Die Landwirtschaft wird smart
Die Agrarindustrie gehört nur auf den ersten Blick nicht zu den technologieaffinen, ‚hippen‘ Branchen. Intelligente IoT-Anwendungen sind aber gerade hier geeignet, bei der Bewältigung der teilweise erheblichen Herausforderungen zu helfen. ‚Landwirtschaft 4.0‘ oder auch ‚Smart Farming‘ sind also Lösungsansätze mit globaler Bedeutung.
Die Lösung von komplexen Problemen wie der drohenden Nahrungsmittelknappheit erfordert konzertierte Aktionen von Ländern, Organisationen und Gruppen aus der ganzen Welt. Erträge verbessern, Verluste verringern und Prozesse effizienter machen, dabei helfen innovative Technologien wie das IoT. Sie sicher in bestehenden Umgebungen einzubetten ist einer der wichtigsten Aspekte. In einem der vorangegangenen Beiträge haben wir uns mit den derzeit größten IoT-Anwendungen beschäftigt, den intelligenten Stromnetzen (Smart Electric Grid). Neben dem Energiesektor und dem Gesundheitswesen gibt es aber noch einen weiteren Industriezweig, in dem IoT-Anwendungen zum Tragen kommen. Die Agrarindustrie. Der Kohlendioxidausstoß und das Bevölkerungswachstum sind die Herausforderungen unserer Zeit. Der Anstieg von CO2 in der Atmosphäre führt zu einer geringeren Produktion, während das stetige Bevölkerungswachstum zu einem erhöhten Bedarf führt. Viele Experten prognostizieren, dass wir kurz vor einer weltweiten Nahrungsmittelknappheit stehen, wenn wir die Nahrungsmittelproduktion nicht steigern. Es ist allerdings nicht ganz so einfach, die Größe der Ackerflächen drastisch zu erhöhen. Ein anderes Mittel ist, den Ertrag pro Flächeneinheit zu verbessern (oder den Abfall zu verringern). Genau hier kommt IoT ins Spiel.
IoT-Initiativen in der Agrarindustrie
Trotz der teilweise romantisierenden oder antiquierten Bilder, die Menschen immer noch im Kopf haben, wenn sie an Landwirtschaft denken, ist sie in Wahrheit längst eine sehr fortschrittliche mechanisierte Branche geworden. Große landwirtschaftliche Geräte wie beispielsweise Sämaschinen und Erntemaschinen, haben zu einem hohen Anteil von halbautomatisierten landwirtschaftlichen Prozessen geführt. Die Maschinen werden zwar derzeit von menschlichen Fahrern gelenkt, aber autonome Fahrzeuge haben auf den Feldern lange vor dem heutigen pseudo-selbstfahrenden Auto existiert. Große Unternehmen haben kleine Betriebe ersetzt, zumindest im Hinblick auf die Eigentumsverhältnisse. Es gibt bereits verschiedene ‚vernetzte‘ Initiativen, die heute schon im Einsatz sind – von der Bodenüberwachung bis hin zu Bewässerungssensoren. Beispielsweise lässt sich so der Gesundheitszustand von Rindern überwachen. Rinderfarmen und Ranches erstrecken sich normalerweise über eine große Landfläche, sodass es schwierig ist, den Aufenthaltsort von Weidetieren ohne menschliche Beteiligung zu überwachen. Mit Tracking-Halsbändern kann man den Standort der Tiere in Echtzeit ausfindig machen. Dann kann ein Speichersystem die Daten in einer Datenbank aufzeichnen, um letztendlich ein Basismodell ihrer Bewegungen innerhalb eines gegebenen Zeitraums zu bilden. Wenn man intelligente Algorithmen auf diese Muster anwendet, helfen sie uns zu erkennen, ob die Bewegungen des Viehs unregelmäßig sind, oder ob ein oder mehrere Tiere von der Herde separiert sind. Das passiert normalerweise, wenn sie krank oder verletzt sind. So eine Lösung kann problemlos mit kleinen IoT-Trackern realisiert werden, die über ein IoT-Netzwerk wie Wi-Sun oder andere WANs kommunizieren. Man kann Netzwerkmasten über die Felder verteilt aufstellen, und so eine große Fläche abdecken. Diese Daten werden dem Landwirt oder Viehzüchter über ein Webportal oder eine Smartphone-App zugänglich gemacht. So ist es für ihn sehr leicht, die Informationen zu verarbeiten.
IoT im Pflanzenanbau
Ein weiterer Einsatzbereich für das IoT in der Landwirtschaft sind Drohnen bei der Verbesserung der Pflanzengesundheit. Krankheiten als solche und die Leichtigkeit, mit der sie sich unter den Pflanzen ausbreiten, geben Anlass zur Sorge, weil sich die Folgen direkt auf den Ernteertrag auswirken. Die Prävention von Krankheiten ist ein wünschenswertes Ziel. Einfacher und realistischer ist es, betroffene Pflanzen sofort zu identifizieren, zu isolieren und auszusondern. Eine neue Methode ist es, dazu Überwachungsdrohnen einzusetzen. Diese Drohnengruppen sind in einer Basisstation untergebracht, von der aus sie automatisierte, periodische Patrouillen durchführen, um Bilddaten über die Pflanzen zu erfassen. Mit Computer-Vision/Bilderkennungsalgorithmen kann man feststellen, welche Flächen auf einem Betrieb beeinträchtigt sind. Markierte Bilder werden mit dem Drohnen-GPS korreliert und liefern genau lokalisierte Informationen. Sie werden auf der Basis verschiedener Drohnenaufnahmen verarbeitet, analysiert und dem Landwirt gemeldet, der dann Maßnahmen ergreifen kann, um Abhilfe zu schaffen. Der gesamte Prozess vom Starten der Drohnen über das Navigieren bis hin zur Datenerfassung, über die Analyse und Auswertung ist dabei automatisiert. Das sogenannte ‚Precision Farming‘ (Präzisionsackerbau) ist ein weiterer Bereich, in dem der Einsatz von verbundenen Sensoren steil nach oben geht. Die Geräte beginnen sogar sich beim Endverbraucher durchzusetzen. Batteriebetriebene Fern-Bodensensoren sammeln Daten über den Stickstoffgehalt und melden diese Werte periodisch. Bewässerungssensoren messen den Wasserstand und informieren automatisch das Bewässerungs- und Berieselungssystem. Flutsensoren überwachen zusätzlich den Wasserstand. Die Sensoren können so eingestellt werden, dass sie die Ventile, die für die Überbewässerung der Pflanzen verantwortlich sind, automatisch ausschalten. Gleichzeitig senden sie eine Benachrichtigungs-Email an eine vorgegebene Adresse. Und schließlich erfasst ein Frostsensor, wenn Wetterbedingungen zu Frost führen, der empfindlichen Pflanzen möglicherweise schädigt. Auch dazu wird automatisch eine Nachricht an den Benutzer gesendet. Für Hausbesitzer gibt es jetzt intelligente Bewässerungscontroller, die das Heim-WLAN-Netzwerk nutzen, um die Steuerungsfunktionen über eine Smartphone-App verfügbar zu machen. Man kann Zeitpläne festlegen, die Bewässerung ferngesteuert umschalten und sogar den Wasserfluss steuern.
Warum Sicherheit?
Die hier skizzierten Anwendungsfälle scheinen zunächst relativ einfach und unkritisch zu sein – aber diese Sicht der Dinge ist trügerisch. Ein Ziel der Smart Agriculture ist es, manuelle Prozesse zu automatisieren und die nötigen Praktiken mit nur minimalen Eingriffen eines Benutzers umzusetzen. Genau das macht die Anwendungen aber zu einer leichten Beute für jeden Angreifer. Diese Systeme werden häufig in nicht überwachten Netzwerken betrieben. Versuchte oder sogar erfolgreiche Sicherheitsverletzungen werden also nicht gemeldet. Die Landwirtschaft ist zudem ein Sektor, der traditionell nicht unbedingt als erstes an Cybersicherheit denkt. Wenn neue Anforderungen entstehen und entsprechende Lösungen entwickelt werden, fehlen meistens Sicherheitskonzepte. Man kann sich vorstellen, dass Hacker sich leicht Zugang zu Bewässerungssteuerungssystemen einer Anlage verschaffen, diese böswillig manipulieren oder Lösegeld fordern, um die Steuerung wieder freizugeben. Die Verabreichung von Pestiziden, die sorgfältig kontrolliert werden, kann manipuliert werden, ohne dass der Landwirt davon weiß. Schlussendlich lassen sich die mit dem Internet verbundenen Systeme dazu verwenden, Zugang zu anderen vernetzten Systemen von Drittanbietern zu erlangen und letztendlich Teil eines Botnetzes zu werden. Die Wege und Motive für einen Angriff sind vielfältig. Wie will man diese Sicherheitsprobleme lösen? Die Verantwortung für die Selbstregulierung und das Einhalten von Best Practices beim Thema Sicherheit, wenn nicht sogar von Sicherheitsstandards, liegt bei den Herstellern der smarten Geräte. Dazu muss man das Rad nicht neu erfinden. Prinzipien, die heute das Internet sichern, schützen morgen das Internet der Dinge. Man sollte Sicherheitsmethoden nutzen, die sich bewährt haben, sich mit Sicherheitsexperten dazu austauschen und Sicherheit als Designprinzip zur grundlegenden Komponente einer Lösung machen. Public Key Infrastructure funktioniert wie ein Schweizer Taschenmesser – sie hilft, Geräte zu identifizieren, macht die Kommunikation abhörsicher und schützt vertrauliche Daten und Informationen. Verschlüsselung und sicheres Schlüsselmanagement schaffen zusätzlich eine solide Sicherheitsgrundlage, die auf starker Identität, Authentifizierung und Vertrauen basiert.
