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Resilient Smart Farming: Crisis-Capable Information and Communication Technologies for Agriculture

Kuntke, Franz (2024)
Resilient Smart Farming: Crisis-Capable Information and Communication Technologies for Agriculture.
doi: 10.26083/tuprints-00026496
Buch, Zweitveröffentlichung, Verlagsversion

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Kurzbeschreibung (Abstract)

Like many sectors, agriculture is experiencing a continuous digitalization, i.e. an increase in data-driven technologies used. In contrast to companies of other critical infrastructures – e.g. energy or telecommunication – a typical farm is comparatively small and often run as a family business. Accordingly, the demands on farming technology, its implementation, and regulations are different in many terms. Furthermore, the circumstances that influence crisis risks and crisis management are different in agriculture – and as digitalization introduces new potential risks, this process should be reviewed critically. Currently, the most advanced approaches for agriculture are typically referred to as smart farming and agriculture 4.0, which incorporate more precise cultivation with less manual effort. But such new agriculture technology developments usually lack an assessment about its impact on the sector's resilience and dependencies on other infrastructures. The research domains of crisis informatics and IT security mostly focuses on other topics, apart from agriculture. The resilience research in agriculture itself is currently intensifying, however, this line of research focuses more on problems resulting from the climate crisis and social change. For these reasons it remains unclear, how digitalization impacts the resilience of food production and food safety. Therefore, it is not well researched which technological developments may lead to undesired effects in the future. How modern systems should be designed to allow for both, positive impacts on efficiency, and prevention of negative effects in terms of reduced resilience capacities, is also not answered by current literature. The aim of the present work is to close this research gap at the intersection of agriculture, digitalization, and resilience.

To answer the question to what extent current technologies used by farmers are at risk of failure, the dissertation first presents a snapshot of the resilience state of agricultural companies and the technologies used. This involves interviews with stakeholders, mainly farmers, as well as surveying security issues of the LoRaWAN protocol, a transmission technology especially useful for agricultural Internet of Things. Which desires of farmers exist regarding software focusing on aspects of business continuity and secured operations, is another open question. This dissertation aims to also answer this question with empirical methods, mainly focus groups and usability tests. Then the rise of Internet of Things in agriculture raises another question, whether such technologies acquired for smart farming could also have benefits for resilience against internet-connection-lost situations. This question is answered by empirical evaluation of LoRaWAN range characteristics in agricultural landscapes, as well as artifact generation for resilient communication channels on top of LoRaWAN transmission devices.

Several findings are derived from the conducted research: There is a lack of understanding of how strong the used tools in agriculture depend on ICT, and many tools require a working internet connection. Moreover, IT employed by agricultural enterprises presents security concerns similar to those encountered in other domains. Based on these findings, developments, and evaluations of new software approaches are presented: Derived design criteria and own system designs that allow for modern data-driven business operations, including IoT integration based on LoRaWAN. The developed solutions show an increase in resilience capacities by enhancing the communication possibilities in crisis situations. The detected low absorption capacities against communication infrastructure outages shows room for improvement. To improve agricultural ITs' resilience, software engineers could use the concepts and designs of this dissertation for their product development, like a modular offline-capable farm management storage that allows an exchange of small data in an autarkic manner via commodity LoRaWAN hardware. But also technology advisors and farmers benefit from the technological analyses and suggestions embedded in this work, like using multiple LoRaWAN gateways with an overlapping coverage to mitigate security vulnerabilities.

Typ des Eintrags: Buch
Erschienen: 2024
Autor(en): Kuntke, Franz
Art des Eintrags: Zweitveröffentlichung
Titel: Resilient Smart Farming: Crisis-Capable Information and Communication Technologies for Agriculture
Sprache: Englisch
Referenten: Reuter, Prof. Dr. Christian ; Dörr, Prof. Dr. Jörg
Publikationsjahr: 8 Juli 2024
Ort: Darmstadt
Publikationsdatum der Erstveröffentlichung: 4 Mai 2024
Ort der Erstveröffentlichung: Wiesbaden
Verlag: Springer Vieweg
Reihe: Technology, Peace and Security | Technologie, Frieden und Sicherheit
Kollation: XIV, 246 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 6 Dezember 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026496
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26496
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Kurzbeschreibung (Abstract):

Like many sectors, agriculture is experiencing a continuous digitalization, i.e. an increase in data-driven technologies used. In contrast to companies of other critical infrastructures – e.g. energy or telecommunication – a typical farm is comparatively small and often run as a family business. Accordingly, the demands on farming technology, its implementation, and regulations are different in many terms. Furthermore, the circumstances that influence crisis risks and crisis management are different in agriculture – and as digitalization introduces new potential risks, this process should be reviewed critically. Currently, the most advanced approaches for agriculture are typically referred to as smart farming and agriculture 4.0, which incorporate more precise cultivation with less manual effort. But such new agriculture technology developments usually lack an assessment about its impact on the sector's resilience and dependencies on other infrastructures. The research domains of crisis informatics and IT security mostly focuses on other topics, apart from agriculture. The resilience research in agriculture itself is currently intensifying, however, this line of research focuses more on problems resulting from the climate crisis and social change. For these reasons it remains unclear, how digitalization impacts the resilience of food production and food safety. Therefore, it is not well researched which technological developments may lead to undesired effects in the future. How modern systems should be designed to allow for both, positive impacts on efficiency, and prevention of negative effects in terms of reduced resilience capacities, is also not answered by current literature. The aim of the present work is to close this research gap at the intersection of agriculture, digitalization, and resilience.

To answer the question to what extent current technologies used by farmers are at risk of failure, the dissertation first presents a snapshot of the resilience state of agricultural companies and the technologies used. This involves interviews with stakeholders, mainly farmers, as well as surveying security issues of the LoRaWAN protocol, a transmission technology especially useful for agricultural Internet of Things. Which desires of farmers exist regarding software focusing on aspects of business continuity and secured operations, is another open question. This dissertation aims to also answer this question with empirical methods, mainly focus groups and usability tests. Then the rise of Internet of Things in agriculture raises another question, whether such technologies acquired for smart farming could also have benefits for resilience against internet-connection-lost situations. This question is answered by empirical evaluation of LoRaWAN range characteristics in agricultural landscapes, as well as artifact generation for resilient communication channels on top of LoRaWAN transmission devices.

Several findings are derived from the conducted research: There is a lack of understanding of how strong the used tools in agriculture depend on ICT, and many tools require a working internet connection. Moreover, IT employed by agricultural enterprises presents security concerns similar to those encountered in other domains. Based on these findings, developments, and evaluations of new software approaches are presented: Derived design criteria and own system designs that allow for modern data-driven business operations, including IoT integration based on LoRaWAN. The developed solutions show an increase in resilience capacities by enhancing the communication possibilities in crisis situations. The detected low absorption capacities against communication infrastructure outages shows room for improvement. To improve agricultural ITs' resilience, software engineers could use the concepts and designs of this dissertation for their product development, like a modular offline-capable farm management storage that allows an exchange of small data in an autarkic manner via commodity LoRaWAN hardware. But also technology advisors and farmers benefit from the technological analyses and suggestions embedded in this work, like using multiple LoRaWAN gateways with an overlapping coverage to mitigate security vulnerabilities.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Wie viele andere Sektoren erfährt auch die Landwirtschaft eine kontinuierliche Digitalisierung, d.h. eine Zunahme der eingesetzten datengesteuerten Technologien. Im Gegensatz zu Unternehmen anderer kritischer Infrastrukturen - z.B. Energie oder Telekommunikation - ist ein typischer Bauernhof vergleichsweise klein und wird oft als Familienbetrieb geführt. Dementsprechend sind die Anforderungen an die Landtechnik, ihre Umsetzung und die Vorschriften in vielerlei Hinsicht anders. Auch die Umstände, die Risiken und Management von Krisen beeinflussen, sind in der Landwirtschaft anders - und da die Digitalisierung neue potenzielle Risiken mit sich bringt, sollte dieser Prozess kritisch überprüft werden. Die derzeit fortschrittlichsten Ansätze für die Landwirtschaft werden typischerweise als Smart Farming und Landwirtschaft 4.0 bezeichnet, die eine präzisere Bewirtschaftung mit weniger manuellem Aufwand ermöglichen. Bei solchen neuen Entwicklungen im Bereich der Agrartechnologie fehlt jedoch in der Regel eine Bewertung ihrer Auswirkungen auf die Widerstandsfähigkeit des Sektors und der Abhängigkeiten von anderen Infrastrukturen. Die Forschungsbereiche der Kriseninformatik und IT-Sicherheit konzentrieren sich meist auf andere Themen als die Landwirtschaft. Die Resilienzforschung in der Landwirtschaft selbst wird derzeit intensiviert, allerdings konzentriert sich dieser Forschungszweig eher auf Probleme, die sich aus der Klimakrise und dem sozialen Wandel ergeben. Aus diesen Gründen bleibt es unklar, wie sich die Digitalisierung auf die Resilienz der Lebensmittelproduktion und Lebensmittelsicherheit auswirkt. Daher ist nicht gut erforscht, welche technologischen Entwicklungen in Zukunft zu unerwünschten Auswirkungen führen könnten. Auch die Frage, wie moderne Systeme gestaltet sein sollten, um sowohl positive Auswirkungen auf die Effizienz als auch die Vermeidung negativer Effekte im Sinne einer verminderten Resilienzfähigkeit zu ermöglichen, wird in der aktuellen Literatur nicht beantwortet. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese Forschungslücke an der Schnittstelle von Landwirtschaft, Digitalisierung und Resilienz zu schließen.

Zur Beantwortung der Frage, inwieweit die derzeit von Landwirt:innen genutzten Technologien von Ausfällen gefährdet sind, wird in der Dissertation zunächst eine Momentaufnahme des Stands der Resilienz von landwirtschaftlichen Unternehmen und der verwendeten Technologien vorgestellt. Dazu werden Interviews mit Stakeholdern, vor allem Landwirt:innen, geführt und Sicherheitsaspekte des LoRaWAN-Protokolls, einer Übertragungstechnologie, die besonders für das landwirtschaftliche Internet der Dinge geeignet ist, untersucht. Eine weitere offene Frage ist, welche Wünsche die Landwirt:innen an eine Software haben, die sich auf Aspekte der Geschäftskontinuität und des sicheren Betriebs konzentriert. Diese Dissertation zielt darauf ab, auch diese Frage mit empirischen Methoden, hauptsächlich Fokusgruppen und Usability-Tests, zu beantworten. Das Aufkommen des Internets der Dinge in der Landwirtschaft wirft eine weitere Frage auf, nämlich ob solche Technologien, die für die intelligente Landwirtschaft erworben wurden, auch Vorteile für die Widerstandsfähigkeit gegen den Verlust der Internetverbindung haben könnten. Diese Frage wird durch die empirische Evaluierung der LoRaWAN-Reichweitencharakteristik in landwirtschaftlichen Landschaften sowie durch die Generierung von Artefakten für belastbare Kommunikationskanäle auf LoRaWAN-Übertragungsgeräten beantwortet.

Aus den durchgeführten Untersuchungen lassen sich mehrere Erkenntnisse ableiten: Es besteht ein Mangel an Verständnis dafür, wie stark die in der Landwirtschaft eingesetzten Instrumente von IKT abhängen, und viele Instrumente erfordern eine funktionierende Internetverbindung. Darüber hinaus ist die in landwirtschaftlichen Betrieben eingesetzte IT mit ähnlichen Sicherheitsbedenken verbunden wie in anderen Bereichen. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse werden Entwicklungen und Bewertungen neuer Softwareansätze vorgestellt: Abgeleitete Designkriterien und eigene Systementwürfe, die einen modernen datengesteuerten Geschäftsbetrieb ermöglichen, einschließlich IoT-Integration auf Basis von LoRaWAN. Die entwickelten Lösungen zeigen eine Erhöhung der Resilienzkapazitäten durch Verbesserung der Kommunikationsmöglichkeiten in Krisensituationen. Die festgestellten geringen Absorptionskapazitäten gegen Ausfälle der Kommunikationsinfrastruktur zeigen Verbesserungspotenziale auf. Um die Resilienz der landwirtschaftlichen IT zu verbessern, könnten Softwareentwickler:innen die Konzepte und Entwürfe dieser Dissertation für ihre Produktentwicklung nutzen, wie z.B. einen modularen offline-fähigen Betriebsführungsspeicher, der einen autarken Austausch von Kleindaten über Commodity LoRaWAN-Hardware ermöglicht. Aber auch Technologieberater:innen und Landwirt:innen profitieren von den technologischen Analysen und Vorschlägen, die in dieser Arbeit eingebettet sind, wie z.B. die Verwendung mehrerer LoRaWAN-Gateways mit einer überlappenden Abdeckung, um Sicherheitslücken zu entschärfen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-264969
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 630 Landwirtschaft, Veterinärmedizin
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 20 Fachbereich Informatik
20 Fachbereich Informatik > Wissenschaft und Technik für Frieden und Sicherheit (PEASEC)
TU-Projekte: Bund/BMWL|868579|GeoBox
Bund|898892|GeoBox II
Hinterlegungsdatum: 08 Jul 2024 09:38
Letzte Änderung: 09 Jul 2024 09:17
PPN:
Referenten: Reuter, Prof. Dr. Christian ; Dörr, Prof. Dr. Jörg
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 6 Dezember 2023
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