IoT в растениевъдството и Машини и приложения за събиране на данни

В настоящата статия отново се спираме на приложението на Internet технологиите в растениевъдството. В няколко предходни статии разгледахме водещите тенденции в тази област, сензорите, методите за автоматизация и водене на прецизно земеделие. В този брой фокус са данните и информацията, обуславящи приложението на Internet технологиите. Разглеждаме съвременни методи за събиране, обработка и анализ.

Текст: списание АгроБио Техника

В предишни броеве разгледахме общите тенденции, които се забелязват при навлизането на интелигентни технологии и интернет на нещата (Internet of Things - IoT) в растениевъдството, какви видове сензори се използват и съответно как се прилагат данните от тях, заедно с методи за автоматизация и прецизно земеделие, във всяка от основните земеделски операции, от сеитбата или засажденето до доставката на готовата продукция. Сега обръщаме повече внимание от една страна на значението на данните, които се събират, множеството начини, които могат да бъдат използвани, включително от трети страни, с цел гарантиране на качеството на растителните продукти. От друга страна ще разгледаме основните промени, които настъпват в използваното в земеделието оборудване, включително дронове. Ще обърнем също внимание на използването на IoT при по-малки стопанства, както и на приложението му в парниковото земеделие.

В основата на интелигентите технологии в земеделието са събраните данни, които се използват не само за управление на процесите по оптимален начин, но и след прибиране на реколтата, за да бъде проследена продукцията и да бъде гарантиран нейният произход. Но освен по отношение на сензорите и средствата за предаване и обработване на данни, земеделието е поле на развитие и на друга част от оборудването като автономни превозни средства, чието използване е много подходящо за контролирана среда, каквато са земеделските площи в сравнение с магистралите или градските улици. Използват се също така много дронове, не само за наблюдение, което само по себе си спестява време и усилие на работниците, но и за извършване на определени операции, например пръскане с пестициди.

От този тип технологии първи се възползват големите земеделски производители, но след като различните устройства и системи стават все по-достъпни финансово и лесни за употреба, започват да бъдат прилагани и в по-малки стопанства и в парниковото земеделие

Значението на данните

Големи платформи, подпомагани от изкуствен интелект, използват огромно количество данни, подавани в реално време, за да дадат възможност за взимането на по-добри решения при производството на храна. Машинно обучение и анализ на данни за селскостопанските платформите, подпомагани от изкуствен интелект, ще продължат да осигуряват дългосрочни подобрения в производството чрез по-добро разбиране на всички процеси в земеделието.

Данните са от централно значение за интернет на нещата и за да бъде оптимизирано селскостопанското производство, устройствата, свързани в такива мрежи, трябва да събират и обработват данни в повтарящи се цикли, което дава възможност на растениевъдите да реагират бързо при спешни случаи или промени в околната среда. Циклите се състоят от няколко етапа. При наблюдението се събират данни за съответните насаждения, почва или атмосферни условия. Следва диагностика - стойностите, засечени от сензорите, се подават към съответния софтуер с помощта на предварително дефинирани правила за взимане на решения. След установяване на проблемите, софтуерът взима решение дали е необходимо да се вземат мерки, специфични за конкретните обстоятелства. Съответното лечение трябва да се извършва чрез правилна работа на машините. След това цикълът се повтаря отново. Събирането и обработването на данни от земеделските стопанства за много продължителни периоди от време може да донесе по-фундаментална полза в дългосрочен план, защото може да ни предостави информация, която да промени или допълни знанията и разбиранията, които имаме за различните посеви, за влиянията, които им вредят или за изпълняването на различни земеделски операции.

Селскостопански машини

Работата на трактори, култиватори и други селскостопански машини може да бъде автоматизирана така, че да е нужна минимална или дори изобщо да не е нужна човешка насока на работата им. Широкото въвеждане на напълно автономни превозни средства по пътищата все още се очаква да стане далеч в бъдещето, но тяхното ограничено и контролирано използване се осъществява днес в растениевъдството. Земеделието е сред първите области, където навлизат подобни автономни машини по лесно обясними причини - засетите земеделски площи са открити, но контролирани пространства, без пешеходци и без условия за катастрофи. И тъй като няма човешка намеса или свързан с нея риск, е възможно интелигентните машини да се използват с по-висока ефективност. Системите за насочване и управление на автономни селскостопански машини могат точно да позиционират движещо се превозно средство в рамките на 30cm или по-малко отклонение с помощта на GPS. Системите с такива технологии заменят конвенционалното оборудване за пръскане с пестициди или за сеитба.

Ако настъпи повреда при селскостопанското оборудване, това може да доведе до забавяне на производствения процес или дори загуба на част от продукцията. Сега селскостопанските работници имат възможността да събират информация за състоянието и да управляват дистанционно машините, които се използват на терен. Телематиката на оборудването позволява различни машини, например трактори, да подават данни, които механиците да могат да видят и да установят, че има вероятност скоро да се стигне до някаква неизправност. Повечето от компаниите за селскостопанска техника изграждат телематични системи. Електронни сензори, монтирани на трактори и други съоръжения, проверяват как протичат планираните операции. След това чрез комуникационните системи в реално време се подават данни към централен компютър или се изпращат директно на заетите с това лица.

Съществуват инструменти за неравномерно торене, което се осъществява на базата на специфичните нужди в съответния участък за съответните посеви. Те използват карти на посевите и оптични данни за здравето на растенията, което се определя например според тяхното оцветяване, за да контролират влагането на гранулирани и течни торове. Тези инструменти могат да се управляват ръчно или автоматично, с помощта на бордовия компютър, насочван чрез GPS. Инструментите за променливо пръскане на посевите включват и изключват хербицидните спрейове и настройват количеството (и сместа) на прилагания спрей, които се определят в следствие на картографираното с помощта на различни сензори за местоположението на плевелите.

Увеличават се призивите за осъществяване, главно чрез стандартите ISOBUS, на съвместимост между различните селскостопански машини. Официалните първоначални усилия в тази посока започват с учредяването на фондация Eлектроника в селскостопанския сектор (Agricultural Industry Electronics Foundation) Групата вече включва повече от 170 компании, асоциации и организации, които активно си сътрудничат. Засега обаче не са постигнати значителни успехи, което създава проблеми при работата в реални условия, а на техническите експерти им е трудно да се справят с управлението на продукти от конкуриращи се производители.

Земеделски дронове

Днес селското стопанство е една от основните индустрии, в които се използват дронове, чието приложение е свързано с оптимизирането на различни земеделски процеси. Различни модели се използват за оценка на здравето на културите, по-общо наблюдение на състоянието на посевите и тяхната околна среда, напояване, пръскане на култури, сеитба, засаждане и анализ на почвата и терена. Основните ползи от въвеждането на дроновете включват възможност за прецизно картографиране на земеделските площи благодарение на възможността за висококачествени изображения и използването на GPS, лесно използване и спестяване на време, като всичко това допринася за увеличаване на количеството и качеството на добива. С планиране и стратегия, базирани на събиране и обработване на данни в реално време, дроновете ще превърнат земеделието във високотехнологична индустрия.

Дронове се използват основно за наблюдение, като предварително се въвеждат координатите на площите, за които трябва да се съберат данни, избира се височина на летене и резолюция, като след събирането на различни изображения, включително мултиспектрални и термални, дронът каца на същото място, от което е излетял. На базата на събраните данни могат да се направят заключения за здравето, развитието и количеството растения, да се измери височината на растенията, да се картографира листната покривка, наличните водни ресурси, нивата на хлорофил, на азот, наличието на плевели сред засетите култури, да се направят предвиждания за количеството реколта.

Освен за набавяне на данни с цел дългосрочно планиране, дроновете могат да се използват за управлението на различни процеси в земеделието, защото чрез изображенията и картите, които предоставят, земеделският производител получава незабавно информация за това кои култури спешно се нуждаят от внимание. Освен осъществяването на по-ефикасно наблюдение, дроновете могат също да се използват за извършването на основни земеделски процеси като засаждане, напояване, плевене, пръскане с хербициди. Така не е нужно влагането на много време и усилия от страна на селскостопанските работници. Едно от последните нововъведения при този тип технологии са опитите за използването на дронове за подпомагане на процеса на опрашване, който естествено се извършва от пчелите, но през последните години техните популации значително намаляват, което създава проблеми за голяма част от растениевъдството.

Споделяне на данни

Към момента не могат да се изчислят точните финансови въздействия от приложението в селското стопанство на технологии, които проследяват растителните култури от тяхната сеитба до получаването им в търговските обекти, особено що се отнася до съхранението и транспорта, но те със сигурност предотвратяват значителни загуби на продукция и съответно повишават печалбите от земеделското производство. Свързването на процесите на доставка и мониторинг на селскостопански стоки с използване на споделен, децентрализиран регистър, основан на блокчейн, допринася за по-висока стойност на селскостопанските продукти, тъй като машините и растителните култури могат да бъдат проследени от получателя на доставките и така да се докаже качеството, етичният и екологичен произход на продуктите.

Фирмите, които купуват селскостопанска продукция, имат интерес да разполагат с възможно най-много информация за продукта, преди да се ангажират с транзакцията. Тази информация може да се отнася до всякакви показатели - от количеството въглехидрати (захари) и киселини в доматите, които влияят на вкуса, до данни за здравето на посевите, които дори могат да помогнат на банки и други институции да предвидят дали една ферма ще може да изплати заемите си. Има приложения, които събират данни от сензори, електронни таблици, и други източници по веригата за доставки, за да дадат на търговците, които изкупуват реколтата, подробна информация за характеристиките на продукцията. Данни като светлина, влажност, температура на въздуха, цвят на доматите, съдържание на сол и захар и нивата на рН се въвеждат в блокчейн регистър. Проследяването на тази информация помага продуктите да бъдат доставени на клиентите, когато те са в най-добро състояние, което намалява количеството изхвърлена храна. Използва се също за проследяване на стоки в насипно състояние и като средство за намаляване на търговските измами или незаконно събиране на реколта. Някои компании за кафе използват блокчейн, за да се уверят, че пратките и смесването на различните видове зърна се извършват по правилния начин.

Интелигентни оранжерии

Парниковото земеделие помага за повишаване на добива на зеленчуци, плодове и други растителни култури. Оранжериите контролират и поддържат оптимални екологични параметри - това се осъществява или ръчно, от работници, или чрез механизми, чиято работа е насочвана от предварително зададени пропорции. Тъй като ръчното извършване на различни дейности е свързано с разходи за труд, а понякога с излишна консумация на енергия и производствени загуби, тези методи се считат за по-малко ефективни. Интелигентните оранжерии могат да бъдат проектирани с помощта на интернет на нещата - в този случай компютърни системи следят средата, в която се развиват растенията, и на базата на данните в реално време контролират климатичните условия. За контролиране на околната среда в интелигентна оранжерия се използват различни сензори, които измерват множество параметри в съответствие с изискванията на съответните растения. Може да бъде създаден облачен сървър за достъп до системата от разстояние, свързан чрез IoT. По този начин системата може да бъде насочвана автоматично или различни процеси да бъдат задействани от разстояние, но във всеки случай се премахва нуждата от постоянно наблюдение от страна на работници в самата оранжерия.

Съществуват модерни и в същото време икономични интелигентни оранжерии, проектирани така, че да се захранват със слънчева енергия. Със сензори се следят съотношението на различните газове във въздуха, консумацията на вода, а сигнали за тези стойности могат да бъдат подавани чрез SMS до земеделския производител. В тези оранжерии напояването се извършва автоматичното. Сензори следят и предоставят данни също за нивата на светлина, налягането, влажността на въздуха и температура. В следствие на тези данни чрез автоматизирана система от маханизми може да бъде отворен прозорец, да бъде включено допълнително средство за осветление, отопление, вентилация, като всичко това се управлява чрез WiFi сигнал.

Приспособяване към мащабите на дребните земеделски производители

Интелигентните сензорни технологии са вплетени в съвременния едър агробизнес и важен въпрос на този етап от тяхното развитие е какъв ще бъде ефектът върху хранително-вкусовата промишленост, на местно ниво и в световен мащаб, от навлизането на употребата им в по-малките стопанства. Тъй като първоначално само големите производители разполагаха с достатъчно средства за инвестиция в скъпите сензори, инфраструктурата за обработка на данните и свързаното с нея селскостопанско оборудване, те придобиха предимство, което имаше като резултат по-добри добиви. В целия свят технологиите за прецизно земеделие стават все по-широко достъпни. Нови преносими устройства могат да правят измервания относно здравето на растенията и състоянието на почвата. Производителите и разработчиците на такива уреди разпознават възможностите, които предлага интегрирането на този тип земеделски технологии в по-малък мащаб. Сензорите, приложенията за смартфон и устройства с малки размери позволяват на дребните стопанства да се възползват от технологиите за прецизно земеделие и дават възможност за изграждане на IoT в съответните стопанства - събиране и бърза обработка на данни, които да предоставят актуална и приложима информация относно засяването, плевенето, торенето и поливането. Тези приложения събират данни от преносими сензори, дистанционни сензори и метеорологични станции, като създават задълбочени анализи и дават ценни препоръки. Приложенията, разработени с мисъл за дребните стопанства, могат да предоставят за анализ от специалисти снимки на растения, които може да са болни, чрез сензори в почвата и по цвета на листата могат да установят от какви хранителни вещества се нуждаят посевите, а чрез снимки, направени с ултравиолетова светлина, може да се прецени доколко е узряла реколтата. Бъдещото развитие на прецизното земеделие и IoT в агробизнеса вероятно ще включва увеличаване на използването на автономни селскостопански превозни средства, както и подобрено безжично предаване на данни. Усъвършенстваните по отношение на индустриалното производство процеси и технологии ще намират все повече приложения в селското стопанство.