ISOBUS-genormte digitale Übertragung von Daten in Landmaschinen

Überblick

• In der digitalen Landwirtschaft werden Daten ausgetauscht. Für Maschinenanwendungen im Pflanzenbau gibt es eine spezielle Schnittstelle, den ISOBUS. Dieser ist hinsichtlich Entwicklung und Funktionen mit dem im Alltag bei Computeranwendungen verwendeten Universal Serial Bus (USB) zum Anschluss externer Geräte wie Drucker oder Scanner vergleichbar.
• Der ISOBUS ist eine standardisierte Schnittstelle für die Übertragung von Daten und elektrischer Energie zwischen Traktoren, Landmaschinen, externen Geräten wie Satellitenempfängern und Infrastruktur für die Weiterverarbeitung der Daten. Er ist in der ISO-Norm 11783 definiert.
• Grundlage des ISOBUS ist der CAN-Bus (CAN = Controller Area Network). Von Bosch und Intel entwickelt, wird er seit Mitte der 1980er Jahre in Automotiv-Anwendungen, also zum Beispiel bei Autos und Landmaschinen, zum Austausch von Daten zwischen den verschiedenen elektronischen Komponenten eingesetzt. Der CAN-Bus kommt mit zwei verdrillten Leitungen aus, ist störungssicher und einfach zu verlegen.
• Der ISOBUS ermöglicht es, elektronisch geregelte Maschinen und Traktoren herstellerübergreifend miteinander zu verbinden und zu betreiben.

Anwendungsgebiete und Vorteile

Die herstellerübergreifende Vernetzung von Landmaschinen über eine einheitliche Schnittstelle ermöglicht eine effiziente Verwendung von Daten.

• Teure Komponenten auf dem Traktor wie Bedienmonitore, Verkabelung oder Satellitenempfänger können für die Anbaugeräte genutzt werden, es braucht keine separaten Komponenten für jede einzelne Maschine.
• Eine einheitliche Benutzerführung auf den Monitoren vereinfacht die Bedienung der Geräte.
• Der ISOBUS ermöglicht die Umsetzung von Anwendungen der Präzisionslandwirtschaft (siehe Beitrag «Teilflächenspezifische Bewirtschaftung»).

Technologieüberblick

Entstehung des ISOBUS

In Landmaschinen werden seit den 1970er Jahren elektronische Komponenten verbaut, die miteinander verbunden werden können und Daten sowie elektrische Energie austauschen. Die so entstandenen elektronischen Systeme wurden von den jeweiligen Herstellern entwickelt und waren nur in seltenen Fällen mit den Geräten anderer Hersteller kompatibel. Dies bedeutete, dass zur Nutzung der Möglichkeiten der Elektronik alle Komponenten vom gleichen Hersteller sein mussten. Dadurch war die Wahlfreiheit der Landwirte stark eingeschränkt und vielfach musste für jede Maschine eine eigene Bedieneinheit gekauft werden, obschon die Funktionen bei allen Monitoren vergleichbar waren. Die laufenden Weiterentwicklungen bei der Agrarelektronik bot immer umfangreichere Funktionen, die maschinenspezifischen Anpassungen an den Traktoren und Fahrzeugen wurde aber immer aufwendiger und teurer, insbesondere wenn die einzelnen Maschinen von unterschiedlichen Herstellern waren. Deshalb wurden Anstrengungen unternommen, zumindest die Grundfunktionen wie die Art der Datenübertragung (CAN-Bus), Schnittstellen (Stecker und Verkabelung) und Datenformate zu standardisieren und so eine herstellerübergreifende Nutzung der Grundgeräte zu ermöglichen.

Ab 2001 wurde von der International Organisation for Standardization aus Teilen der Norm SAE J1939 (Standardisierung der Kommunikation in mobilen Maschinen über einen CAN-Bus durch die Society of Automotive Engineers) sowie dem landwirtschaftlichen Bus-System (LBS, DIN 9684) in Deutschland (Prof. Dr. H. Auernhammer, TU München) die Norm ISO 11783 unter dem Namen ISOBUS geschaffen (siehe nachfolgende Tabelle).

ISOBUS-Norm

In der mehrere hundert Seiten umfassenden ISOBUS-Norm sind alle wichtigen Komponenten für die normierte Anwendung der Präzisionslandwirtschaft geregelt. Sie enthält 14 Kapitel und kann in Teile «Physikalische Datenübertragung», «Netzwerk», «Daten», «Diagnose» und «Funktionen» unterteilt werden (siehe nachfolgende Abbildung). Genormt werden damit die Art und Weise der Übertragung von Daten und elektrischer Energie, die dazu notwendigen Schnittstellen sowie gewisse Funktionen der Präzisionslandwirtschaft wie Teilbreitenschaltung, teilflächenspezifische Bewirtschaftung, Datenmanagement und Anzeigen an Monitoren. Nicht definiert werden alle anderen Funktionen an Landmaschinen wie die Anordnung der Bedienelemente, der Funktionsumfang oder die Positionierung von Sensoren und Aktoren.

Relevant für die praktischen Anwendungen in der Landwirtschaft sind in erster Linie die Gruppen «Physikalische Datenübertragung» und «Funktionen». Die restlichen Themen behandeln Aspekte für Entwicklung und Programmierung und werden von den Anwendern nur selten wahrgenommen.

Die ISOBUS-Norm lässt den Entwicklern relativ viel Spielraum für Anpassungen und Interpretationen. Dies führt dazu, dass eine Bedienmaske (die Bedienoberfläche, die auf dem Monitor angezeigt wird) auf dem Monitor des einen Herstellers genauso wie vorgesehen mit korrekter und nachvollziehbarer Anordnung von Funktionstasten und Schaltflächen dargestellt wird, wohingegen die Anzeige der gleichen Bedienmaske auf einem anderen Monitor eines anderen Herstellers oder Typs keinen Sinn macht.

Es ist in der Verantwortung und im Interesse des Geräteherstellers, dafür zu sorgen, dass sein Gerät an möglichst allen Monitoren aller Hersteller korrekt dargestellt wird. Und umgekehrt ist es im Interesse der Hersteller von Monitoren, dass möglichst alle Geräte korrekt bedient werden können.

Diese Selbstverantwortung bedarf gezielter Absprachen. Damit die Koordination zwischen den einzelnen Akteuren optimiert, Konformitätstests organisiert und die ISO-Norm 11783 weiterentwickelt werden, wurde 2008 die Agricultural Industry Electronics Foundation (AEF) gegründet. Mittlerweile umfasst die weltweit tätige AEF rund 50 Firmen und Organisationen.

Physikalische Datenübertragung

Die Übertragung der Daten erfolgt über einen CAN-Bus nach dem Standard 2.0b mit einer Übertragungsrate von 250 kBaud mit 29-Bit-Identifikation.

Die Übertragung von elektrischem Strom zur Versorgung der elektronischen Komponenten ist von der Datenübertragung getrennt und wie folgt definiert:

• Versorgung von Leistungsverbrauchern mit mindestens 30 A, in der Regel mit 50 A-Absicherung
• Versorgung von Prozessrechnern und anderen elektronischen Bestandteilen mit mindestens 15 A-Absicherung

Damit ist sichergestellt, dass die Übertragung von Daten und von elektrischer Energie entkoppelt ist. So ist die Betriebssicherheit des Systems durch Probleme bei den Leistungsverbrauchern wie beispielsweise des überlasteten Elektromotors einer blockierten Sämaschine nicht gefährdet, da in der Regel nur die 50 A-Sicherung durchbrennt und nicht auch noch die 15 A-Sicherung der Elektronik. Auch sind Stromkabel und insbesondere Steckverbindungen der Datenübertragung kaum elektrisch belastet, wodurch diese weniger anfällig auf Korrosion sind und die Signale auch dann noch übertragen werden, wenn die Verbindungen nicht mehr optimal sind. Die Stromversorgung erfolgt meistens direkt ab Batterie, gut sichtbar durch gross dimensionierte Kabel und zusätzliche leistungsfähige Sicherungen (siehe nachfolgende Abbildung).

Systemüberblick

In der ISOBUS-Norm sind alle Geräte und deren Funktionen sowie die Verbindungen definiert und normiert (siehe Abbildung). Dadurch ist sichergestellt, dass die Komponenten einheitlich bezeichnet sind und welche Daten wo verarbeitet werden.

In der ISOBUS-Norm sind auch die verschiedenen Steckverbinder, deren Pinbelegung und die Position in der Verkabelung definiert (siehe nachfolgende Abbildung). Am Vorhandensein dieser typischen Stecker und Dosen kann ein ISOBUS-System einfach erkannt werden. Die verbauten Elemente und Kabel sind im Fachhandel frei erhältlich und können auch von Personen ohne Spezialkenntnisse bestellt, verbaut oder ersetzt werden.

• IBBC (Implement Bus Breakaway Connector): 9-polige Verbindung zwischen Traktor und Anbaugeräten sowohl am Traktorheck als auch in der Traktorfront
• In-Cab-Connector: 9-poliger Kabinenstecker zum Anschluss von Monitoren
• 9-polige Diagnosesteckdose (identisch mit SAE J1939) zum Anschluss von Servicerechnern
• TBC (Terminal Bus Connector): 6-polige aktive Bus-Terminierung (Endwiderstand)
• 4-poliger Bus-Erweiterungsstecker

Moderne grössere Traktoren sind häufig bereits mit einem voll ausgebauten ISOBUS-System ausgerüstet. Bei etwas älteren und/oder weniger aufwendig ausgerüsteten Modellen kann ein ISOBUS-System nachgerüstet werden. Am einfachsten geht das, wenn ein Originalsystem des Herstellers verwendet wird. Ist dies nicht möglich, bieten Ausrüster Umbausätze an. Dabei ist zu beachten, dass nicht für alle Anwendungen ein voll ausgerüstetes System mit sämtlichen Schnittstellen notwendig ist. Um einfache Funktionen mit geringem Leistungsbedarf und ohne Satellitennavigation durch Anzeige einer einfachen Maske auf dem Terminal nutzen zu können, reicht oft eine vereinfachte und dadurch kostengünstigere Variante (siehe Abbildung). In solchen Fällen übernimmt der Monitor zusätzliche Funktionen wie TECU (Tractor ECU, Traktorenrechner) oder TBC (Terminal Bus Connector, aktiver Endwiderstand).

Anforderungen an Systeme bei Nachrüstung

Funktionen

Innerhalb der ISO-Norm 11783 sind verschiedene Funktionen definiert, die für Anwendungen der Präzisionslandwirtschaft notwendig sind. Diese Funktionen sind nicht zu verwechseln mit der Bedienung von Landmaschinen, die von Hersteller zu Hersteller ganz unterschiedlich ist und die keiner Normierung bedarf. Um die Übersicht über die verschiedenen Funktionen, die in ISOBUS normiert sind, zu erleichtern, wurde von der AEF ein Erkennungssystem geschaffen. Zentrales Element ist ein Aufkleber, der Auskunft über den Funktionsumfang im entsprechenden Gerät gibt (siehe Abbildung).

Abb. 09.06: Beispiel eines Aufklebers zu einem ISOBUS-Monitor (Universal Terminal). Er verfügt über die Funktion des Traktorenrechners (TECU), bei dem mit einem Joystick zusätzliche Funktionen bedient (AUX-N) und die Grunddaten der Dokumentation erhoben und ausgetauscht werden können (TC-BAS, Task Controller Basic). Es kann teilflächenspezifisch nach Karte gearbeitet werden (TC-GEO, Task Controller geo-based) und Teilbreiten können automatisch geschaltet werden (TC-SC, Task Controller Section Control).

Universal Terminal (Monitor)

Für die Bedienung eines Anbaugerätes ist ein Bildschirm (Universal Terminal) ein zentrales Element. Wird das ISOBUS-System gestartet, werden Bedienmasken von den ECUs der Anbaugeräte an den Bildschirm (UT) übertragen und angezeigt. Über programmierte Schaltflächen innerhalb der Masken sowie über vordefinierte Funktionstasten am Bildschirm können die Maschinen bedient werden. Die ISO-Norm 11783 stellt sicher, dass die Übertragung geregelt erfolgt und dass die anzuzeigenden Elemente immer gleich aussehen und so beispielsweise ein roter Kreis überall ein roter Kreis ist. Die Maschine selbst wird ausschliesslich über die ECU geregelt, der Bildschirm hat keine aktive Regelfunktion – vergleichbar mit der Anzeige am Monitor eines PCs, wo ebenfalls keine programmrelevanten Rechenoperationen durchgeführt werden.

TECU (Traktoren ECU oder Traktorenrechner)

Damit Anbaugeräte korrekt funktionieren können, müssen in der Regel traktorenrelevante Daten wie Motorendrehzahl, theoretische und effektive Fahrgeschwindigkeit, Hubhöhe, Zapfwellendrehzahl bis hin zu Stellungen der Hydraulik-Zusatzventile oder Getriebestellungen vom traktorinternen System (in der Regel auch ein CAN-Bus) auf den ISOBUS übertragen werden. Im Fall einer geschwindigkeitsabhängig geregelten Sämaschine bedeutet das, dass die ECU an der Sämaschine auf der ISOBUS-Datenleitung die aktuelle Fahrgeschwindigkeit herauslesen und so die Drehzahl der Säwelle anpassen kann. Die TECU übernimmt dabei die Rolle einer Schnittstelle zwischen Traktor und ISOBUS, indem diese Traktorendaten übertragen werden. Zusätzlich können die aktuellen Werte und Einstellungen wie ein normales Gerät auch über eine Maske am UT angezeigt werden (siehe Abbildung).

Werden ISOBUS-Systeme im Traktor bereits ab Werk montiert, sind die TECUs Teil des Systems. Sind bei Nachrüstlösungen keine TECUs vorhanden, können die meisten Monitore diese Funktion übernehmen. Dabei werden die Traktorendaten in der Regel über die Signalsteckdose nach ISO-Norm 11786 zum Monitor übertragen (siehe Abbildung), von den integrierten TECUs erkannt und in die entsprechenden CAN-Datenformate übersetzt.

Fehlt am Traktor eine Signalsteckdose, können zumindest die Geschwindigkeitsdaten notfalls von einem externen GNSS-Empfänger (Satellitennavigation) übernommen werden.

Auch die aktuellen Standortkoordinaten können über Schnittstellen vom Satellitenempfänger über die TECU ins ISOBUS-System übertragen werden.

Task Controller und Datenaustausch (TC-BAS)

Die ISOBUS-Norm enthält neben der Kommunikation zur Regelung von Maschinen auch die Erhebung und Übertragung von Auftragsdaten vom Task Controller zu einem externen PC resp. dem Betriebsmanagement-System (siehe Beitrag «Farm Management- und Informationssysteme (FMIS) im Pflanzenbau»). Ein wichtiges Element ist dabei die Struktur der Aufträge, die überall immer gleich ist. Sie beinhaltet:

• Auftrag
• Kultur
• Anbausystem
• Kunde
• Betrieb
• Anbaugerät
• Einsatztechnik
• Feld (oder Teile davon)
• Produkt/Hilfsstoff
• Produktgruppe
• Arbeiter
• Einheit (kg, l, t)
• Kommentare (z. B. Disteln, Quecken, …)
• Kommentargruppen (Zusammenfassung verschiedener Kommentare zu einer Gruppe, z. B. Unkräuter)
• Dateireferenz

Werden Aufträge oder Feldarbeiten mit einem ISOBUS-System ausgeführt, sollten die meisten dieser Punkte (ausser Kommentare und Kommentargruppen) entweder direkt über den Monitor oder über das FMIS eingegeben worden sein. Diese Grunddaten bleiben im System erhalten und können bei der Bearbeitung von weiteren Aufträgen wieder aufgerufen werden. Die Eingabe dieser Grunddaten ist aber relativ zeitaufwendig. Die Arbeiten auf den Feldern können auch ohne die ISOBUS-Struktur erledigt werden. In diesem Fall können aber die Möglichkeiten bezüglich Dokumentation und Planung nicht ausgenutzt werden.

Es empfiehlt sich, die Eingabe dieser Angaben vor der Ausführung auf einem externen PC im FMIS vorzunehmen und dann kurz vor der eigentlichen Arbeit auf den Task Controller zu übertragen. Nach erledigter Arbeit können die Protokolle wieder in das FMIS zurück übertragen werden. Diese Datenübertragung erfolgt hauptsächlich über USB-Stick. Systeme zur drahtlosen Übertragung über das Mobilfunknetz sind verfügbar (siehe Beitrag «Teilflächenspezifische Bewirtschaftung»).

Teilflächenspezifische Bewirtschaftung (TC-GEO)

Wenn der Task Controller über Satellitennavigation verfügt und das Anbaugerät die Fähigkeit zur Übernahme unterschiedlicher Soll-Ausbringmengen vom Task Controller hat, kann an einer bestimmte Position eine bestimmte Ausbringmenge von Hilfsstoffen appliziert werden. Die dazu notwendigen Ausbringkarten mit Sollwerten müssen vorgängig vorbereitet, im FMIS in eine ISOBUS-taugliche Datei umgewandelt und auf den Task Controller übertragen werden. Dieser befindet sich physisch nicht im Anbaugerät, sondern im oder in der Nähe des Gehäuses des Monitors. In Einzelfällen ist es auch möglich, die Karte über eine herstellerspezifische Schnittstelle in ein anderes Format zu übertragen (z. B. Shapefile-Format in Monitore von John Deere) (siehe Beitrag «Teilflächenspezifische Bewirtschaftung»).

Teilbreitenschaltung (Section Control, TC-SC)

Können am Anbaugerät Teilbreiten zu- und abgeschaltet werden und verfügt der Task Controller über die Möglichkeit, zwischen bereits bearbeitetem und unbearbeiteten Feldteilen zu unterscheiden, können Teilbreiten in Abhängigkeit des Standortes und des Überlappungsgrades automatisch geschaltet werden. Dabei müssen den Feldern die jeweiligen Grenzen zugeordnet werden. Die Feldgrenzen werden in der Regel bei der ersten Umrundung des Feldes oder separat mit dem gleichen Gerät aufgenommen. Alternativ können sie im FMIS auf der Basis von Satellitenbildern (meistens GoogleEarth) eingegeben werden. Allerdings ist diese Methode fehlerbehaftet, da auf Satellitenbildern Abweichungen von einigen Metern nicht selten und so Lücken möglich sind (siehe Beitrag «Teilflächenspezifische Bewirtschaftung»).

Kompatibilität zwischen verschiedenen Geräten und Maschinen

Auch wenn sämtliche Regeln der ISO-Norm 11783 eingehalten werden, kann es vorkommen, dass Masken auf einigen Bildschirmen nicht optimal oder gar nicht dargestellt werden. Nur der direkte Versuch mit den konkreten Rechnern und Programmversionen schafft diesbezüglich Klarheit. Die AEF organisiert regemässig Treffen unter Fachleuten, bei denen Hersteller der verschiedenen Komponenten im Laborrahmen die Kompatibilität ihrer Entwicklungen testen und allfällige Probleme beheben können. So kommt es mittlerweile kaum noch vor, dass bei Geräten und Maschinen die Darstellung von Masken unbrauchbar und die Bedienung der Geräte nicht möglich ist. Allerdings bringt auch hier nur der Test an den eigenen Maschinen Gewissheit über die Kompatibilität.

Anders sieht es aber bei den wesentlich komplexeren Funktionen der teilflächenspezifischen Bewirtschaftung und Teilbreitenschaltungen aus. Die AEF testet auch hier die Kompatibilität und publiziert sie in einer eigens geschaffenen frei zugänglichen Datenbank (www.aef-isobus-database.org). Auf dieser Plattform können der Funktionsumfang der einzelnen Geräte und bei der Anwahl von mehreren Geräten deren Kombinationsmöglichkeiten kontrolliert werden (siehe Abbildung).

Handlungsanweisungen

Eine Betriebssicherheit, wie sie bei USB-Schnittstellen erreicht wurde, besteht bei ISOBUS im Moment noch nicht. Folgende Punkte können aber helfen, dass Pannen und Fehler vermieden werden können:

• Bedienungsanleitungen lesen und Arbeitsabläufe ausserhalb der Saison üben
• Regelmässig Software-Updates durchführen (lassen)
• Daten regelmässig sichern
• Steckverbindungen regelmässig reinigen (Druckluft) und konservieren (Elektrospray)
• Vor dem Kauf die Kompatibilität von Maschinenkombinationen mithilfe der AEF-Datenbank überprüfen und gegebenenfalls vom Händler schriftlich bestätigen lassen

Entwicklungsperspektiven

ISOBUS hat entscheidend dazu beigetragen, dass die Akzeptanz von modernen elektronischen Hilfsmitteln auf Landmaschinen zugenommen hat.

Die Norm wird kontinuierlich weiterentwickelt, so zum Beispiel mit TIM (Traktor Implement Management, Traktorsteuerung durch das Anbaugerät), der laufenden Erfassung von Gerätedaten (LOG) oder der Definition einer Deaktivierungsfunktion einzelner Geräte (ISB, ISOBUS Shortcut Button).

Herstellerüberblick

Die meisten Hersteller von Traktoren und landwirtschaftlichen Geräten haben ISOBUS-Anwendungen im Angebot. Sie informieren auch darüber, wie Traktoren und Geräte direkt über den Hersteller oder über Drittanbieter nachgerüstet werden können.

Referenzen

• AMSuisse, 2012. Merkblatt ISOBUS. Unterlagen Kurs ‘ISOBUS und GPS’, AMSuisse, HAFL, Landag.
• International Organisation for Standardization: ISO 11783 Tractors and machinery for agriculture and forestry – Serial control and communications data network, parts 1-14, Geneva, Switzerland.
• Batbayar E.E.T., Tsogt-Ochir S., Oyumaa M., Ham W.C., Chong K.T., 2019. Development of ISO 11783 Compliant Agricultural Systems: Experience Report. In: Dajsuren Y., van den Brand M. (eds) Automotive Systems and Software Engineering. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-12157-0_9

Glossar

CAN-Bus: CAN bedeutet Controller Area Network. Der CAN-Bus wird seit Mitte der 1980er Jahre in Automotiv-Anwendungen, also zum Beispiel bei Autos und Landmaschinen, zum Austausch von Daten eingesetzt. Der CAN-Bus kommt mit zwei Leitungen aus, ist störungssicher und einfach zu verlegen.

Hinweis

Die Texte und das Bildmaterial stammen aus dem Fachmedium «Digitale Technologien in der Landwirtschaft», das von der edition-lmz AG 2021 herausgegeben wurde.

Autor: Bernhard Streit