Landwirte wollen das Maximale aus ihren Feldern herausholen. Durch hohe Automation in Feld und Flur wird das möglich: Aktuelle Embedded-Module sorgen für optimale Aussaat und verbesserte Erträge. 

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 beziehungsweise Precision Farming bietet jedoch einen Ausweg aus der Situation: Durch optimale Aussaat, Pflanzenschutz und Ernte mittels hoch automatisierter, landwirtschaftlicher Geräte werden der Ertrag verbessert, die Kosten reduziert und die Umwelt geschont. 

Möglich macht dies der 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 Modulserien TQMa64xxL und TQMa243xL liefert TQ die dazu passende Technologiebasis. 

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. 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. 

Besondere Anforderungen 

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. So müssen sie beispielweise klein und robust sein, damit bei jedem Wetter und Geländebedingungen der Einsatz möglich ist. Auch eine geringe Leistungsaufnahme und Echtzeitfähigkeit sowie gute Konnektivität und skalierbare Rechenleistung spielen eine Rolle, ebenso wie Security-Funktionen und eine einheitliche Entwicklungsumgebung. Mit den neuen Controllern der Sitara-Familie AM64x und AM243x von Texas Instruments gibt es nun eine geeignete Ausgangsbasis: Durch die 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 AM64x- und AM243x-Bausteine für die Modulfamilien TQMa64xxL und TQMa243xL. Beide Modulfamilien sind Pin-kompatibel zueinander und skalieren damit über einen sehr weiten Performance-Bereich – ideal, um den unterschiedlichen Bedürfnissen der Jobrechner zu entsprechen. 

Durch das LGA-Konzept sind die TQ-Module direkt auf die Trägerplatine auflötbar, sodass auf Steckverbinder verzichtet werden kann, was eine konstante und gute Verbindung gewährleistet – Schock und Vibrationen auf dem Feld sind damit kein Problem. Zudem spart das auch 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 °C bis +85 °C möglich, optional ist auch ein erweiterter Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C verfügbar. Darüber hinaus erlaubt das Konzept den Einsatz von Schutzlacken gegen natürliche Feuchtigkeit und aus- zubringende Flüssigkeiten. Mit den Abmessungen von 38 mm x 38 mm finden die Module auch unter beengten Einbausituationen noch ihren Platz, was für Nachrüstlösungen von besonderer Bedeutung ist. 
 

Komfortable 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 beziehungsweise 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 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). Zudem 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 für das Update genutzt werden, was allerdings einen 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.

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. Zudem 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. Als erfahrenes E2MS- Unternehmen und Systemanbieter kann die TQ-Group zahlreiche Dienstleistungen zusätzlich zu den Modulen anbieten und so Unterstützung in vielen Phasen der Produktentwicklung und Fertigung bieten. Dies ist von besonderer Bedeutung für Start-up-Unternehmen, die nur über begrenzte Fertigungsressourcen verfügen und ihre Kernkompetenz mehr in der Software und in Cloud-Services sehen – der Hardware-Teil ihrer Projekte wird gerne von TQ übernommen. 

Autor
Andreas Willig, Produktmanager