Фермеры могут экономить воду с помощью беспроводных технологий, но есть проблемы, такие как передача данных через грязь.
Вода является самым важным ресурсом для жизни, как для людей, так и для растений, которые мы потребляем. Во всем мире на сельское хозяйство приходится 70% всего потребления пресной воды .
Я изучаю компьютеры и информационные технологии в Политехническом институте Пердью и руковожу Лабораторией экологических сетевых технологий (ENT) Purdue , где мы решаем проблемы устойчивого развития и защиты окружающей среды с помощью междисциплинарных исследований в области сельскохозяйственного Интернета вещей или Ag-IoT.
Интернет вещей — это сеть объектов, оснащенных датчиками, чтобы они могли получать и передавать данные через Интернет. Примеры включают носимые фитнес-устройства, умные домашние термостаты и беспилотные автомобили.
В сельском хозяйстве используются такие технологии, как беспроводная подземная связь, подземное зондирование и антенны в почве. Эти системы помогают фермерам отслеживать состояние своих земель в режиме реального времени и вносить воду и другие средства, такие как удобрения, именно тогда и там, где они необходимы.
В частности, мониторинг условий в почве может помочь фермерам более эффективно использовать воду. Теперь датчики можно интегрировать в ирригационные системы по беспроводной связи, чтобы в режиме реального времени получать информацию об уровне влажности почвы . Исследования показывают, что эта стратегия может снизить потребность в воде для орошения на 20–72 %, не препятствуя ежедневной работе на полях .
Что такое сельскохозяйственный Интернет вещей?
Даже в таких засушливых местах, как Ближний Восток и Северная Африка, сельское хозяйство возможно при эффективном управлении водными ресурсами. Но экстремальные погодные явления , вызванные изменением климата , усложняют задачу. Периодические засухи на западе США за последние 20 лет, наряду с другими стихийными бедствиями, такими как лесные пожары, привели к потерям урожая на миллиарды долларов.
Специалисты по водным ресурсам десятилетиями измеряли влажность почвы, чтобы принимать решения по управлению водными ресурсами и ирригации. Автоматизированные технологии в значительной степени заменили ручные инструменты для измерения влажности почвы, потому что трудно снимать показания влажности почвы вручную на производственных полях в удаленных местах.
В последнее десятилетие беспроводные технологии сбора данных начали обеспечивать доступ в режиме реального времени к данным о влажности почвы, что позволяет принимать более эффективные решения по управлению водными ресурсами. Эти технологии также могут иметь множество передовых приложений IoT в области общественной безопасности, мониторинга городской инфраструктуры и безопасности пищевых продуктов.
Сельскохозяйственный Интернет вещей — это сеть радиостанций, антенн и датчиков , которые в режиме реального времени собирают информацию об урожае и почве в поле. Для облегчения сбора данных эти датчики и антенны соединяются по беспроводной связи с сельскохозяйственным оборудованием. Ag-IoT — это комплексная система, которая может определять условия на сельскохозяйственных угодьях, предлагать ответные действия и отправлять команды сельскохозяйственной технике.
Взаимосвязанные устройства, такие как датчики влажности почвы и температуры в поле, позволяют управлять системами орошения и автономно экономить воду . Система может планировать полив, отслеживать условия окружающей среды и управлять сельскохозяйственными машинами, такими как сеялки и устройства для внесения удобрений. Другие приложения включают оценку уровня питательных веществ в почве и выявление вредителей .
Проблемы размещения сетей под землей
Беспроводной сбор данных может помочь фермерам более эффективно использовать воду, но размещение этих компонентов в земле создает проблемы. Например, в ЛОР-лаборатории Purdue мы обнаружили, что когда антенны, передающие данные датчиков, заглублены в почву, их рабочие характеристики резко меняются в зависимости от влажности почвы. Моя новая книга « Сигналы в почве » объясняет, как это происходит.
Фермеры используют на полях тяжелую технику, поэтому антенны необходимо закапывать достаточно глубоко, чтобы избежать повреждений. Когда почва становится влажной, влага влияет на связь между сетью датчиков и системой управления . Вода в почве поглощает энергию сигнала, что ослабляет сигналы, которые посылает система. Более плотная почва также блокирует передачу сигнала.
Мы разработали теоретическую модель и антенну , которая снижает влияние грунта на подземные коммуникации за счет изменения рабочей частоты и полосы пропускания системы. С помощью этой антенны датчики, размещенные в верхних слоях почвы, могут передавать информацию о состоянии почвы в режиме реального времени в ирригационные системы на расстоянии до 650 футов (200 метров) — больше, чем два футбольных поля.
Другое решение, которое я разработал для улучшения беспроводной связи в почве, заключается в использовании направленных антенн для фокусировки энергии сигнала в нужном направлении. Антенны, направляющие энергию в воздух, также могут использоваться для дальней беспроводной подземной связи.
Что дальше для Ag-IoT
Кибербезопасность становится все более важной для Ag-IoT по мере ее развития. Сети на фермах нуждаются в передовых системах безопасности для защиты информации, которую они передают. Также необходимы решения, позволяющие исследователям и агентам по распространению сельскохозяйственных знаний объединять информацию с нескольких ферм. Объединение данных таким образом позволит принимать более точные решения по таким вопросам, как использование воды, сохраняя при этом конфиденциальность производителей.
Эти сети также должны адаптироваться к изменяющимся местным условиям, таким как температура, осадки и ветер. Сезонные изменения и циклы роста сельскохозяйственных культур могут временно изменить условия эксплуатации оборудования Ag-IoT. Используя облачные вычисления и машинное обучение, ученые могут помочь Ag-IoT реагировать на изменения в окружающей среде.
Наконец, отсутствие высокоскоростного доступа в Интернет по- прежнему является проблемой во многих сельских общинах . Например, многие исследователи интегрировали беспроводные подземные датчики с Ag-IoT в системы кругового орошения, но фермеры, не имеющие высокоскоростного доступа в Интернет, не могут установить такую технологию.
Интеграция подключения к спутниковой сети с Ag-IoT может помочь неподключенным фермам, где широкополосное подключение по-прежнему недоступно. Исследователи также разрабатывают автомобильные и мобильные платформы Ag-IoT, использующие дроны. Подобные системы могут обеспечить непрерывную связь в поле, делая цифровые технологии доступными для большего числа фермеров в большем количестве мест.
