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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.
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.
The use of ion-selective field-effect transistors (ISFETs) facilitates real-time nutrient analysis in agricultural applications, including soil analysis and hydroponics. The rapid digital availability of analysis results allows for the implementation of ion-specific fertilisation control. The success, accuracy, and robustness of measurements using ISFET technology strongly depend on the handling of the process. This article presents a detailed overview of the sub-process steps required for the implementation of a stable automated application-specific ISFET-based measurement. This article provides experience-based recommendations for handling the conditioning, full calibration, and single-point calibration of the ISFET sensors. The hypotheses were empirically tested under authentic conditions and subsequently integrated into an overall process optimisation strategy. A comprehensive investigation has been conducted with the objective of gaining a deeper understanding of the ISFET baseline drift and implementing corrective measures. The results show that the baseline drift can be quantified and taken into account in the evaluation of the ISFET measurements. The efficacy of these measures was validated using standard laboratory analyses.
Mit Hilfe der NIR-Spektroskopie soll die Bodenfeuchte online tiefenbezogen im Feld gemessen werden. Für diesem Zweck sind vorbereitende Untersuchungen im Labor an unterschiedlich feuchten und ungestörten Bodenproben mit unterschiedlichen Bodenarten durchgeführt worden. Es zeigt sich, dass der entwickelte spektrale Wasserindex (Quotient: 1450 nm / 1230 nm) einen guten Zusammenhang zur gravimetrischen bestimmten Bodenfeuchte aufweist.
Vor den Herausforderungen traditioneller agrarischer Produktionsmethoden, wie Klimawandel und Ressourcenknappheit, bietet die vertikale, hydroponische Pflanzenproduktion in Indoor Vertical Farms (IVF) in urbanen Räumen innovative Lösungsansätze. Rezirkulierende hydroponische Systeme stehen jedoch vor der Herausforderung langfristig stabiler Nährstoffungleichgewichte bei konstantem Leitfähigkeitswert (EC-Wert), wie Untersuchungen an Süßkartoffeln (Ipomoea batatas) zeigen. In einem Versuchsaufbau wurden vier unabhängige Nährstoffkreisläufe mit je 12 Süßkartoffelpflanzen und einer modifizierten Hoagland-Nährlösung in einer IVF kultiviert. Die Pflanzen wurden über 91 Tage bei einer 16-stündigen Photoperiode, 23/18°C (Tag/Nacht) kultiviert. Die durchschnittlichen Erträge betrugen 1,4 kg Knollenmasse und 173 g Blattmasse pro Pflanze. Die Ergebnisse belegen, dass ohne regelmäßigen Austausch der Nährlösung die Stabilität der Makronährstoffkonzentrationen, insbesondere der Stickstofffraktionen, nicht gewährleistet werden kann. Dies kann zu einer Über- oder Unterversorgung einzelner Nährstoffe führen, was potenziell die Produktqualität und -menge beeinträchtigt und eine Innovation der Nährstoffregelung unablässig macht. Das Projekt Nutrient+Ctrl.IVF zielt darauf ab, hydroponische Systeme effizienter zu gestalten, indem ISFET-Sensoren für die automatisierte Messung der Nitrat-, Kalium- und Ammoniumkonzentrationen validiert und in eine Steuerungselektronik integriert werden. Diese Technologie ermöglicht die präzise Messung und bedarfsgerechte Regelung der Makronährstoffkonzentrationen. So kann ein Nährstoffverlust durch Austauschen von Nährlösung minimiert und die Ressourcennutzung unabhängig von der Kulturdauer nachhaltig optimiert werden. Die Validierung dieses Systems erfolgt an den Modellkulturen Süßkartoffel und Wasserlinse (Lemna minor).
Das Projekt Nutrient+CtrlIVF der Hochschule Osnabrück verfolgt das Ziel, eine bedarfsgenaue und ressourcenschonende Nährstoffversorgung in rezirkulierenden, hydroponischen Indoor Vertical Farms (IVF) zu realisieren. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung eines innovativen Steuerungssystems, das mithilfe ionensensitiver Feldeffekttransistoren (ISFET) die Konzentrationen einzelner Pflanzennährstoffe wie Nitrat, Ammonium und Kalium in Echtzeit überwacht und reguliert. Dadurch wird die bisher übliche Steuerung über den unspezifischen EC-Wert deutlich präzisiert. Das System ermöglicht eine adaptive, pflanzenartspezifische Nährstoffversorgung und trägt zur Optimierung von Ertrag, Qualität und Ressourceneffizienz bei. Pilotversuche mit Wasserlinsen und Süßkartoffeln belegen die Praxistauglichkeit und das Potenzial für den Einsatz in nachhaltigen Agrarsystemen der Zukunft.