IoT в растениевъдството

Приложения във всички операции

Новите технологии, свързани с интернет на нещата, навлизат във всеки един аспект от земеделието. Със сензори се изследват съставът и състоянието на почвите, както и семената, така че след това, в зависимост от установените специфики, се извършва сеитба и торене с променлива норма. С най-новите технологии може да се следят метеорологичните условия и влажността, които да насочват автоматизирани системи за напояване. Също в реално време може да се наблюдава състоянието на насажденията и по-лесно да се откриват вредители (фитопатогени - причинителите на болести, плевели и неприятели), които да бъдат контролирани с машини, които позволяват по-прецизна и променлива настройка, така че не само да се изразходват най-малко средства, но и за да не попадат в почвата излишни количества пестициди или изкуствени торове.

Интелигентните технологии навлизат и при събирането на реколтата, и при нейното съхранение и транспорт – автоматизираното поддържане на най-добри условия в складовете и превозните средства за доставка, както и възможността за надеждно проследяване на пратките чрез блокчейн, позволява да се намалят загубите от развалена продукция.

Текст: списание АгроБио Техника

В предишната ни статия, посветена на прилагането на интернет на нещата (Internet of Things - IoT) в растениевъдството, отбелязахме някои общи тенденции в тези технологии и разгледахме по-подробно различните видове сензори, които се използват за набавянето на данните, които са в основата на това развитие в земеделието. В този брой ще обърнем внимание на това как интелигентните технологии и автоматизацията навлизат и се вписват в различните земеделски практики, от засаждането до събирането на реколтата, съхранението и доставката є.

Растеж и развитие на земеделските културите

Едно от големите предизвикателства пред земеделието е изборът на семена и разсад, за да се постигне ефективност при покълването, растежа и развитието на културите. Във връзка с това се разработват различни технологии. За измерване на жизнеспособността на някои семена се прилага термично изображение, базирано на инфрачервени сензори. Използваният метод е регресивен анализ, основан на характеристиките на термичния разпад. Установяването на влага в оризови семена протича на базата на микровълнови измервателни техники. Могат да бъдат приложени различни оптични сензори, използващи 3D камери, лазерни сензори, хиперспектрални изображения. С цел изследване на циркадния ритъм на растенията е проектирана конфигуриращата се камера със система за компютърно зрение и контролирано осветление, където могат да бъдат изследвани и регистрирани вариациите във формата на развиващите се растения на определени интервали от време. Поглъщането на азот през зимата от пшеничните семена е определящо за последващия растеж на посевите. Проектирана е трисензорна система за засичане на спектралното отразяване от листата с цел наблюдение на поглъщането на азот от надземната част на растенията. Важна е също функцията на хлорофила при процеса на фотосинтеза. Флуоресценцията на хлорофила може да бъде дефинирана като червена светлина, излъчвана от фотосинтетична тъкан, когато тя е активирана от светлинен източник. Това е явление, което позволява да се получи важна информация за здравословното състояние на фотосинтетична проба.

Засяването с променлива норма (наричано също понякога засяване с променлива скорост) се изразява във възможността за промяна на сеитбената норма при засяването, като решението за тези различни норми е свързано със спецификите на различните участъци на земеделските площи, които предполагат различна оптимална гъстота на посевите. Тази функция отговаря на естествената склонност на производителите да се опитат да използват земеделските площи в максимална степен, за да се възползват от всички възможности за увеличаване на добивите. Засяването с променлива норма ще има все по-голямо значение в прецизното земеделие, към момента то все още се използва върху по-малко от 10% от земеделските площи, но технологиите, които дават възможност за събирането на данни, които ще са полезни за такива операции, се развиват все повече. Така се увеличават шансовете за повече и по-добра реколта на производители, които използват тази практика в своите стопанства. Друг подобен процес е торенето с променлива норма, някои форми на което се използват от години, като през последните няколко става все по-изразен интересът към контролирането на нивата на азота. Главната трудност пред управлението на азотното съдържание е сложността на азотния кръговрат.

Напояване

Напредъкът в напояването е един от факторите, който може да доведе до значително нарастване на добива. В световен мащаб само 20% от земеделските площи се напояват, но те дават 40% от крайната реколта. Проследяването на влагата в почвата, както и разпространението и усъвършенстването на интелигентните системи за напояване, са в сърцевината на революцията, която се извършва в селското стопанство. Тъй като земеделците започват да поставят сензори в почвата, индустрията се учи как да усъвършенства методите и технологиите за напояване, за да отговори на специфичните нужди в различни райони. Много земеделци използват предвидените максимални нужди от вода, за да планират и управляват напояването на насажденията си. Те избират честотата на напояване и количеството вода така, че да съответстват на средното максимално потребление на посевите, но по този начин те доставят близо до правилното количество вода в разгара на сезона и повече от необходимата вода в началото и в края му, без изобщо да отчитат вариации на нуждите в самите земеделски участъци. Използването на сензори помага при управлението на сезонното напояване, подавайки по-малко вода рано и късно през сезона. Ако се поставят достатъчно сензори, които да дават информация за всички участъци на засетите площи, може да се приложи диференцирано напояване, при което се постига равномерна влага в почвата, намалява се използването на водни ресурси, добива и качеството на реколтата се повишават. Но пред разработването и използването на сензори за нуждите на напояването има и много предизвикателства. Почвата никога не е еднаква в границите дори на малки участъци с насаждения, още по-малко в цяло стопанство или регион и тази вариабилност често става по-ясна при поставянето на сензори. Тъй като сензорите стават по-малки, по-евтини и по-лесни за използване, земеделските стопани започват да ги използват в по-големи количества, за да получат по-точна и динамична картина на случващото се с техните насаждения. Множеството сензори статистически повишават точността на измерванията и само чрез тях може да се проследят динамичните промени, които протичат през различните сезони. Например, една зона, която е влажна през пролетта, може да изсъхне и по-късно да се нуждае от повече напояване в сравнение с други участъци, защото културите са извлекли голямо количество от първоначалната влага. Ако сензори не следят тези промени, с времето много участъци ще останат сухи или обратното, ще бъдат прекалено напоени, което също понижава количеството и качеството на реколтата. Измерванията на базата на сензори се използват все по-широко, за да осигурят нови, по-детайлни данни за нивото на влага, солеността на почвата, ефективност на торове и реакция на растенията към тези променливи. Това дава възможност на земеделските производители да предприемат действия в най-кратък срок, защото данни се подават в реално време и по тях може да се разбере кога дадени насаждения изпитват стрес от ниските нива на влажност.

Иновациите в технологиите за прецизно напояване стават все по-важни, тъй като на много места земеделските производители се сблъскват с недостиг на вода поради суша, изчерпване на водоносния хоризонт или пренасочване на водните ресурси. Най-новите технологии в тази област позволяват на селскостопанските производители дистанционно да наблюдават и контролират почти всички аспекти на дейностите, свързани с напояването. Системите спестяват вода, време, гориво и амортизация на оборудването. Друг голям напредък представлява прецизното мобилно капково напояване, при което водата се доставя директно до растението, така че изпарението и отклонението поради вятъра са практически елиминирани, което позволява повече вода да достигне корените.

Вредители

Заради различни фитопатогени и неприятели, които могат да навредят на насажденията и да нанесат значителни загуби, се налага използването на различните методи за наблюдение и взимането на своевременни мерки. Сред различните средства, разработени в тази насока, е например уловка за насекоми, снабден с визуален сензор, като множество такива уловки имат безжична сензорна мрежа и изображенията от тях се изпращат към контролна станция. Съществува също така метод, наречен полимеразна верижна реакция в реално време (RT-qPCR), чрез който се откриват вируси по растенията (например вируса на тютюневата мозайка). Развиват се и нови технологии за установяването на развитието на микроорганизми върху кореновата система на растенията, например на картофи, чрез активизиране на материал с флуоресцентни свойства и създаване на изображения чрез конфокален лазерен сканиращ микроскоп. Съществуват и сензори, които комбинират камерите с акустични сензори, които установяват размерите на плевелите.

При друг вид уловки се използват феромони, чрез които се примамват и улавят конкретни неприятели. След като това се осъществи успешно, информацията се изпраща безжично обратно към базова станция и смартфона или компютъра на земеделския производител, който след това е в състояние да види сателитно изображение на земеделските площи, броя на вредителите, уловени във всяка отделна уловка, заедно с информация за тенденциите през дълъг период от време и съответното използване на пестициди. По този начин, чрез автоматизирането на процеса на проверка на уловките, се дава възможност за по-добра преценка къде и колко пестициди да се използват в границите на определени земеделски площи.

Щом бъдат засечени и със сигурност е установено наличието на семена на плевели, тяхното отстраняване трябва да се извърши най-ефективно, но без да се нанася вреда на насажденията. Разработват се машини, които да могат да се справят с плевелите както между лехите, така и вътре в тях – растенията, поникнали между лехите, се отстраняват, а за тези вътре в лехите се използват препарати. За плевелите при пшеницата и ечемика се използва брана, оборудвана с биспектрални камери, които установяват коя част от листната покривка е от културата, коя от плевелите и каква е почвената плътност.

Прибиране на реколтата

Важни за всяко планиране в земеделието са предвижданията за добива и възможността за въздействия или щети върху реколтата. Вегетативният растеж и добивите се изследват на базата на електрическото съпротивление на почвата и чрез спомагателна топография. Анализира се ефекта върху добива, причинен от намаляване на плътността на почвата. При различни насаждения, например грозде, за предвиждания на добива и оценка на площта на листната покривка се използва RGB камера, прилагат се морфологични методи и подходи за класификация.

Следенето на определени характеристики и елементи, регистрирането на техните стойности и подаването на тази информация в реално време е от ключово значение за напредъка на автоматизацията на земеделието. При събирането на реколтата се залага на сензори, които да установяват цвета на плодовете и на базата на предварително заложени цветови модели да преценят дали са достатъчно узрели, за да бъдат обрани. Освен чрез визуални сензори, степента на узряване на плодовете се установява и на базата измервания при допир. По отношение на реколтата, технологиите за компютърно зрение заемат централно място и в тази посока има множество разработки. Данните, които могат да бъдат придобити по този начин, могат да бъдат използвани за взимането на решения при гранични стойности, когато ще е много по-ефикасно, ако не се налага някой работник на място да преглежда цялата продукция ръчно. С компютърното зрение може да се инспектира качеството на реколтата още преди да бъде обрана, да се намират различни замърсители, които я увреждат. За тази дейност помагат подобряването на операционните възможности на облачно базираните приложения и технологиите за комуникация.

Разработено в началото на 90-те години, картографирането на добива се счита за една от ключовите технологии в прецизното земеделие. То се прилага вместо ръчното изчисляване на количеството реколта на определени земеделски площи. Картографирането на добива се осъществява чрез сензори, монтирани върху комбайн, и позволява на земеделските производители да регистрират в реално време събраната реколта. Тази технология позволява да се сравнява разпределението на добива в рамките на различните участъци година след година, за да определят кои области се нуждаят от повече напояване, или да се установи къде се произвежда много малко или дори никаква реколта. Системите за картографиране на добива са сред най-популярните технологии за прецизно земеделие, тъй като боравенето с тях е изключително лесно.

Транспорт и съхранение

Първата търговия на селскостопанска продукция с помощта на блокчейн, беше извършена през декември 2017г. и се състоеше в продажбата и доставката на 60 000 тона соя в Китай. Вероятно такава търговия ще е начинът, по който блокчейн отначало ще се използва в селското стопанство – децентрализиране на транзакциите и самоизпълнение на електронни договори. Повечето от ранните приложения на блокчейн технологиите в земеделието са свързани с проследимостта на доставките. Един блокчейн регистър може да записва и актуализира информацията за посевите от сеитбата или засаждането до прибирането на реколтата и доставката. При операции от голям мащаб така се гарантира, че никой отделен товар няма да бъде изгубен, защото информация за състоянието на различните пратки е достъпна в реално време. Друг начин, по който блокчейн може да се използва, е за по-добро управление на ресурсите, например чрез тази технология може да се проследява поддръжката на оборудването или данните от различни сензори.

По-доброто контролиране на охлаждането в превозните средства по време на транспорт може да даде възможност продуктите да пристигнат в по-добро състояние, което води до повишаване на тяхната дълготрайност при престоя им в търговските обекти. Чрез създаването на оптимални маршрути и наблюдение и контрол на поддържаната в превозните средства температура, целият процес по транспорта може да бъде управляван дистанционно. В резултат, ресторантите могат да получават хранителни продукти от местни, възможно най-близки стопанства, и по този начин е възможно създаването на устойчиви мрежи от градини и аквапонични системи за снабдяване с някои основни растителни храни.

Значителен процент от произведените плодове и зеленчуци се изхвърлят поради лошото управление на доставките или проблеми с поддържането на оптимални условия за съхранение още в самите стопанства. За да се предотвратят загуби след прибиране на реколтата, земеделските производители трябва внимателно да следят условията, при които се съхранява продукцията. Един от важните показатели е концентрацията на CO2 в складовите помещения, която трябва да се поддържа под определено ниво, за да се предотврати появата на плесен. Съществуват интелигентни сензори, които установяват възможността от загуби поради такива причини с 3 до 5 седмици по-рано, отколкото с традиционните методи, при които се следи температурата.

Използването на децентрализирани регистри, базирани на блокчейн, които са лесно достъпни за всички участници в дадена операция, ще осигури по-безпроблемна комуникация относно различни действия, които трябва да се предприемат и така ще бъдат извършвани по-бързо. Те могат да включват прибиране на реколтата, извършване на промени, свързани със съхранението, поръчване на ново оборудване и т.н..