Refine
Year of publication
Document Type
- Conference Proceeding (11)
- Working Paper (2)
- Article (1)
- Part of a Book (1)
- Master's Thesis (1)
Keywords
- Hydroponics (2)
- ISFET (2)
- Ion-selective sensor (2)
- lab on a chip (2)
- mobile field laboratory (2)
- soil nutrients analysis (2)
- soil sampling (2)
- soil2data (2)
- Agricultural sensor technology (1)
- Application map (1)
Institute
Knowledge of the small-scale nutrient status of a field is an important basis for decision-making when it comes to optimising the fertiliser use in crop production. Currently, the traditional method involves soil sampling in the field and soil sample analysis in the laboratory as two separate working processes.
The previous research project "soil2data" developed a mobile field laboratory for different carrier vehicles. In the follow-up project "prototypes4soil2data", the results of soil2data are further developed. A mixed soil sample is collected during the drive on the field. The soil sample is then wet-chemically prepared and analysed. The overall soil sampling and analysis process is divided into the following process steps: soil sampling planning, soil sampling, soil preparation, soil analysis and data management. The process steps are modified for the mobile field laboratory and the process steps run in parallel. The new soil extraction method is based on official German methods (VDLUFA) to ensure the interoperability of the analysis results with the VDLUFA fertiliser recommendations. An innovative key component is the NUTRISTAT analysis module (lab-on-chip with ISFET measurement technology). It can measure pH, the nutrients NO3-, H2PO4-, K+ and the electrical conductivity. In addition to the advantages of rapid data availability and no need to transport soil material to the laboratory, it provides a future basis for new application, e.g. verification of current results in the field during soil sampling with existing results or dynamic adjustment of soil sampling during work in the field.
Currently, soil nutrient analysis involves two separate processes for soil sampling and nutrient analysis: 1. field soil sampling and 2. laboratory analysis. These two - separate - main work processes are combined and conceptualised for a mobile field laboratory so that soil sampling and analysis can be carried out simultaneously in the field. The module-based field laboratory "soil2data" can carry out these two main work processes in parallel and consists of 5 different task-specific modules that build on each other: app2field, field2soil, app2liquid, liquid2data and data2app. The individual modules were designed and built for the sub-process steps and adapted to the special features of the mobile field laboratory "soil2data". The biggest advantage is that the analysis results are available immediately, and a fertiliser recommendation can be generated instantly. For further analyses, the results are stored in the data cloud. The soil material remains in the field. In the ongoing project "Prototypes4soil2data", the mobile field laboratory soil2data is being further developed into a prototype with a modular structure.
Knowledge of the small-scale nutrient status of arable land is an important basis for optimizing fertilizer use in crop production. A mobile field laboratory opens up the possibility of carrying out soil sampling and nutrient analysis directly on the field. In addition to the benefits of fast data availability and the avoidance of soil material transport to the laboratory, it provides a future foundation for advanced application options, e.g. a high sampling density, sampling of small sub-fields or dynamic adaptation of the sampling line during field sampling. An innovative key component is the NUTRI-STAT ISFET sensor module. It measures values for the ions "NO3- ”, “H2PO4- " and "K+ " as well as the pH. The ISFET sensor module was specially developed for soil nutrient analysis. The phosphorus measurement was further developed for the project "soil2data". First results from the ISFET sensor module show a measurement signal settling time of significantly less than 100 seconds and a further consistent stable measurement signal. The measurement signal dynamics of approx. 58 mV per factor 10 of concentration change is given for the measured variables pH and K+. For the measured quantities of NO3- and H2PO4- , the measurement signal dynamics are lower.
Die Digitalisierung des Bodenbeprobungsverfahrens mit einer automatisierten Generierung einer Düngeempfehlung auf Grundlage der analysierten Bodennährstoffgehalte – direkt nach Beendigung der Bodenbeprobung auf dem Acker – ist ein übergeordnetes Ziel bei der Nutzung des mobilen Feldlabors „soil2data“. Neben den Bodennährstoffanalyse-Ergebnissen sind für die Umsetzung einer automatisierten generierten Düngeempfehlung weitere Informationen notwendig.
Die Quellen dieser Informationen haben einen unterschiedlichen Ursprung. Es sind Daten aus verschiedenen Quellen vom Bewirtschafter, von Dienstleistern und vom mobilen Feldlabor, welche miteinander verknüpft und synchronisiert werden müssen. Für einen automatisierten Prozessablauf zur Generierung einer Düngeempfehlung ist die Datenorganisation eine essenzielle Voraussetzung. Die Grundlage der Empfehlung sind die Tabellenwerke der offiziellen Düngeempfehlung, die bei den für die Düngung zuständigen Behörden der Bundesländer vorliegen. In dieser Publikation werden die notwendigen Daten und der Prozessdatenfluss für die Bodenbeprobung und Düngeempfehlung-Generierung beschrieben und grafisch dargestellt.
This paper investigates four different mobile robots with respect to their drivingcharacteristics and soil preservation properties in an agricultural environment.Thereby, robots of classical design from agriculture as well as systems from spacerobotics with advanced locomotion concepts are considered to determine theindividual advantages of each rover concept with respect to the application domain.Locomotion experiments were conducted to analyze the general driving behavior,tensile force, and obstacle‐surmounting capability and ground interaction of eachrobot. Various soil conditions typical for the area of application are taken intoaccount, which are varied in terms of moisture and density. The presented workcovers the specification of the conducted experiments, documentation of theimplementation as well as analysis and evaluation of the collected data. In theevaluation, particular attention is paid to the change in driving characteristics underdifferent soil conditions, as well as to the soil stress caused by driving, since soilquality is of critical importance for agricultural applications. The analysis shows thatthe advanced locomotion concepts, as used in space robotics, also have positiveimplications for certain requirements in agricultural applications, such as maneuver-ability in wet conditions and soil conservation. The results show potential for designinnovations in agricultural robotics that can be used, to open up new fields ofapplication for instance in the context of precision farming.
Ion-selective field-effect transistors (ISFETs) offer potential as micro-sensors for in situ monitoring of complex target variables in real-time closed loop actions. This article presents the concept and realisation of application-specific ISFET-based measurement systems for two different agricultural domains: infield soil measurements and hydroponic systems. Commercially available ISFETs were integrated as multi-sensor modules as well as single-sensor units for the measurement of plant-available nutrients, such as H PO , NO , K or NH , and pH-values. Moreover, application-relevant pH values as well as temperatures for calibration purposes were measured. ISFETs were selected according to the relevant measurement dynamics for the applications. For the development and testing procedures, a laboratory setup was built up. Supported by reference materials, the outputs of the ISFETs were evaluated with respect to stability under the influence of disturbance variables, reproducibility and settling time. The results were used to develop new readout electronics. Next to stability, conditioning and calibration processes were relevant. The micro-sensors were integrated in new application-specific mechatronic handling systems and process flows. The realisation and tests are presented as well as first measurements in outdoor fields and indoor hydroponic environments.
Seit 1996/97 führt die Landwirtschaftskammer Schleswig-Holstein eine Felderhebung mit dem Thema „Systemvergleich: Bodenbearbeitung mit und ohne Pflugfurche“ auf einem sandigen Lehmboden durch.
Die Erhebung ist in zwei Hauptvarianten „Pflug“ und „Pfluglos“ aufgeteilt. Welche in zwei unbelastete Untervarianten („Unbefahren“ und „Vorgewende“) und in zwei belastete Untervarianten („Fahrgasse“ und „Güllefassspur“) unterteilt sind.
Im Mai 2002 wurden Bodenproben entnommen. Bewertet wurden die Ergebnisse vom Eindringwiderstand, Lagerungsdichte, Porenvolumen, Porengrößenverteilung, Bodenfeuchtigkeit und die pneumatische Leitfähigkeit in allen Untervarianten. Bei der Auswertung der Ergebnisse zeigten die Hauptvarianten aufgrund des unterschiedlichen Bearbeitungsverfahrens in den unbelasteten Untervarianten ein differenziertes Bodengefüge. Mit Hilfe der erwähnten Bodenparameter wurden die Auswirkungen auf das Bodengefüge einer undefinierten mechanischen Belastung in der Untervariante „Fahrgasse“ und einer definierten in der Untervariante „Güllefassspur“ ermittelt. In der Untervariante „Güllefassspur“ wurden zusätzlich der Bodendruck und die Spurtiefe gemessen. Die Ergebnisse jeder Untervariante wurden mit den aus der Literatur recherchierten pflanzenbaulichen Grenzwerten verglichen.
Die Ergebnisse in der Hauptvariante „Pflug“ zeigen in den unbelasteten Untervarianten im Oberboden für das Pflanzenwachstum günstige Bodenparameter und im krumennahen Unterboden ungünstigere. In der Hauptvariante „Pfluglos“ sind im Oberboden hingegen für das Pflanzenwachstum ungünstigere Bodenparameter und im krumennahen Unterboden günstige ermittelt worden. Die Auswirkungen einer mechanischen Belastung sind in der Hauptvariante „Pflug“ im Oberboden und im krumennahen Unterboden feststellbar. Die Tragfähigkeit des Bodengefüges ist in der Hauptvariante „Pfluglos“ besser zu beurteilen. Die Auswirkungen beschränken sich auf den Oberboden und sind nicht so ausgeprägt wie in der Hauptvariante „Pflug“.
Durch Kartoffelviren kommt es zu erheblichen Ertragsverlusten in der Produktion sowie zu Qualitätseinbußen in der Züchtung und Vermehrung von Kartoffeln. Die frühzeitige Bereinigung von befallenen Vermehrungsbeständen hat sich als effektivste Maßnahme zur Vermeidung von Virusbefall bewährt. Die manuelle Selektion von Viren im Feldbestand ist mit hohem personellen Aufwand verbunden. Da erkrankte Pflanzen nicht immer eindeutige, selektierbare Symptome zeigen, lassen sich nicht alle virenbefallenen Pflanzen in Feldbeständen selektieren. Durch den Technologiefortschritt im Bereich der bildgebenden Sensortechnik zeigen sich neue Ansätze für die Detektion von viruskranken Pflanzen in Feldbeständen. Moderne Sensoren bieten die Möglichkeit, georeferenzierte und hochauflösende Informationen zum Virusbefall zu gewinnen. Die Sensoren können dabei boden- bzw. luftgestützt eingesetzt werden.