Automatische Analyse biologischer Systeme
Sichere Pflanzenidentifikation in tropischer Umgebung
Von Dr. Detlef Zienert, Manager Presse und Kommunikation, Balluff GmbH
Längst haben Identifikationsverfahren wie etwa Barcodes oder aufgedruckte RFID-Tags in der modernen Analytik Einzug gehalten. Überall dort, wo Proben in immer kürzeren Zyklen bei steigenden Losgrößen eindeutig erkannt und zugeordnet werden müssen, sind sie das Mittel der Wahl und aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Anders sieht dies aus, wenn man Versuchspflanzen in der schwierigen Umgebung eines Treibhauses automatisch untersuchen und zweifelsfrei wiedererkennen will. In einer Umgebung, die vor allem durch eine hohe Luftfeuchtigkeit, Schmutz und Wasser geprägt ist, können nur robuste industrietaugliche Lösungen bestehen. Das Unternehmen LemnaTec entwickelt Applikationen für die automatische Analyse biologischer Systeme und hat sich deshalb für ihre neue Phänotypisierungsplattform Scanalyzer 3D für ein RFID-System des Unternehmens Balluff entschieden.
Mit der neuen Anlage zum Langzeitmonitoring werden das Wachstum und die Morphologie der Pflanzen direkt im Treibhaus mittels spezieller 3D-Kamerasysteme kontinuierlich untersucht. Ermittelt werden Sprosshöhe, Wuchsform, Länge und Dicke der Blätter, aber auch verschiedene physiologische Parameter wie Wasser- und Chlorophyllgehalt. Im Einsatz sind die Systeme mittlerweile weltweit, beispielsweise bei mehreren Pflanzenzüchtern für Studien mit einem Umfang von bis zu tausend Pflanzen.
Pflanzen eindeutig identifizieren
Pflanzenzucht-Studien manuell durchzuführen, ist nach den Erfahrungen von Dirk Vandenhirtz, Geschäftsführer von LemnaTec, zeitlich und finanziell nicht zu bewerkstelligen: „Bei einem Zeitaufwand von 10 Minuten pro Pflanze und Tag, die sich aus der gärtnerischen Arbeit und dem Monitoring der Pflanze ergibt, müssten die Kosten geradezu explodieren. Jede Pflanze muss man jederzeit eindeutig identifizieren können“, schildert der Geschäftsführer und führt weiter aus: „Nur so lässt sich eine Inventarliste führen, aus der jederzeit hervorgeht, wo und in welchem Zustand sich jede Pflanze aktuell befindet. Zuerst haben wir versucht, dies über Barcode zu realisieren. Wasser und Schmutz haben jedoch schnell zu großen Leseungenauigkeiten geführt. Selbst aufgedruckte RFID-Tags konnten den schwierigen Umgebungsbedingungen eines Treibhauses nicht lange standhalten. Und so haben wir uns auf die Suche nach einem industrietauglichen RFID-System begeben.“
Technische Bedingungen
Die Anforderungen bestanden darin, ein nicht-proprietäres Identifikationssystem in 13,56 MHz-Technologie mit Ethernet-Schnittstelle sowie unbedruckte Datenträger, die durch ein Handheld-Terminal mit Barcodeleser und WLAN einfach zu bearbeiten und darüber hinaus auch einfach zu befestigen sind, zu installieren.
Nach umfangreichem Test mit verschiedenen marktgängigen Systemen wählte LemnaTec für seine Phänotypisierungsplattform ein RFID-System des Unternehmens Balluff aus. Die Qualität des Gesamtpakets, bestehend aus Beratung und Technik, hatte nach Aussage des LemnaTec-Geschäftsführers dafür den Ausschlag gegeben.
Einsatz im industriellen Umfeld
Ausgelegt ist das robuste Identifikationssystem für das schwierige Umfeld der industriellen Automation, in dem es bereits seit Jahren zur Anwendung kommt. Es widersteht selbst hohen Langzeit-Belastungen mit Schleifstaub, Schmierund Kühlmitteln sowie hohen Vibrationsbelastungen. Damit erfüllt es alle Voraussetzungen, um auch in der schwierigen Umgebung eines Treibhauses bestehen zu können. Mittlerweile laufen drei Anlagen in Deutschland, den USA, Australien, Italien Holland und Japan erfolgreich. Ein weiteres großes Treibhaus mit 50 Schreib-Lesestellen und 5 000 Datenträgern befindet sich derzeit in Australien im Aufbau.
RFID-Tag speichert Prozessinformationen
Kern des Balluff-RFID-Systems sind runde, eingekapselte Miniaturdatenträger in der Schutzart IP 67, die bei den Anlagen von LemnaTec an definierter Stelle an den Werkstückträgern angebracht sind. Auf diesen werden die Pflanzen innerhalb der Treibhäuser nicht nur einzeln gelagert, sondern auch mittels eines industriellen Fördersystems von ihrem Lagerplatz in regelmäßigen Abständen zur Bewässerung und zur Bewertung durch die 3D-Kamerasysteme in Untersuchungskammern transportiert. Schreib-/Leseköpfe an allen relevanten Stellen, beispielsweise an den Weichen des Transportsystems und in den Untersuchungskammern, erfassen präzise deren Identität, um anschließend auch spezifische Prozessinformationen auf dem Tag zu hinterlegen.
Sicher eingekapselt
Neben den robusten Datenträgern in Miniaturbauweise, den Transpondern, kommen noch ein oder mehrere Schreib-/Leseköpfe und eine Auswerteeinheit hinzu, welche die Daten an die Steuerungsebene weiterleitet. Daten und Energie, die der Datenträger benötigt, werden dazu induktiv vom Schreib-/Lesekopf eingekoppelt, was eine separate Spannungsversorgung, wie beispielsweise eine Batterie, überflüssig macht. In den Datenträgern ist die Elektronik, die im Wesentlichen aus einer Spule und einer Steuerlogik sowie einem EEPROM-Speicherelement besteht, sicher eingekapselt.
Fehlerfreie Kommunikation beim Datenaustausch
Der Datenaustausch zwischen Schreib-/Lesekopf und Transponder erfolgt berührungslos und damit verschleißfrei und je nach Ausführung nicht nur im statischen, sondern auch dynamischen Betrieb. Der induktive Datenträger empfängt dazu das 13,56 MHz-Energiesignal des Schreib-/Lesekopfes, baut daraus seine Versorgungsspannung auf und sendet danach seine Daten in Richtung der Schreib-/Leseköpfe. Dabei ist die Pulse Code Modulation unempfindlich gegenüber Störungen und gewährleistet eine reproduzierbare, fehlerfreie Kommunikation. LemnaTec nutzt kreisrunde Datenträger mit einem Durchmesser von 30 Millimeter und einer Bauhöhe von 1,6 Millimeter. Die nur 1,6 Gramm schweren Tags sind fest an jeden Werkstückträger geklebt oder geschraubt und bieten eine nutzbare Speicherkapazität von 752 Byte. Zusätzlich hinterlegt ist noch eine 4 Byte große Identnummer (unique ID), die nur einmal vergeben wird und der Rückverfolgbarkeit dient.
Vernetzung per Ethernet-Protokoll
Als Auswerteeinheit kommen BIS M-407 mit einer Ethernet TCP/IP-Schnittstelle zum Einsatz. So lässt sich das System quasi per „Plug and Play“ problemlos in die entsprechende Umgebung integrieren, ohne dafür separate Netzwerke aufzubauen. Unter anderem lässt es sich so an jedem Office- oder Industrie-PC anschließen. Anwender können dann direkt auf Ethernet-Basis arbeiten oder über einen sogenannten Com-Port Redirector (Treiber Software) ihre RS 232-Schnittstelle nutzen. „Für die Vernetzung per Ethernet-Protokoll haben wir uns entschieden“, so Dirk Vandenhirtz, „weil sich über das offene und sichere Protokoll am einfachsten eine weltweite Fernwartung realisieren lässt. Wir können uns also ganz einfach einwählen und im seltenen Falle einer Störung alles bis zum kleinsten Sensor hin sofort überprüfen.“ Die Phänotypisierungsplattform arbeitet nahezu fehlerfrei und bewältigt die Datenflut von mehreren Terrabyte pro Studie. Alle relevanten Daten werden bei der Messung kontinuierlich erfasst, in einer mathematischen Beschreibung zusammengefasst und auf einem Serversystem abgespeichert.
Einblick in AutoID/RFID: Balluff GmbH
Die RFID-Technologie ist ausgereift. Standards für die gängigen Systeme sind verfügbar. Und für alle Anwendungen unterschiedlichst...
