Untersuchung der Datensicherheit selbstkonfigurierender Funknetzwerke im Bereich von mobilen Arbeitsmaschinen am Beispiel der Prozessdokumentation

Analysis of data security of self-configuring radio networks on mobile working machines illustrated by the process documentation

  • Das Produkthaftungsgesetz für Lebensmittel fordert eine lückenlose Dokumentation der landwirtschaftlichen Prozesse durch den Landwirt. Mit Hilfe eines autonomen Datenaustausches zwischen mobilen landwirtschaftlichen Arbeitsmaschinen auf dem Feld und einem zentralen Datenserver kann diese Forderung erfüllt werden. Die Basis dieses Dokumentationssystems sind eingebettete elektronische Systeme, die in der Lage sind, autonom miteinander über Funk zu kommunizieren und Daten auszutauschen. Moderne ErnDas Produkthaftungsgesetz für Lebensmittel fordert eine lückenlose Dokumentation der landwirtschaftlichen Prozesse durch den Landwirt. Mit Hilfe eines autonomen Datenaustausches zwischen mobilen landwirtschaftlichen Arbeitsmaschinen auf dem Feld und einem zentralen Datenserver kann diese Forderung erfüllt werden. Die Basis dieses Dokumentationssystems sind eingebettete elektronische Systeme, die in der Lage sind, autonom miteinander über Funk zu kommunizieren und Daten auszutauschen. Moderne Ernte- und Transportmaschinen erfassen mittels Sensoren die benötigten Informationen wie z. B. Position, Geschwindigkeit, Kornfeuchte, Durchsatz usw. Um die relevanten Maschinendaten detektieren zu können, werden die Kommunikationssysteme mit den CAN-Bussen der landwirtschaftlichen Maschinen verbunden. Systeme zur Ertragsdatenerfassung sind am Markt verfügbar, jedoch erfolgt die Datenübertragung in das Farm Management Informationssystem manuell. Weiterhin gibt es Telemetriesysteme, die die Maschinendaten direkt über Mobilfunk (GPRS) übertragen. Die Nachteile solcher Systeme bestehen in den Providergebühren, der geringen Netzabdeckung in ländlichen Gebieten, den geringen Übertragungsraten und der Einschränkung, dass keine direkte Kommunikation zwischen den Maschinen auf dem Feld aufgebaut werden kann. Aus diesen Gründen werden die Kommunikationssysteme zusätzlich mit Nahbereichsfunkschnittstellen versehen. Um den Anforderungen in der Praxis gerecht zu werden, werden die zur Verfügung stehenden Standards auf ihre Eignung hin untersucht. Die Auswahlkriterien sind Stromaufnahme, Reichweite, Datenrate und Hardwarekosten. Der IEEE802.15.4 erfüllt die gestellten Anforderungen am besten. Da die Funknetzwerke in der Landwirtschaft hoch dynamisch sind, d.h. Maschinen kommen dazu oder fallen weg, werden Ad-Hoc Netzwerke benötigt. Außerdem ist die Reichweite der einzelnen Kommunikationsmodule nicht zuletzt wegen der geringen Sendeleistung eingeschränkt, somit müssen die Daten mittels der Transportfahrzeuge zum Server auf den Hof übertragen werden. Hierbei muss sichergestellt werden, dass der Mähdrescher die Daten an ein Überladefahrzeug übergibt, welches dann die Daten auf den Hof-Server überträgt. Eine Übertragung der Daten an einen weiteren Mähdrescher ist nicht sinnvoll. Es werden daher Prozessprioritäten (PP) für folgende Maschinengruppen definiert: Mähdrescher (PP 70), Transportfahrzeuge (PP 60) und der Hofserver (PP 00), der die niedrigste PP besitzt. Eine Datenübertragung erfolgt immer nur zu einer niedrigeren PP. Das Prioritätenmodell kann modifiziert und an unterschiedliche Ernteketten angepasst werden. Für eine lückenlose Rückverfolgbarkeit des Erntegutes, müssen die Überladevorgänge und die Prozesspartner detektiert und dokumentiert werden. Um die Datensicherheit, d.h. kein Datenverlust oder Zugriff durch Unbefugte, zu gewährleisten, wurden Standards zur Verschlüsselung der Daten und Datenüberprüfung untersucht. Die entwickelten Sicherheits- und Kommunikationsmechanismen sowie das Dokumentationssystem wurden in Feldtests bewertet und deren Funktionalität nachgewiesen.show moreshow less
  • The product liability law for food requires from the farmer a complete documentation of agricultural processes. This requirement can be satisfied by an autonomic data exchange between mobile agricultural machines on the field and a central data server. The documentation system is based on embedded electronic systems, which are able to communicate with each other and to exchange data via radio. Modern harvester and transport machines record information such as position, ground speed, grain moistuThe product liability law for food requires from the farmer a complete documentation of agricultural processes. This requirement can be satisfied by an autonomic data exchange between mobile agricultural machines on the field and a central data server. The documentation system is based on embedded electronic systems, which are able to communicate with each other and to exchange data via radio. Modern harvester and transport machines record information such as position, ground speed, grain moisture and throughput via several sensors. The communication systems are connected with the CAN-busses of agricultural machines in order to detect relevant machine data. Nowadays, systems for yield data recording are available on the market, but the data is transferred to the farm management information system manually by a storage medium. Several existing telemetry systems transfer machine data directly via mobile radio (GPRS). Disadvantages of such systems are provider fees, low network coverage in rural areas, low transfer rates and a missing direct communication between machines on the field. Due to these reasons, the communication systems are provided with short-range radio interfaces. In order to fulfill the practical requirements, existing standards are analyzed. Selection criterions are current consumption, range, data rate and hardware costs. IEEE 802.15.4 satisfies these criterions best. Radio networks in agriculture are very dynamic, meaning that further machines can appear or disappear. Therefore, ad-hoc networks are needed. As the range of every single communication module is limited, the data has to be transmitted to the farm server. In this context, a combine harvester has to transmit the data to an unloading vehicle, which transmits it to the farm server. The data transfer from one to another combine harvester does not make sense. Therefore, process priorities (PP) are defined for the following machine groups: combine harvester (PP 70), transport machine (PP 60) and farm server (PP 00), which has the lowest PP. The data is always transferred to a lower PP in order to ensure the transfer to the farm server. This model can be modified for and adapted to other applications. In order to guarantee a complete traceability of the crop, the combine harvester has to detect and to document the unloading process and process partners. In order to guarantee the data security, meaning neither data loss nor unauthorized access, different standards for data encryption and data verification are analyzed. During field tests, the developed security and communication mechanisms as well as the documentation system were evaluated and their functionality verified.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Christian Rusch
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-35123
ISBN:0931-6264
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Henning Meyer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/05/08
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Date of final exam:2012/01/13
Release Date:2012/05/08
Tag:Funkkommunikation; Nahrungsmittel; Rückverfolgbarkeit; Sicherheit
Food Products; Retracement; Security; Wireless Communication
Institutes:Institut für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)