Landmænd kan spare på vandet med trådløse teknologier, men der er udfordringer, som at overføre data gennem mudder

Vand er den mest essentielle ressource for liv, både for mennesker og for de afgrøder, vi forbruger. Rundt om i verden står landbruget for 70 % af al ferskvandsforbrug.

Jeg studerer computere og informationsteknologi på Purdue Polytechnic Institute og leder Purdues Environmental Networking Technology (ENT) Laboratory, hvor vi tackler bæredygtighed og miljømæssige udfordringer med tværfaglig forskning i Agricultural Internet of Things, eller Ag-IoT.

Internet of Things er et netværk af objekter udstyret med sensorer, så de kan modtage og transmittere data via internettet. Eksempler omfatter bærbare fitnessenheder, smart home-termostater og selvkørende biler.

I landbruget involverer det teknologier som trådløs underjordisk kommunikation, underjordisk sensing og antenner i jord. Disse systemer hjælper landmænd med at spore forholdene på deres jord i realtid og tilføre vand og andre input, såsom gødning, præcis når og hvor de er nødvendige.

Især har overvågningsforhold i jorden store løfter om at hjælpe landmænd med at bruge vandet mere effektivt. Sensorer kan nu integreres trådløst i kunstvandingssystemer for at give real-time bevidsthed om jordens fugtniveauer. Undersøgelser tyder på, at denne strategi kan reducere vandbehovet til kunstvanding med alt fra 20 % til 72 % uden at hæmme den daglige drift på afgrødemarker.

Hvad er Landbrugets Internet of Things?

Selv på tørre steder som Mellemøsten og Nordafrika er landbrug muligt med effektiv vandforvaltning. Men ekstreme vejrbegivenheder drevet af klimaændringer gør det sværere. Tilbagevendende tørke i det vestlige USA gennem de sidste 20 år har sammen med andre katastrofer som naturbrande forårsaget milliarder af dollars i afgrødetab.

Vandeksperter har målt jordens fugtighed for at informere vandforvaltning og kunstvandingsbeslutninger i årtier. Automatiserede teknologier har i vid udstrækning erstattet håndholdte jordfugtighedsværktøjer, fordi det er svært at foretage manuelle jordfugtighedsmålinger i produktionsmarker fjerntliggende steder.

I det sidste årti er trådløse datahøstteknologier begyndt at give realtidsadgang til jordfugtighedsdata, hvilket giver bedre beslutninger om vandforvaltning. Disse teknologier kan også have mange avancerede IoT-applikationer inden for offentlig sikkerhed, overvågning af byinfrastruktur og fødevaresikkerhed.

The Agricultural Internet of Things er et netværk af radioer, antenner og sensorer, der samler information om afgrøder og jord i realtid i marken. For at lette dataindsamlingen er disse sensorer og antenner forbundet trådløst med landbrugsudstyr. Ag-IoT er en komplet ramme, der kan registrere forhold på landbrugsjord, foreslå handlinger som reaktion og sende kommandoer til landbrugsmaskiner.

Sammenkoblede enheder såsom jordfugtighed og temperatursensorer i marken gør det muligt at styre vandingssystemer og spare på vandet autonomt. Systemet kan planlægge vanding, overvåge miljøforhold og styre landbrugsmaskiner, såsom frøplantere og gødningsapplikatorer. Andre anvendelser omfatter estimering af jordens næringsstofniveauer og identifikation af skadedyr.

Udfordringerne ved at sætte netværk under jorden

Trådløs dataindsamling har potentialet til at hjælpe landmænd med at bruge vandet meget mere effektivt, men at sætte disse komponenter i jorden skaber udfordringer. For eksempel har vi på Purdue ENT Lab fundet ud af, at når antennerne, der transmitterer sensordata, er begravet i jord, ændres deres driftsegenskaber drastisk afhængigt af, hvor fugtig jorden er. Min nye bog, "Signaler i jorden," forklarer, hvordan dette sker.

Landmænd bruger tungt udstyr på marker, så antenner skal begraves dybt nok til at undgå skader. Når jorden bliver våd, påvirker fugten kommunikationen mellem sensornetværket og styresystemet. Vand i jorden optager signalenergi, hvilket svækker de signaler, som systemet sender. Tættere jord blokerer også for signaltransmission.

We have developed a theoretical model and an antenna that reduces the soil's impact on underground communications by changing the operation frequency and system bandwidth. With this antenna, sensors placed in top layers of soil can provide real-time soil condition information to irrigation systems at distances up to 650 feet (200 meters)—longer than two football fields.

Another solution I have developed for improving wireless communication in soil is to use directional antennas to focus signal energy in a desired direction. Antennas that direct energy toward air can also be used for long-range wireless underground communications.

What's next for the Ag-IoT

Cybersecurity is becoming increasingly important for the Ag-IoT as it matures. Networks on farms need advanced security systems to protect the information that they transfer. There's also a need for solutions that enable researchers and agricultural extension agents to merge information from multiple farms. Aggregating data this way will produce more accurate decisions about issues like water use, while preserving growers' privacy.

These networks also need to adapt to changing local conditions, such as temperature, rainfall and wind. Seasonal changes and crop growth cycles can temporarily alter operating conditions for Ag-IoT equipment. By using cloud computing and machine learning, scientists can help the Ag-IoT respond to shifts in the environment around it.

Finally, lack of high-speed internet access is still an issue in many rural communities. For example, many researchers have integrated wireless underground sensors with Ag-IoT in center pivot irrigation systems, but farmers without high-speed internet access can't install this kind of technology.

Integrating satellite-based network connectivity with the Ag-IoT can assist nonconnected farms where broadband connectivity is still unavailable. Researchers are also developing vehicle-mounted and mobile Ag-IoT platforms that use drones. Systems like these can provide continuous connectivity in the field, making digital technologies accessible for more farmers in more places. + Udforsk yderligere

Internet-based precision irrigation system shows promise for fresh-market tomato

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.