Οι αγρότες μπορούν να εξοικονομήσουν νερό με ασύρματες τεχνολογίες, αλλά υπάρχουν προκλήσεις – όπως η μετάδοση δεδομένων μέσω λάσπης

Το νερό είναι ο πιο ουσιαστικός πόρος για τη ζωή, τόσο για τον άνθρωπο όσο και για τις καλλιέργειες που καταναλώνουμε. Σε όλο τον κόσμο, η γεωργία αντιπροσωπεύει το 70% της συνολικής χρήσης γλυκού νερού.

Σπουδάζω υπολογιστές και τεχνολογία πληροφοριών στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Purdue και διευθύνω το Εργαστήριο Περιβαλλοντικής Τεχνολογίας Δικτύωσης (ENT) του Purdue, όπου αντιμετωπίζουμε τις προκλήσεις της αειφορίας και του περιβάλλοντος με διεπιστημονική έρευνα στο Αγροτικό Διαδίκτυο των Πραγμάτων ή Ag-IoT.

Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων είναι ένα δίκτυο αντικειμένων εξοπλισμένων με αισθητήρες ώστε να μπορούν να λαμβάνουν και να μεταδίδουν δεδομένα μέσω του Διαδικτύου. Παραδείγματα περιλαμβάνουν φορητές συσκευές γυμναστικής, έξυπνους οικιακούς θερμοστάτες και αυτοοδηγούμενα αυτοκίνητα.

Στη γεωργία, περιλαμβάνει τεχνολογίες όπως ασύρματες υπόγειες επικοινωνίες, ανίχνευση κάτω από την επιφάνεια και κεραίες στο έδαφος. Αυτά τα συστήματα βοηθούν τους αγρότες να παρακολουθούν τις συνθήκες στη γη τους σε πραγματικό χρόνο και να εφαρμόζουν νερό και άλλες εισροές, όπως λίπασμα, ακριβώς όταν και όπου χρειάζονται.

Λευκά ραβδιά ενσωματωμένα στο χώμα ανάμεσα σε μίσχους καλαμποκιού
Αισθητήρες τοποθετημένοι σε χωράφι καλαμποκιού.
Αμπντούλ ΣαλάμCC BY-ND

Ειδικότερα, η παρακολούθηση των συνθηκών στο έδαφος υπόσχεται πολλά για να βοηθήσει τους αγρότες να χρησιμοποιούν το νερό πιο αποτελεσματικά. Οι αισθητήρες μπορούν πλέον να ενσωματωθούν ασύρματα σε συστήματα άρδευσης για να παρέχουν σε πραγματικό χρόνο επίγνωση των επιπέδων υγρασίας του εδάφους. Μελέτες υποδεικνύουν ότι αυτή η στρατηγική μπορεί να μειώσει τη ζήτηση νερού για άρδευση από 20% σε 72% χωρίς να παρεμποδίζει τις καθημερινές λειτουργίες σε χωράφια.

Τι είναι το Agricultural Internet of Things;

Ακόμη και σε ξηρά μέρη όπως η Μέση Ανατολή και η Βόρεια Αφρική, η γεωργία είναι δυνατή με αποτελεσματική διαχείριση του νερού. Αλλά τα ακραία καιρικά φαινόμενα που προκαλούνται από την κλιματική αλλαγή το κάνουν πιο δύσκολο. Οι επαναλαμβανόμενες ξηρασίες στις δυτικές ΗΠΑ τα τελευταία 20 χρόνια, μαζί με άλλες καταστροφές όπως οι πυρκαγιές, έχουν προκαλέσει απώλειες σε καλλιέργειες δισεκατομμυρίων δολαρίων.

Οι ειδικοί στο νερό έχουν μετρήσει την υγρασία του εδάφους για να ενημερώσουν τις αποφάσεις διαχείρισης του νερού και άρδευσης εδώ και δεκαετίες. Οι αυτοματοποιημένες τεχνολογίες έχουν αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τα φορητά εργαλεία υγρασίας του εδάφους επειδή είναι δύσκολο να ληφθούν χειροκίνητες μετρήσεις υγρασίας εδάφους σε πεδία παραγωγής σε απομακρυσμένες τοποθεσίες.

Την τελευταία δεκαετία, οι ασύρματες τεχνολογίες συλλογής δεδομένων έχουν αρχίσει να παρέχουν πρόσβαση σε πραγματικό χρόνο στα δεδομένα υγρασίας του εδάφους, γεγονός που οδηγεί σε καλύτερες αποφάσεις διαχείρισης του νερού. Αυτές οι τεχνολογίες θα μπορούσαν επίσης να έχουν πολλές προηγμένες εφαρμογές IoT στη δημόσια ασφάλεια, την παρακολούθηση των αστικών υποδομών και την ασφάλεια των τροφίμων.

Το Agricultural Internet of Things είναι ένα δίκτυο ραδιόφωνων, κεραιών και αισθητήρων που συλλέγουν σε πραγματικό χρόνο πληροφορίες για τις καλλιέργειες και το έδαφος στο χωράφι. Για να διευκολυνθεί η συλλογή δεδομένων, αυτοί οι αισθητήρες και οι κεραίες διασυνδέονται ασύρματα με αγροτικό εξοπλισμό. Το Ag-IoT είναι ένα πλήρες πλαίσιο που μπορεί να ανιχνεύσει συνθήκες σε γεωργικές εκτάσεις, να προτείνει ενέργειες ως απάντηση και να στείλει εντολές στα γεωργικά μηχανήματα.

Γραφικό που δείχνει δορυφόρους, drones, ασύρματα υπόγεια συστήματα επικοινωνιών και άλλα ψηφιακά στοιχεία που συλλέγουν και μοιράζονται σήματα γύρω από ένα αγρόκτημα
Τεχνολογίες που μαζί αποτελούν το Αγροτικό Διαδίκτυο των Πραγμάτων.
Abdul Salam/Πανεπιστήμιο PurdueCC BY-ND

Η διασύνδεση συσκευών όπως αισθητήρες υγρασίας και θερμοκρασίας εδάφους στο χωράφι καθιστά δυνατό τον έλεγχο των συστημάτων άρδευσης και την αυτόνομη εξοικονόμηση νερού. Το σύστημα μπορεί να προγραμματίσει την άρδευση, να παρακολουθεί τις περιβαλλοντικές συνθήκες και να ελέγχει γεωργικές μηχανές, όπως φυτευτές σπόρων και συσκευές εφαρμογής λιπασμάτων. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν την εκτίμηση των επιπέδων θρεπτικών στοιχείων του εδάφους και τον εντοπισμό παρασίτων.

Οι προκλήσεις της υποβάθμισης των δικτύων

Η ασύρματη συλλογή δεδομένων έχει τη δυνατότητα να βοηθήσει τους αγρότες να χρησιμοποιούν το νερό πολύ πιο αποτελεσματικά, αλλά η τοποθέτηση αυτών των στοιχείων στο έδαφος δημιουργεί προκλήσεις. Για παράδειγμα, στο Purdue ENT Lab, ανακαλύψαμε ότι όταν οι κεραίες που μεταδίδουν δεδομένα αισθητήρων θάβονται στο έδαφος, τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους αλλάζουν δραστικά ανάλογα με το πόσο υγρό είναι το έδαφος. Το νέο μου βιβλίο, “Signals in the Soil”, εξηγεί πώς συμβαίνει αυτό.

Ένας επιστήμονας στέκεται δίπλα σε ένα δοκιμαστικό κρεβάτι με ξύλινο πλαίσιο που περιέχει εξοπλισμό ενσωματωμένο στο χώμα
Ο Abdul Salam λαμβάνει μετρήσεις σε ένα κρεβάτι δοκιμής στο Πανεπιστήμιο Purdue για να καθορίσει τη βέλτιστη συχνότητα λειτουργίας για υπόγειες κεραίες.
Αμπντούλ ΣαλάμCC BY-ND

Οι αγρότες χρησιμοποιούν βαρύ εξοπλισμό στα χωράφια, επομένως οι κεραίες πρέπει να είναι θαμμένες αρκετά βαθιά για να αποφευχθεί η ζημιά. Καθώς το έδαφος γίνεται υγρό, η υγρασία επηρεάζει την επικοινωνία μεταξύ του δικτύου αισθητήρων και του συστήματος ελέγχου. Το νερό στο έδαφος απορροφά την ενέργεια του σήματος, η οποία αποδυναμώνει τα σήματα που στέλνει το σύστημα. Το πυκνότερο έδαφος εμποδίζει επίσης τη μετάδοση σήματος.

Έχουμε αναπτύξει ένα θεωρητικό μοντέλο και μια κεραία που μειώνει την επίδραση του εδάφους στις υπόγειες επικοινωνίες αλλάζοντας τη συχνότητα λειτουργίας και το εύρος ζώνης του συστήματος. Με αυτήν την κεραία, οι αισθητήρες που τοποθετούνται σε ανώτερα στρώματα εδάφους μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για την κατάσταση του εδάφους σε πραγματικό χρόνο σε συστήματα άρδευσης σε αποστάσεις έως και 200 ​​μέτρα – μεγαλύτερες από δύο γήπεδα ποδοσφαίρου.

Μια άλλη λύση που έχω αναπτύξει για τη βελτίωση της ασύρματης επικοινωνίας στο έδαφος είναι η χρήση κατευθυντικών κεραιών για την εστίαση της ενέργειας του σήματος προς μια επιθυμητή κατεύθυνση. Οι κεραίες που κατευθύνουν την ενέργεια προς τον αέρα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για ασύρματες υπόγειες επικοινωνίες μεγάλης εμβέλειας.

Δύο μεταλλικά ραδιόφωνα στο έδαφος
Χρησιμοποιώντας ραδιόφωνα που καθορίζονται από λογισμικό για την ανίχνευση σημάτων μέτρησης εδάφους. Αυτά τα ραδιόφωνα μπορούν να προσαρμόσουν τις συχνότητες λειτουργίας τους ανάλογα με τις αλλαγές της υγρασίας του εδάφους. Στην πραγματική λειτουργία, τα ραδιόφωνα είναι θαμμένα στο χώμα.
Αμπντούλ ΣαλάμCC BY-ND

Τι ακολουθεί για το Ag-IoT

Η κυβερνοασφάλεια γίνεται όλο και πιο σημαντική για το Ag-IoT καθώς ωριμάζει. Τα δίκτυα στις φάρμες χρειάζονται προηγμένα συστήματα ασφαλείας για την προστασία των πληροφοριών που μεταφέρουν. Υπάρχει επίσης ανάγκη για λύσεις που επιτρέπουν στους ερευνητές και τους πράκτορες γεωργικής επέκτασης να συγχωνεύουν πληροφορίες από πολλές φάρμες. Η συγκέντρωση δεδομένων με αυτόν τον τρόπο θα παράγει πιο ακριβείς αποφάσεις για θέματα όπως η χρήση του νερού, διατηρώντας παράλληλα το απόρρητο των καλλιεργητών.

Αυτά τα δίκτυα πρέπει επίσης να προσαρμοστούν στις μεταβαλλόμενες τοπικές συνθήκες, όπως η θερμοκρασία, οι βροχοπτώσεις και ο άνεμος. Οι εποχικές αλλαγές και οι κύκλοι ανάπτυξης των καλλιεργειών μπορούν να αλλάξουν προσωρινά τις συνθήκες λειτουργίας του εξοπλισμού Ag-IoT. Χρησιμοποιώντας το cloud computing και τη μηχανική μάθηση, οι επιστήμονες μπορούν να βοηθήσουν το Ag-IoT να ανταποκριθεί στις αλλαγές στο περιβάλλον γύρω του.

Τέλος, η έλλειψη πρόσβασης στο Διαδίκτυο υψηλής ταχύτητας εξακολουθεί να αποτελεί πρόβλημα σε πολλές αγροτικές κοινότητες. Για παράδειγμα, πολλοί ερευνητές έχουν ενσωματώσει ασύρματους υπόγειους αισθητήρες με Ag-IoT σε συστήματα άρδευσης κεντρικού άξονα, αλλά οι αγρότες χωρίς πρόσβαση στο διαδίκτυο υψηλής ταχύτητας δεν μπορούν να εγκαταστήσουν αυτό το είδος τεχνολογίας.

Η ενσωμάτωση της συνδεσιμότητας δικτύου που βασίζεται σε δορυφόρους με το Ag-IoT μπορεί να βοηθήσει μη συνδεδεμένα αγροκτήματα όπου η ευρυζωνική συνδεσιμότητα δεν είναι ακόμη διαθέσιμη. Οι ερευνητές αναπτύσσουν επίσης πλατφόρμες Ag-IoT τοποθετημένες σε οχήματα και κινητές πλατφόρμες που χρησιμοποιούν drones. Συστήματα όπως αυτά μπορούν να παρέχουν συνεχή συνδεσιμότητα στο πεδίο, καθιστώντας τις ψηφιακές τεχνολογίες προσβάσιμες για περισσότερους αγρότες σε περισσότερα μέρη.

Author: admin

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.