Computermodul Smart Farming: Embedded-Module für Feld und Flur

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Die Forderungen an die Landwirtschaft, mehr, aber auch umweltschonender zu produzieren – und das zu günstigeren Preisen bei gleichzeitig immer höherer Qualität, erscheinen unmöglich erfüllbar. Smart Farming kann jedoch einen Ausweg aus der verfahrenen Situation bieten.

Smart bzw. Precision Farming optimiert sie Aussaat, verbessert Pflanzenschutz und Ernte mittels hoch automatisierter, landwirtschaftlicher Geräte, reduziert die Kosten und schont die Umwelt. Möglich macht dies ein verstärkter Einsatz von Elektronik: Sensoren erfassen zahlreiche Faktoren wie Bodenqualität und Erntemenge in Korrelation zum jeweiligen Standort. Die gesammelten Daten werden zum Teil direkt vor Ort genutzt, aber auch in der Cloud ausgewertet, um detaillierte Pläne für den nächsten Einsatz zu erstellen. Mit den beiden neuen Modulserien TQMa64xxL und TQMa243xL liefert TQ die dazu passende Technologiebasis.

Spezialisierte Jobrechner für das Plus an Intelligenz

Die dazu notwendige Elektronik wird in immer mehr landwirtschaftlichen Maschinen und Fahrzeugen verbaut. Je nach Gerät und Aufgabe gibt es spezialisierte Jobrechner (Electronic Control Units, ECUs), die für das Plus an Intelligenz sorgen.

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Ein Beispiel: Eine Feldspritze, die bislang nur einen Dauersprühnebel produzierte, bringt durch den Jobrechner den Pflanzenschutz gezielt aus. Dazu ist der Jobrechner mit der Haupt-ECU des Traktors verbunden – zumeist über den Isobus – und übernimmt die intelligente Düsensteuerung. Für die erforderliche Präzision müssen diverse Sensoren, GPS-Daten und Ventilzustände in Echtzeit ausgelesen und verarbeitet werden. Das Ganze wird noch in Korrelation zum Fahrweg gesetzt, damit an bereits gespritzten Stellen nicht unnötig Pflanzenschutz ausgebracht wird – das schont den Geldbeutel des Landwirts und gleichzeitig die Umwelt.

Anforderungen an Elektronik für Anwendungen auf dem Feld

Das Plus an Intelligenz wird nicht nur in Neugeräte integriert, mittels Nachrüstlösungen erhalten sie auch bestehende Fahrzeuge und Maschinen. Damit erwachsen besondere Anforderungen an die Elektronik:

• Klein und robust, damit bei jedem Wetter und Geländebedingungen die Einsatzfähigkeit gewährleistet ist,

• geringe Leistungsaufnahme, um Abwärmeprobleme zu vermeiden und eine lange Einsatzfähigkeit zu sichern,

• Echtzeitfähigkeit zur Auswertung der Sensorik und Steuerung des Geräts für eine höhere Präzision,

• Funktionale Sicherheit zur Unfallvermeidung und zuverlässigem Not-Aus,

• Schnittstellen zur Erfassung der Daten,

• Konnektivität zur Steuerung und Datenübertragung inkl. CAN für Isobus,

• Updates per USB oder Over-the-Air (OTA),

• skalierbare Rechenleistung, da Landwirte sehr unterschiedliche Anforderungen an ihre Arbeitsgeräte haben und die Landmaschinenhersteller und ihre Zulieferer entsprechend darauf reagieren müssen,

• viel Speicher für die Datenerfassung aber auch für unterschiedliche Sprachversionen,

• Security-Funktionen auch für Blockchain und Leihgeräteverwaltung,

• einheitliche Entwicklungsumgebung Langfristige Verfügbarkeit,

• kostengünstig.

Embedded-Technologie passt zum Anforderungsprofil moderner Agrartechnik

Auf den ersten Blick scheint diese Anforderungsliste nur schwer realisierbar zu sein. Mit den neuen Controllern der Sitara Familie AM64x und AM243x von Texas Instruments gibt es nun allerdings eine geeignete Ausgangsbasis: Dank der Arm Cortex-R5- Cores sind die Bausteine ausgesprochene Echtzeitexperten.

Ein zusätzlicher Cortex-M4 ist als „Isolated Core“ ausgeführt, der unabhängig und unbeeinflusst von den anderen Cores seinen Dienst verrichten kann und so für die Aufgaben der funktionalen Sicherheit prädestiniert ist – Texas Instruments plant entsprechend eine IEC-61508-Zertifizierung. Funktionen wie Laufzeit-Sicherheitsdiagnose, Spannungs-, Temperatur- und Taktüberwachung, Windowed Watchdog-Timer (WWDT) sowie CRC-Engine für Speicherintegritätsprüfungen sind für den M4-Core prädestiniert. Ist noch mehr Rechenleistung gefordert, kann der AM64x auf bis zu zwei A53-Cores zurückgreifen.

Kernmerkmale und Vorteile der Modulfamilie

TQ nutzt die neuen AM64x- und AM243x-Bausteine für die Modulfamilien TQMa64xxL und TQMa243xL. Beide Modulfamilien sind Pin-kompatibel zueinander und skalieren damit über einen sehr weiten Performancebereich – entsprechen damit den unterschiedlichen Bedürfnissen der Jobrechner.

Dank des LGA-Konzepts sind die TQ-Module direkt auf die Trägerplatine auflötbar und somit kann auf Steckverbinder verzichtet werden, was eine konstante und gute Verbindung gewährleistet – Schock und Vibrationen auf dem Feld sind damit keine Probleme. Darüber hinaus spart das auch noch an Platz, da die Einbauhöhe entsprechend niedriger ist.

Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme des Moduls von typischerweise 1 W bis 2 W, kann auf umfangreiche Kühllösungen verzichtet werden; so reicht die Anbindung an das Gehäuse in den meisten Fällen. Damit ist der Standardtemperaturbereich von -25 bis 85 °C möglich, optional ist auch ein erweiterter Temperaturbereich von -40 bis 85 °C verfügbar.

Zudem erlaubt das Konzept den Einsatz von Schutzlacken gegen natürliche Feuchtigkeit und auszubringende Flüssigkeiten. Mit den Abmessungen von 38 x 38 mm finden die Module auch unter beengten Einbausituationen noch ihren Platz, was für Nachrüstlösungen von besonderer Bedeutung ist.

Komfortable Speichersituation der Module

Komfortabel ist die Speichersituation der Module: Bis zu 2 GB RAM, bis zu 256 MB NOR-Flash und bis zu 64 GB eMMC sowie die Anschlussmöglichkeit für eine SD-Card stehen zur Verfügung. Damit ist nicht nur ausreichend Speicher für die zahlreichen Messdaten des Smart Farming vorhanden, auch die Benutzerführung und Statusmeldungen können jetzt in mehreren Sprachvarianten gleichzeitig hinterlegt sein. Letzteres ist nicht nur hilfreich für den Geräteexport, sondern reagiert auf die Situation in der Landwirtschaft: Mitarbeiter verschiedener Nationalitäten mit unterschiedlichen Muttersprachen sind keine Seltenheit auf einem Hof bzw. während der Erntesaison – die von ihnen geführten Maschinen sollten dafür ausgelegt sein.

Schnittstellenausstattung und weitere Features

Für die Steuerung von Ventilen, Stellmotoren und anderen Aktoren sowie für die Datenerfassung der Sensorik sind Schnittstellen unerlässlich. Hier können die TQ-Module besonders punkten, da alle von den Prozessoren vorhandenen I/O-Signale auch über die Modul-Pads verfügbar sind. Damit stehen unter anderem bis zu 6 x I2C, 9 x UART, 1 x USB 2.0, 1 x USB 3.0 sowie ein 12-bit-Analog-Digital-Konverter (ADC) bereit.

Besonders komfortabel lässt sich der ADC mit Hilfe des auf den Modulen basierenden Single Board Computer (SBC) MBaX4XxL von TQ nutzen: Das integrierte analoge Frontend ermöglicht eine unkomplizierte Messung von Strom-, Spannung und Widerstand und erschließt damit die klassische Messtechnik mit ihren zahllosen Spezialsensoren.

Um der wachsenden Bedeutung der Kommunikation zwischen dem Jobrechner und der Haupt-ECU des Traktors sowie darüber hinaus gehenden (Funk-)Verbindungen gerecht zu werden, verfügen die erwähnten Sitara-Prozessoren über das Programmable Real-Time Unit Subsystem (PRU). Damit werden 2 x CAN-FD als Basis für den Isobus und TSN-fähiges Ethernet für leistungsstarke Feldbusse bereitgestellt. Insgesamt gibt es bis zu vier Real-time Gigabit-Ethernet-Ports (GbE).

Darüber hinaus besteht noch die Möglichkeit, zwei klassische GbEs zu nutzen. Damit ist auch die Grundlage gelegt für eigenständige TCP/IP-basierte Funkverbindungen der Jobrechner, also unabhängig von der Traktor-ECU, beispielsweise für das Updaten von Software (OTA).

Alternativ können auch USB-Sticks zum Update-Einsatz kommen, was allerdings einen deutlich größeren Aufwand bedeutet.

Falls dieses gebotene Schnittstellen- und Kommunikationsspektrum nicht ausreicht, kann noch eine PCIExpress-Lane (Gen2) für High-Speed-Erweiterungen zum Einsatz kommen, um so auch außergewöhnliche Anforderungen zu erfüllen.

Security- und Verschlüsselungsfunktionen

Die zahlreichen Security- und Verschlüsselungsfunktionen der neuen TQ-Module können nicht nur zur Abwehr der üblichen Gefahren von vernetzter Computertechnik zum Tragen kommen, sondern auch als Manipulations- und Abrechnungsschutz für Leihgeräte in Maschinenringen.

Ebenso sind diese Funktionen für einen sicheren Herkunftsnachweis mittels Blockchain die Grundlage: Jeder einzelne Produktionsschritt kann einen kryptografischen und damit fälschungssicheren „Stempel“ erhalten, um dem Endverbraucher die vollständige Rückverfolgbarkeit zu ermöglichen.

Eine Modulfamilie mit sechs CPU-Varianten

Aktuell gibt es je drei Versionen des TQMa64xxL und des TQMa243xL, was eine Performance-Skalierung von einem Single-Cortex R5F mit M4F bis hin zu Dual Cortex-A53 mit vier Cortex-R5F und einem M4F bedeutet. Dank Pin-Kompatibilität der Module kann dies mit einem gemeinsamen Trägerboard-Design genutzt werden und so ein Maximum an Flexibilität gewährleisten.

Die Kompatibilität kommt auch der Entwicklungswerkzeugkette zugute: Statt sich mit den Tools diverser CPU/MCU-Hersteller herum schlagen zu müssen, deckt eine Tool-Chain den großen Skalierungsbereich der Module ab und vereinfacht die Wiederverwendung von Software-Komponenten – was sich positiv auf die Entwicklungszeit und -kosten auswirkt. Hinzu kommt die vereinfachte Anpassung von Jobrechnern an Sonderwünsche der Kunden.

Fazit: Die Modulserien TQMa64xxL und TQMa243xL entsprechen den aktuellen Bedürfnissen von Jobrechnern bzw. ECUs in der Agrartechnik und verfügen zudem über Leistungsreserven für die Weiterentwicklung bestehender Produktlinien. Darüber hinaus eignen sie sich auch für neue Konzepte wie Agrarroboter. Hier können unterstützend auch weitere Sitara-Module von TQ zum Einsatz kommen wie das TQMa65xx für anspruchsvolle Grafikaufgaben.  (xx)

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