- Das System kombiniert IEEE 802.15.4 für dichte Messpunkte und LoRaWAN für Langstreckenübertragungen.
- Dual-Radio-Knoten bündeln lokale Sensordaten und übertragen sie energieeffizient zum Gateway.
- Photovoltaik-basierte Energieversorgung und Sleep-Modi ermöglichen einen wartungsarmen Betrieb.
- Erprobungen in einer Erdbeerplantage in Spanien zeigten eine End-to-End-Übertragungsrate von 97,5 %.
Im Elsevier-Forschungspaper „Efficient irrigation system using a combined wireless sensor network based on LoRaWAN and IEEE 802.15.4 technologies and photosynthetically active radiation measurements“ beschreiben J. Medina-García, J.A. Gómez-Galán, J.M. Vilaplana-Guerrero und J.A. Bogeat den Entwurf und Feldtest eines automatisierten Bewässerungssystems, das zwei Funkwelten gezielt kombiniert: IEEE 802.15.4 für dichte Messpunkte im Pflanzenbestand und LoRaWAN für die Langstrecke bis zum Gateway.
Der Beitrag ist dabei ausdrücklich als „low-cost, low-power“ Lösung für landwirtschaftliche IoT-Anwendungen gedacht und verknüpft Hardware, Firmware, Datenpipeline und Bedienoberfläche zu einem durchgängigen System.
Warum ein Funkstandard allein selten reicht
Präzisionsbewässerung lebt von Detailtiefe: Bodenfeuchte, Temperatur und Nährstoffverfügbarkeit können sich innerhalb weniger Meter deutlich unterscheiden. Genau diese räumliche Variabilität entscheidet darüber, ob ein System tatsächlich Wasser spart oder am Ende nur Durchschnittswerte liefert.
In der Praxis kollidiert dieser Anspruch häufig mit Funkrealitäten: Long-Range-Technologien decken große Flächen ab, werden aber teuer und komplex, wenn sehr viele Messpunkte direkt weit senden sollen; lokale Funknetze sind ideal für dichte Sensorik, stoßen jedoch bei größeren Distanzen an Grenzen. Das Paper adressiert dieses Spannungsfeld mit einem Architekturprinzip, das Aufgaben trennt, statt einen Standard zu überdehnen.
Die Architekturidee: lokale Dichte trifft Langstrecke
Im Feld arbeiten Sensorknoten mit IEEE 802.15.4, einem stromsparenden LR-WPAN-Standard, der sich für viele Messpunkte in kurzen bis mittleren Abständen eignet.
Damit die Messdaten dennoch über größere Distanzen zuverlässig beim Backend ankommen, setzen die Autoren Dual-Radio-Knoten ein: lokale Koordinatoren, die ein 802.15.4-Teilnetz (baumartig) einsammeln und die gebündelten Daten anschließend über LoRaWAN in einem Sternnetz zum Gateway übertragen.
So verbindet die Lösung die Vorteile beider Welten: 802.15.4 sorgt für räumlich feine In-Field-Informationen, LoRaWAN reduziert die Zahl der Langstrecken-Links und damit Betriebskosten, Airtime-Aufwand und Komplexität.
Energieautonomie als Voraussetzung für Skalierung
Ein ebenso zentraler Punkt ist die Energieversorgung. Das System ist darauf ausgelegt, im Feld langfristig ohne regelmäßige Eingriffe zu laufen. Dazu kombinieren die Autoren Low-Power-Hardware mit konsequenten Sleep-Strategien und einer Photovoltaik-gestützten Versorgung (Solarpanel, Akku, Ladeelektronik).
Der Betrieb folgt einem Messzyklus: kurz aktiv messen und senden, danach schlafen. Dieses Zusammenspiel zielt auf ein wartungsarmes Deployment, das sich auch in abgelegenen Bereichen einsetzen lässt, wo Netzstrom nicht verfügbar ist und Batteriewechsel schnell zum Kostentreiber werden.
Bewässerungs-Use-Case: vom Messwert zur operativen Entscheidung
Die technische Kette endet nicht bei der Funkübertragung. Sensordaten werden am Gateway empfangen, über ein Kontrollterminal verarbeitet, in einer Datenbank gespeichert und über eine Web-Oberfläche visualisiert. Damit ist das System als End-to-End-Plattform für Monitoring und Bewässerungsmanagement gedacht, inklusive Historie und Echtzeiteinblick.
Ergänzend integrieren die Autoren photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) am Gateway und kalibrieren einen Low-Cost-Sensor per Intervergleich mit Referenzradiometern. Das erweitert die klassische Root-Zone-Sensorik um ein pflanzenrelevantes Strahlungssignal, das für Wachstums- und Stresskontexte wichtig sein kann.
Wo wurde es erprobt?
Erprobt wurde das System in einer Erdbeerplantage in Matalascañas (Huelva), Südwestspanien, nahe dem Nationalpark Doñana. Diese Feldumgebung ist relevant, weil Funk und Energieversorgung hier realen Bedingungen ausgesetzt sind (Vegetation, Hindernisse, Wetter).
Laut den im Paper berichteten Messergebnissen lief das System im Testbetrieb sehr stabil: Es wird eine End-to-End-Übertragungserfolgsrate von 97,5 % vom Messpunkt bis zum LoRaWAN-Gateway berichtet (≈ 2,5 % Paketverlust), bei einer Monitoring-Latenz < 100 ms. In den Tests berichten die Autoren Reichweiten im Bereich von bis zu rund 60 m für den 802.15.4-Abschnitt zwischen Sensorknoten und lokalem Koordinator sowie bis zu etwa 2 km für den LoRaWAN-Link zwischen Koordinator und Gateway – passend zur vorgesehenen Aufgabenaufteilung.
Einordnung
Der Beitrag ist besonders dort stark, wo Smart-Irrigation in der Praxis oft scheitert: bei der skalierbaren Infrastruktur. Hybridfunk löst das Reichweite-vs-Detail-Problem, Energieautonomie senkt den Betriebsaufwand, und der Bewässerungsanwendungsfall wird als vollständiger Datenpfad bis zur Nutzeroberfläche umgesetzt.
Quelle und Autoren
Paper (Elsevier/ScienceDirect): https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542660525003154
Autoren: J. Medina-García und J.A. Gómez-Galán vom Department of Electronic Engineering, Computers and Automation der Universität Huelva (Andalusien, Spanien) sowie J.M. Vilaplana-Guerrero und J.A. Bogeat vom Atmospheric Research and Instrumentation Area des National Institute of Aerospace Technology (INTA) am Standort El Arenosillo (Huelva, Spanien).
