to-machine (M2M) Communications Achitecture,

Performance and Applications. Cambridge, UK: Woodhead Publishing Limited

is an imprint of Elsevier.

Editor, P. (09. 01 2016). Alaturka. Abgerufen am 02. 02 2019 von

https://www.alaturka.info/de/geschichte/altertum/2741-neolithikum-

jungsteinzeit-

Florian Haas, M. M. (05 2016). Versuchszentrum Laimburg. Abgerufen am 10. 02

2019 von http://www.laimburg.it/de/projekte-

publikationen/publikationen.asp?somepubl_action=300&somepubl_image_id=

463131

Fohrer Olivenöl. (n.d). Von fohrerolivenoel:

http://www.fohrerolivenoel.de/oelbaum.php abgerufen

Freitag, M. (20. 10 2017). Manager Magazin. Abgerufen am 03. 02 2019 von

http://www.manager-magazin.de/unternehmen/autoindustrie/volkswagen-vw-

will-digital-und-it-vorstand-berufen-a-1173865.html

Garten24h. (n.d.). Abgerufen am 10. 02 2019 von http://garten24h.de/ventilkasten

GEOVLEX, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg. (21. 08 2009). Abgerufen am

10. 02 2019 von http://mars.geographie.uni-

94

halle.de/mlucampus/geoglossar/terme_datenblatt.php?terme=Edaphische%20

Faktoren

Giesler, S. (09. 04 2018). Biooekonomie-bw. Abgerufen am 27. 01 2019 von

https://www.biooekonomie-bw.de/de/fachbeitrag/dossier/digitalisierung-in-der-

landwirtschaft-vom-precision-farming-zum-farming-40/

Glück, M. (2016). HS-Augsburg. Abgerufen am 04. 02 2019 von https://moodle-

old.hs-

augsburg.de/pluginfile.php/167683/course/overviewfiles/Skript_Sensortechnik

1_Glueck_160508.pdf?forcedownload=1

Grudzinski, A. (2003). koordinierungsstelle Bbewaesserung. Abgerufen am 10. 02

2019 von http://www.koordinierungsstelle-

bewaesserung.de/fileadmin/user_upload/Bund/Seminararbeit_grudzinski_bew

aesserungsboeden.pdf

Gupta, D. C. (n.d.). Fragrantica. Abgerufen am 02. 02 2019 von

https://www.fragrantica.de/Duftnoten/Olivenbaum-265.html

Halang, W. A. (2016). Internet der Dinge Echtzeit 2016 . Berlin Heidelberg: Springer-

Verlag .

Hänisch, V. P. (2015). Internet der Dinge Technik, Trends und Geschäftsmodelle.

Wiesbaden: Springer Gabler.

Hernandez, M. C. (n.d.). Ubidots. Abgerufen am 02. 03 2019 von

https://help.ubidots.com/connect-your-devices/connect-a-particle-device-to-

ubidots-over-http-tcp-or-udp

Hryzhnevich, A. (15. 08 2018). ScienceSoft Professionel Software Development.

Abgerufen am 27. 01 2019 von https://www.scnsoft.de/blog/iot-architektur-

und-wie-das-alles-funktioniert

Huber, D. W. (2018). Industrie 4.0 kompakt – Wie Technologien unsere Wirtschaft

und unsere Unternehmen verändern. Wiesbaden: Springer Vieweg.

Iberiaoliveoil. (31. 08 2014). Abgerufen am 02. 02 2019 von

http://www.iberiaoliveoil.com/de/olive-oil-in-religion/

95

Ionos. (06. 03 2018). Abgerufen am 08. 02 2019 von

https://www.ionos.de/digitalguide/server/knowhow/arduino-vs-raspberry-pi/

Jan Höller, V. T. (2014). From Machine-to-Machine to the Internet of Things.

Waltham, USA: Elsevier Ltd.

Janocha, H. (1992). Aktoren Grundlagen und Anwendungen. Berlin : Springer-Verlag

.

Kampas, D. (2017). Biogärten gestalten - Das große Planungsbuch Gestaltungsideen

Detailpläne und Praxistipps . Leipzig: Löwenzahn Verlag.

Kasraoui, D. M. (n.d.). Kasraoui. Abgerufen am 02. 02 2019 von

http://www.kasraoui.com/Secteur-Agricole/Olivier.html

Kaufmann, T. (2015). Geschäftsmodelle in Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge /

Der Weg vom Anspruch in die Wirklichkeit. Wiesbaden: Springer Vieweg.

Lackes, R. (2018). ANALYSEN & ARGUMENTE Internet of Things AUSGABE 308.

Konrad-Adenauer-Stiftung e. V. .

Learjet. (04 2017). Community Particle. Von https://community.particle.io/t/solved-df-

robot-ph-probe-sen0161-publishing-issues/31591 abgerufen

LIDL. (n.d.). Abgerufen am 10. 02 2019 von https://www.lidl.de/de/guede-

gartenpumpe-mp-120-5a-gj/p15349?gclid=EAIaIQobChMIutydwZSx4AIV0-

F3Ch3zOQU8EAQYAyABEgJSIvD_BwE

Litzel, A. L. (24. 05 2017). Bbigdata-insider. Abgerufen am 27. 01 2019 von

https://www.bigdata-insider.de/big-data-sql-und-nosql-eine-kurze-uebersicht-a-

602249/

Manfred Weck, C. B. (2006). Werkzeugmaschinen 4 Automatisierung von Maschinen

und Anlagen. Berlin : Springer-Verlag.

Masmoudi-Charfi Chiraz, M. M. (2016). Observatoire National de l'Agriculture.

Abgerufen am 03. 02 2019 von

http://www.onagri.nat.tn/uploads/divers/Mise%20en%20place%20et%20condu

ite%20final%202016.pdf

96

McGillicudd, S. (04 2014). searchsecurity. Abgerufen am 03. 02 2019 von

https://www.searchsecurity.de/sonderbeitrag/Internet-der-Dinge-IoT-Wer-

sorgt-fuer-Sicherheit-und-ist-haftbar

Megh R. Goyal, P. P. (2015). SUSTAINABLE MICRO IRRIGATION Principles and

Practices. 6000 Broken Sound Parkway NW, USA: CRC Press an imprint of

Taylor & Francis Group.

Michael ten Hompel, H. B. (2008 ). Identifikationssysteme und Automatisierung.

Berlin: Springer-Verlag .

Michael, K. (23. 02 2015). Wirtschaftswoche. Abgerufen am 25. 01 2019 von

http://blog.wiwo.de: http://blog.wiwo.de/look-at-it/2015/02/23/big-data-

datenvolumina-steigen-40-prozent-pro-jahr-und-insgesamt-um-faktor-50-bis-

2020/

Microsof Azure. (n.d.). Abgerufen am 27. 01 2019 von

https://azure.microsoft.com/de-de/overview/what-is-the-cloud/

Monk, S. (2015). Getting Started with the Photon. San Francisco CA 94111:

Published by Maker Media, Inc.

Monk, S. (2016). Das Action-Buch für Maker Bewegung, Licht und Sound mit Arduino

und Raspberry Pi – Experimente und Projekte. Heidelnerg: Dpunkt.verlag

GmbH.

Moritz, S. (03. 05 2016). t3n – digital pioneers. Abgerufen am 09. 02 2019 von

https://t3n.de/news/arduino-7-einfache-esp8266-projekte-681034/

Müller, W. (02 2010). Carl-Engler-Schule. Abgerufen am 04. 02 2019 von

http://www.carl-engler-

schule.de/culm/culm/culm2/th_messtechnik/sensoren/sensorgrundlagen.pdf

Nader. (18. 06 2018). Nader's Satellite Blog. Abgerufen am 02. 02 2019 von

http://st2nh-blogger.blogspot.com/2018/06/fluorescence-map-from-nasa-and-

holy.html

Particle Industries. (2015). Github.com. Von https://github.com/particle-iot/device-

os/blob/master/user/src/application.cpp abgerufen

97

Particle. (n.d.). Particle. Abgerufen am 09. 02 2019 von

https://docs.particle.io/datasheets/wi-fi/photon-datasheet/

Projektgruppe „M2M Initiative Deutschland“. (November 2012). Machine-to-

MachineKommunikation – eine Chance für die deutsche Industrie. München:

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

Öffentlichkeitsarbeit.

Proplanta. (27. 03 2018). Abgerufen am 10. 02 2019 von

https://www.proplanta.de/Agrar-Nachrichten/Umwelt/Olivenbaeume-mit-

uraltem-Bewaesserungssystem-retten_article1522155920.html

Rainbird. (n.d.). Abgerufen am 09. 02 2019 von http://store.rainbird.com

Ramesh C. Poonia, X.-Z. G. (10. August 2018). Smart Farming Technologies for

Sustainable Agricultural Development . Hershey, USA: IGI Global.

Reder, B. (03. 08 2018). Internetworld. Abgerufen am 04. 02 2019 von

https://www.internetworld.de/technik/internet-dinge/anbieteruebersicht-smarte-

plattformen-iot-projekte-1569420.html

Reinhard Jäger, z. a. (11. 11 2017). Essential-foods. Abgerufen am 03. 02 2019 von

https://www.essential-foods.de/blog.php?blog_id=70

Rickmann Michel, H. S. (2014). Bewässerung in der Landwirtschaft. Erling Verlag

GmbH & Co. KG.

Roth-Kleyer, S. (2016). Bewässerung im Garten- und Landschaftsbau. Verlag Eugen

Ulmer.

Rush, C. (2016). Programming the Photon Getting Started with the Internet of Things

. McGraw-Hill Education.

Schweizer-fn. (19. 11 2018). Abgerufen am 02. 03 2019 von Schweizer-fn:

https://www.schweizer-fn.de/berechnung/stroemung/start_stroemung.php

Sourell, H. (n.d.). Fachverband-feldberegnung. Abgerufen am 10. 02 2019 von

http://fachverband-feldberegnung.de/pdf/FVF_Sourell%20_%201-2-11.pdf

Stal, M. (26. 08 2016). Heise. Abgerufen am 09. 02 2019 von

https://www.heise.de/developer/artikel/Photon-Das-Board-fuer-IoT-Maker-

3303872.html?seite=all

98

Stefan Hesse, G. S. (2009). Sensoren für die Prozess und Fabrikautomation.

Wiesbaden: Vieweg+Teubner | GWV Fachverlage GmbH.

Stefan, M. (2016). Internet of Things (IoT): Ein Wegweiser durch das Internet der

Dinge. München: Books on Demand.

STUBBE, K. (26. 12 2013). Bild. Abgerufen am 02. 02 2019 von

https://www.bild.de/ratgeber/2013/ratgeber/9-bekannteste-pflanzen-der-bibel-

symbolpflanzen-weihnachten-33896688.bild.html

Tepper, Y. (19. 03 2018). Haaretz. Abgerufen am 10. 02 2019 von

https://www.haaretz.com/archaeology/MAGAZINE-scientists-mount-

emergency-rescue-of-ancient-olive-trees-in-negev-1.5914614

Tutanch, N. L. (01. 09 2016). Bigdata-insider. Abgerufen am 25. 01 2019 von

https://www.bigdata-insider.de/was-ist-das-internet-of-things-a-590806/

Uwe Borghoff, J. S. (1995). Rechnergestützte Gruppenarbeit: Eine Einführung in

Verteilte Anwendungen. Berlin: Springer Verlag.

Uwe Brinkschulte, T. U. (2002). Mikrocontroller und Mikroprozessoren . Berlin:

Springer Verlag.

Wasserhelden. (n.d.). Wasserhelden. Abgerufen am 03. 02 2019 von

https://wasserhelden.net/unser-trinkwasser/wissenswertes/der-ph-wert-

unseres-trinkwassers-basisch-oder-sauer/

Yotam Tepper, G. B. (04. 05 2016). hadashot-esi. Abgerufen am 10. 02 2019 von

http://www.hadashot-esi.org.il/report_detail_eng.aspx?id=24977&mag_id=124

99

Eidesstattliche Erklärung

Hiermit erkläre ich an Eides Statt, dass ich die vorliegende Masterarbeit selbstständig

und ohne unerlaubte Hilfe angefertigt, andere als die angegebenen Quellen nicht

benutzt und die den benutzten Quellen wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen

als solche kenntlich gemacht habe.

Frankfurt, den 09.03.2019

(Unterschrift)