L'acqua è la risorsa più essenziale per la vita, sia per l'uomo che per le colture che consumiamo. In tutto il mondo, l'agricoltura rappresenta il 70% di tutto il consumo di acqua dolce.

Studio computer e tecnologia dell'informazione al Purdue Polytechnic Institute e dirigo il laboratorio di tecnologia di rete ambientale (ENT) di Purdue, dove affrontiamo la sostenibilità e le sfide ambientali con la ricerca interdisciplinare sull'Internet delle cose agricolo, o Ag-IoT.

L'Internet delle cose è una rete di oggetti dotati di sensori in modo che possano ricevere e trasmettere dati tramite Internet. Gli esempi includono dispositivi fitness indossabili, termostati domestici intelligenti e auto a guida autonoma.

In agricoltura, coinvolge tecnologie come comunicazioni sotterranee wireless, rilevamento del sottosuolo e antenne nel suolo. Questi sistemi aiutano gli agricoltori a tenere traccia delle condizioni della loro terra in tempo reale e ad applicare acqua e altri input come fertilizzanti esattamente quando e dove sono necessari.

In particolare, il monitoraggio delle condizioni del suolo è molto promettente per aiutare gli agricoltori a utilizzare l'acqua in modo più efficiente. I sensori possono ora essere integrati in modalità wireless nei sistemi di irrigazione per fornire una consapevolezza in tempo reale dei livelli di umidità del suolo. Gli studi suggeriscono che questa strategia può ridurre la domanda di acqua per l'irrigazione dal 20% al 72% senza ostacolare le operazioni quotidiane sui campi coltivati.

Cos'è l'Internet delle cose agricolo?

Anche in luoghi aridi come il Medio Oriente e il Nord Africa, l'agricoltura è possibile con una gestione efficiente dell'acqua. Ma gli eventi meteorologici estremi guidati dal cambiamento climatico lo stanno rendendo più difficile. Siccità ricorrenti negli Stati Uniti occidentali negli ultimi 20 anni, insieme ad altri disastri come gli incendi, hanno causato perdite di raccolti per miliardi di dollari.

Gli esperti dell'acqua hanno misurato l'umidità del suolo per informare la gestione dell'acqua e le decisioni di irrigazione per decenni. Le tecnologie automatizzate hanno ampiamente sostituito gli strumenti manuali per l'umidità del suolo perché è difficile eseguire letture manuali dell'umidità del suolo nei campi di produzione in località remote.

Nell'ultimo decennio, le tecnologie wireless di raccolta dei dati hanno iniziato a fornire l'accesso in tempo reale ai dati sull'umidità del suolo, il che rende migliori decisioni sulla gestione dell'acqua. Queste tecnologie potrebbero anche avere molte applicazioni IoT avanzate nella sicurezza pubblica, nel monitoraggio delle infrastrutture urbane e nella sicurezza alimentare.

L'Internet delle cose agricolo è una rete di radio, antenne e sensori che raccolgono informazioni in tempo reale sul raccolto e sul suolo sul campo. Per facilitare la raccolta dei dati, questi sensori e antenne sono interconnessi in modalità wireless con le attrezzature agricole. L'Ag-IoT è un framework completo in grado di rilevare le condizioni sui terreni agricoli, suggerire azioni in risposta e inviare comandi alle macchine agricole.

Dispositivi di interconnessione come sensori di umidità del suolo e di temperatura sul campo consentono di controllare i sistemi di irrigazione e di conservare l'acqua in modo autonomo. Il sistema può programmare l'irrigazione, monitorare le condizioni ambientali e controllare le macchine agricole, come seminatrici e applicatori di fertilizzanti. Altre applicazioni includono la stima dei livelli di nutrienti nel suolo e l'identificazione di parassiti.

Le sfide di mettere le reti sottoterra

La raccolta dati wireless ha il potenziale per aiutare gli agricoltori a utilizzare l'acqua in modo molto più efficiente, ma mettere questi componenti nel terreno crea sfide. Ad esempio, al Purdue ENT Lab, abbiamo scoperto che quando le antenne che trasmettono i dati dei sensori sono sepolte nel terreno, le loro caratteristiche operative cambiano drasticamente a seconda di quanto è umido il terreno. Il mio nuovo libro, "Segnali nel suolo", spiega come ciò avvenga.

Gli agricoltori utilizzano attrezzature pesanti nei campi, quindi le antenne devono essere interrate abbastanza in profondità per evitare danni. Quando il terreno si bagna, l'umidità influisce sulla comunicazione tra la rete di sensori e il sistema di controllo. L'acqua nel terreno assorbe l'energia del segnale, che indebolisce i segnali inviati dal sistema. Il terreno più denso blocca anche la trasmissione del segnale.

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. + Esplora ulteriormente

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

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.