N-Expert Cloud / FarmLab

Im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen dem Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ) und dem Brandenburger Start-up Stenon GmbH (Stenon) entwickelte Marcel Wieczorek IT-Services (WIT) die Software zur Düngungsoptimierung „N-Expert“ weiter.
Entstanden ist dabei eine Cloud-native und leichtgewichtige Web-/Server-Applikation auf Basis von Java, Spring Boot und OpenAPI.

Im Zuge des Projekts „FarmLab“ erarbeitet das IGZ auf diese Weise Düngungsempfehlungen zur Optimierung des Düngungsmanagements auf Basis der durch Stenon bereitgestellten Lösung für eine direkte Messung von relevanten Nährstoffen im Boden.

Projektbeteiligte
Am Projekt „FarmLab“ waren drei Parteien beteiligt:

  1. Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ)
  2. Stenon GmbH (Stenon)
  3. Marcel Wieczorek IT-Services (WIT)

Das Projekt wurde gefördert vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung.

Projektbeschreibung
Das Projekt „FarmLab“ wurde im März 2020 vom IGZ und Stenon initiiert. Als Projektziel wurde die Bereitstellung der aus N-Expert bekannten Algorithmen zur Düngebedarfsermittlung per Web-Schnittstelle ausgegeben.
WIT wurde damit beauftragt, verschiedene Lösungsansätze zu analysieren und ein Konzept auszuarbeiten. Im April 2020 wurden der Projektumfang sowie die Projektmeilensteine folgendermaßen festgelegt und WIT im Anschluss mit der technischen Umsetzung beauftragt:

  1. Definition und Beschreibung der notwendigen Schnittstellen; geeignet zur Integration in Fremdsysteme durch Anwendung des OpenAPI Specification (OAS) Standards.
  2. Implementierung der Backend-Komponente zur Berechnung des Düngebedarfs nach den N-Expert-Algorithmen.
    1. Implementierung der N-Düngebedarfsermittlung nach N-Expert.
    2. Erstellung einer Test-Umgebung (Sandbox) zur Integration durch Stenon.
    3. Implementierung der P-, K-, Mg-Düngebedarfsermittlung nach N-Expert.
    4. Implementierung der N-Düngebedarfsermittlung nach DüV.
    5. Implementierung der P-Düngebedarfsermittlung nach DüV.
  3. Abstimmung und Konzeption eines Prozesses zur Bereitstellung der ausführbaren Applikation sowie deren operativen Betriebs.
  4. Kontinuierliche Bereitstellung der ausführbaren Artefakte.

Im Mai 2020 begann die technische Umsetzung des Projekts „FarmLab“ durch WIT mit einer tiefgehenden Analyse des N-Expert-Quellcodes. Es wurden verschiedene Ansätze der Code-Extraktion, -Restrukturierung und -Refaktorisierung untersucht, um möglichst große Bestandteile der bestehenden Programmlogik wiederverwenden zu können.
Im Anschluss wurde die Entwicklung der Applikation „Fertiliser Demand Service“ (FDS) initiiert. Dabei handelt es sich um eine Java-Applikation auf Basis von Spring Boot, die ausschließlich Open-Source-Bibliotheken verwendet und den derzeit neuesten Stand der Technik darstellt.
Der Fortschritt des Projekts sowie der Softwareentwicklung wurden über Bitbucket (Code-Verwaltungssystem) sowie Jira (Ticket-System) protokolliert.
Bis zum aktuellen Zeitpunkt besteht die FDS-Anwendung aus 659 Dateien mit insgesamt 71.907 Zeilen Quellcode.

Hinsichtlich der Web-Schnittstelle wurde im August 2020 ein erster Entwurf durch WIT zur Abstimmung mit Stenon bereitgestellt.
Bis zum Oktober 2020 wurde die Schnittstelle in mehreren Iterationen immer detaillierter abgestimmt und geändert. Parallel dazu wurde eine lauffähige Testumgebung (Sandbox) durch WIT bereitgestellt.
Details der OpenAPI-Schnittstellendefinition sind hier einsehbar.

Zwischen November 2020 und Februar 2021 wurden neben der N-Düngebedarfsermittlung nach N-Expert auch Web-Schnittstellen- und Funktionserweiterung bzgl. der P-, K-, Mg-Düngebedarfsermittlung nach N-Expert, der N-Düngebedarfsermittlung nach DüV sowie der P-Düngebedarfsermittlung nach DüV vorgenommen.
Bis zum aktuellen Zeitpunkt wurde die FDS-Anwendung in 129 Iterationen kontinuierlich aktualisiert und erweitert, während Stenon deren Integration in ihre Software vorantreibt.

Im März 2021 wurde ein Konzept eines kontinuierlichen Bereitstellungsprozesses (Continuous Delivery) sowie des operativen Betriebs der FDS-Anwendung im IGZ-Rechenzentrum zwischen dem IGZ und WIT abgestimmt und ausgearbeitet.
Zu diesem Zweck stellt WIT dem IGZ über eine Build Pipeline alle ausführbaren Artefakte zum Download bereit.

Das IGZ betreibt und überwacht die FDS-Anwendung in seinem eigenen Rechenzentrum. Dabei kommt Spring Boot Actuator für die kontinuierliche Überwachung verschiedener Metriken zum Einsatz.
Stenon hat die N-Dügebedarfsermittlung nach N-Expert über die FDS-Schnittstelle in ihre FarmLab-Web-Applikation integriert. Benutzer können so zwischen der Düngungsempfehlung nach Düngungsverordnung (DüV) und N-Expert wählen.

N-Expert berechnet Düngeempfehlungen nach wissenschaftlichen Kriterien und guter fachlicher Praxis. Es basiert auf aktuellen Informationen über den Nährstoffbedarf (N, P, K, Mg) von allen wichtigen Gemüsearten und von vielen weiteren Pflanzenarten, die in der Fruchtfolge mit Gemüse angebaut werden können.

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