Interoperabilität digitaler Kameras in der Landwirtschaft

Analoge Kameras von gestern werden durch moderne digitale Kamerasysteme ersetzt. In der Landwirtschaft haben sich die Bedürfnisse der Landwirte weiterentwickelt und hochwertigere Kameras sind immer häufiger anzutreffen.

„Irgendwann wurde die Welt digital“, sagte David Smart, Berater bei John Deere und Teamleiter der Agricultural Industry Electronics Foundation (AEF). „Daher setzte sich die Erwartung nach besseren Kameras, höherer Qualität und besserer Bilderzeugung durch.“

Der Boom der Präzisionslandwirtschaft ermöglicht es Landwirten, datenbasierte Entscheidungen zu treffen. Durch den Einsatz digitaler Kameras und ihrer Systeme erhalten Landwirte Einblicke in Bodenbeschaffenheit, Bewässerungsbedarf und Pflanzengesundheit. Zu den gängigen Anwendungen zählen mittlerweile hochentwickelte Agrarroboter, Drohnen und große Fahrzeuge für die automatische Landwirtschaft.

Digitalkameras bieten heute eine hohe Auflösung, können die Ansicht drehen, in den gewünschten Bereich zoomen, in verschiedenen Formaten streamen und Auflösungen sowie Bildraten ändern. Sie sind mit LED-Beleuchtung oder Nachtsicht ausgestattet und lassen sich konfigurieren.

Dieser Trend zur Präzisionslandwirtschaft dürfte sich fortsetzen, da Landwirte ihre Produktivität und Rentabilität steigern möchten. Laut Verified Market Reports wurde der Markt für landwirtschaftliche Kamera- und Überwachungssysteme im Jahr 2023 auf 100 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2030 194,87 Milliarden US-Dollar erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 8,71 % im Prognosezeitraum von 2024 bis 2030 entspricht.

„Digitalkameras spielen in der Landwirtschaft eine sehr wichtige Rolle, und dennoch verfügen sie nicht über das Maß an Markenkompatibilität, das die Branche benötigt“, sagte Smart.

Verbindungskomplikationen

Eine handelsübliche Kamera an einen Traktor, unabhängig vom Hersteller, anzuschließen und sie auf dem Display in der Traktorkabine anzuzeigen, ist derzeit eine Herkulesaufgabe. Obwohl Landwirte jede Kamera einfach an jeden Traktor anschließen können sollten, ist dies derzeit nicht möglich.

„Wenn Sie die Kamera eines anderen OEMs integrieren möchten, funktioniert das nicht sofort. Sie müssen die Softwareanwendung auf Ihrem Display anpassen, und die Integration eines Neulings dauert in der Regel mindestens ein halbes Jahr“, sagte Dennis Schäfer, Leiter der Softwaregruppe der Motek GmbH und stellvertretender Leiter des AEF Digital Camera Systems (DCS)-Projektteams.

Zwar gibt es mehrere Videostandards, die die Übertragung von Videodaten ermöglichen, und es gibt Standards, die eine Kamerakonfiguration ermöglichen, aber es gibt keinen Standard, der ein Plug-and-Play-System ohne Konfiguration ermöglicht.

Die meisten Kamerasysteme, die über ein Terminal im Traktor bedient werden, basieren auf analogen Kameras. Jede Kamera ist typischerweise mit einem separaten Kabel verbunden, um das Kamerabild zur Anzeige in die Fahrerkabine zu übertragen. Oftmals möchten Fahrer mehrere Kameras gleichzeitig betrachten, was die Komplexität des Systems erhöhen kann.

„Selbst wenn ein Landwirt derzeit ein analoges oder digitales Kamerasystem in seinem Traktor installiert hat, muss er möglicherweise ein zusätzliches Terminal für ein neues Kamerasystem anschaffen, da dieses einen anderen Anschlusstyp hat oder die Kamera ein anderes Protokoll verwendet“, so Smart. „Es gibt zwar einen bestehenden Kamerastandard, dieser reicht jedoch völlig aus, um die Plug-and-Play-Erwartung zu erfüllen, dass jede Kamera gleich gut mit dem Terminal funktioniert.“

HSI-Backbone

ISOBUS wurde erstmals vor 23 Jahren eingeführt und bezeichnet das „Nervensystem“ landwirtschaftlicher Geräte nach ISO 11783, das Traktoren nahtlos mit Anbaugeräten und Nachrüstoptionen wie Displays und Joysticks usw. verbindet. Mit ISOBUS arbeiten Maschinen als System besser zusammen, als dies bei jeder Komponente für sich allein möglich wäre.

Dieses Diagramm zeigt eine Referenzarchitektur für mögliche HSI-Systeme und deren Konnektivität. Der heutige ISOBUS (ISO11783) wird auch weiterhin bestehen bleiben, auch wenn sich das Diagramm hauptsächlich auf HSI konzentriert. Die Konnektivität zu Front- und Heckgeräten, Kameras, Nachrüstgeräten (ADEV1), Nachrüstsätzen (AKIT) und sogar zu anderen Maschinen in der Nähe über Wireless Infield Communications (WIC) ist dargestellt. (Abbildung: Agricultural Industry Electronics Foundation)

Die AEF, eine globale Non-Profit-Organisation, die gegründet wurde, um die herstellerübergreifende Kompatibilität von Landmaschinen zu verbessern, hat die nächste ISOBUS-Generation, bekannt als High Speed ISOBUS (HSI), erstmals auf ihrem nordamerikanischen Plugfest im Jahr 2022 vorgestellt. Mit größerer Bandbreite und schnellerer Verbindungsgeschwindigkeit – etwa 4.000-mal schneller als die ursprüngliche Technologie – wird HSI jetzt und in Zukunft neue Möglichkeiten für Innovationen eröffnen, da noch mehr Leistung und Automatisierung gefordert werden.

AEF arbeitet in enger Zusammenarbeit mit dem Technischen Komitee 127, Unterkomitee 3 und der Gemeinsamen Arbeitsgruppe 16 der ISO – die sowohl für die HSI der nächsten Generation als auch für den bestehenden Kamerastandard verantwortlich ist – an der Aktualisierung des bestehenden Kamerastandards mit neuen Anforderungen, die darauf abzielen, Kameras und Monitore vollständig Plug-and-Play-fähig zu machen.

„Über die ursprüngliche Mission des HSI-Teams hinaus, die Technologie für eine deutlich leistungsstärkere Steuerung und Kontrolle von Anbaugeräten zu entwickeln, waren Digitalkameras der allererste [neue] Anwendungsfall auf Basis von HSI in der HSI-Infrastruktur, gefolgt von der drahtlosen Feldkommunikation zur Nutzung dieser Kameras. Diese sind alle aufgrund der Vorteile, die diese Kameras der Branche bieten, miteinander verknüpft“, sagte Ryan Milligan, stellvertretender Leiter Kommunikation und Marketing bei AEF.

„Die wichtigsten Backbone-Aspekte von HSI müssen vorhanden sein, damit die Kameras einen Anschlussplatz haben. Andernfalls müssen Sie wieder ein komplett anderes privates Netzwerk erstellen“, sagte Smart.

Digitalkamera-Team

Die AEF hat ein Projektteam für Digitalkamerasysteme (DCS) zusammengestellt, das aus über 20 Digitalkameraexperten von AEF-Mitgliedsunternehmen aus den USA, Südamerika, Europa und Asien besteht, um die markenübergreifende Interoperabilität und Integration von Digitalkameras zu verbessern.

Der neue Standard ermöglicht es Landwirten, eine HSI-konforme Kamera und einen HSI-konformen Monitor zu wählen, die ihren Anforderungen am besten entsprechen. Beispielsweise wünschen sie sich möglicherweise einen kleineren (oder größeren) Monitor als das Standardangebot, und ebenso können sie eine Kamera anhand ihrer Funktionen (z. B. Auflösung, Tag-/Dämmerungs-/Nachtfähigkeit usw.) auswählen. Die standardisierte Integration von Kameras und Monitoren in ein HSI-System ermöglicht den Einsatz jeder HSI-konformen oder -kompatiblen Kamera, die bestimmte Mindestanforderungen erfüllt. Einfach anschließen und schon funktioniert sie.

„Wenn Sie in der analogen Welt 15 Kameras an Ihrem Anbaugerät haben und alle diese 15 Kameras an Ihrer Maschine anzeigen möchten, müssen Sie entweder spezielle und teure Hardware hinzufügen, die das Video in einen einzigen Stream für ein Kabel mischt, oder Sie müssen 15 Kabel von Ihrem Anbaugerät zu Ihrer Maschine verlegen, da die vorhandene ISOBUS-Datenleitung einfach nicht mit der analogen Videokommunikation kompatibel ist und nicht die hohe Datenrate bewältigen kann, die zur Übertragung digitaler Videostreams erforderlich wäre“, sagte Niklas Niebrügge von der ANEDO GmbH, ein Softwareentwickler mit Fachwissen zu digitalen Videosystemlösungen und Leiter des AEF DCS-Projektteams.

„Unsere Mission besteht darin, eine neue AEF-Funktionalität bereitzustellen, um Plug-and-Play-Standardvideolösungen zu ermöglichen, die die Interoperabilität von Bildverarbeitungssystemkomponenten sowie eine einfache Integration für Hersteller und Aftermarket-Verkäufe im Kontext der HSI-Infrastruktur bieten“, sagte er.

„Durch die Digitalisierung der HSI-Infrastruktur und die Standardisierung der Kameraschnittstellen können mehrere Videostreams über nur ein Kabel übertragen werden. Das reduziert Komplexität und Kosten des Kabelbaums“, erklärte Niebrügge. „In Kombination mit dem Plug-and-Play-System ist das ein unglaubliches Werkzeug und ein großer Fortschritt für die gesamte Branche.“

Sobald die Grundlagen für eine einfache Prozessüberwachung und die Interoperabilität von Plug-and-Play-Komponenten geschaffen sind, eröffnet sich die Möglichkeit für weitere Anwendungsfälle und die Zusammenarbeit mit verschiedenen AEF-Funktionalitäten für die Präzisionslandwirtschaft. Dies betrifft beispielsweise die drahtlose Kommunikation im Feld und die Fähigkeit, verschiedene Objekte zu erkennen und diese Informationen an die Maschine zu verteilen, was letztlich eine vollständig interoperable Zukunft ermöglicht.

Blick die Straße hinunter

Während einige Anwendungsfälle noch nicht vorstellbar sind, besteht ein Hauptziel des HSI-Teams darin, die Grundlage für einen neuen Branchenkommunikationsstandard zu entwickeln, der über viele Jahre hinweg skalierbar ist.

Um diese Skalierbarkeit zu gewährleisten, werden jeder Anwendungsfall und die daraus abgeleiteten Anforderungen einzeln untersucht, um zu prüfen, wie sich diese Anforderungen in noch zukunftsweisenderen Systemen ändern könnten. Das HSI-Team überträgt diese Gesamtarbeit anschließend in eine Architektur, die wesentliche Fortschritte über das bisher Bekannte hinaus ermöglicht.

Der neue Standard ermöglicht es Landwirten, eine HSI-konforme Kamera und einen HSI-konformen Monitor zu wählen, die ihren Anforderungen am besten entsprechen. (Foto: KHL-Mitarbeiter)

„Das ist natürlich keine kleine Herausforderung – herauszufinden, was wir noch nicht wissen“, sagte Smart.

„Eine unserer Hauptaufgaben besteht darin, den ISO 17215-Standard (Straßenfahrzeuge – Videokommunikationsschnittstelle für Kameras) zu erweitern und zu verbessern, um ihn für die komplexen Traktor-Geräte-Kombinationen in unserem landwirtschaftlichen Fuhrpark nutzbar zu machen“, sagte Niebrügge.

Dadurch eignet es sich laut Niebrügge auch für die LKW- und Anhängerindustrie, die Bau- und Erdbewegungsmaschinenindustrie sowie den Bergbau.

„Ich denke, es wird sich in Zukunft auch in anderen Branchen durchsetzen, da es sich nicht um ein neues Problem handelt. Der gesamte stationäre Anwendungsbereich wird diesen Standard wahrscheinlich ebenfalls nutzen“, sagte Schaefer.

„Digitale Ethernet-Kameras sind in Fahrzeugen relativ neu, werden aber schon seit Jahren für die lokale und private Sicherheitsüberwachung eingesetzt. Es gibt jedoch keinen Standard, der es erlaubt, eine Kamera einfach an ein Netzwerk anzuschließen“, fuhr er fort. „Sie wird am Ende des Tages auf Ihrem Computerterminal angezeigt, es sei denn, Sie haben die Software und die Kamera vom selben Hersteller.“

Daher wird dieser Standard wahrscheinlich auch in stationären Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen. Der Bedarf an Plug-and-Play-Kamerasystemen dürfte sich deutlich über die Branchen hinaus erstrecken, die wir derzeit betrachten.

Einfach genial

Albert Einstein soll gesagt haben: „Jeder intelligente Narr kann die Dinge größer und komplexer machen ... Es erfordert einen Hauch von Genialität und viel Mut, um in die entgegengesetzte Richtung zu gehen.“

Die AEF HSI- und DCS-Projektteams entwickeln eine komplexe Technologie mit dem Ziel, sie sowohl für den Kunden als auch für den Endbenutzer zu vereinfachen.

„Wenn das DCS-Team seine Arbeit abgeschlossen hat, wird jede HSI-konforme Kamera mit jedem HSI-konformen Monitor/Display kompatibel sein“, sagte Smart.

Das Team schätzt, dass der neue ISO-Standard bis 2027 weltweit verfügbar sein wird.

AEF strebt eine Standardisierung der Videosystemintegration an. Das Team von Digital Camera Systems will die markenübergreifende Interoperabilität verbessern.

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