Vatten är den viktigaste resursen för liv, både för människor och för de grödor vi konsumerar. Runt om i världen står jordbruket för 70 % av all sötvattenanvändning.

Jag studerar datorer och informationsteknologi vid Purdue Polytechnic Institute och leder Purdues Environmental Networking Technology (ENT) Laboratory, där vi tacklar hållbarhets- och miljöutmaningar med tvärvetenskaplig forskning om Agricultural Internet of Things, eller Ag-IoT.

Internet of Things är ett nätverk av objekt utrustade med sensorer så att de kan ta emot och överföra data via internet. Exempel inkluderar bärbara träningsapparater, smarta hemtermostater och självkörande bilar.

Inom jordbruket handlar det om teknologier som trådlös underjordisk kommunikation, underjordisk avkänning och antenner i jord. Dessa system hjälper jordbrukare att spåra förhållandena på sin mark i realtid och applicera vatten och andra insatser som gödsel precis när och var de behövs.

I synnerhet har övervakningsförhållandena i marken stora löften för att hjälpa bönder att använda vatten mer effektivt. Sensorer kan nu integreras trådlöst i bevattningssystem för att ge realtidsmedvetenhet om markfuktighetsnivåer. Studier tyder på att denna strategi kan minska efterfrågan på vatten för bevattning med allt från 20 % till 72 % utan att hindra den dagliga driften på odlingsfält.

Vad är Agricultural Internet of Things?

Även på torra platser som Mellanöstern och Nordafrika är jordbruk möjligt med effektiv vattenhantering. Men extrema väderhändelser som drivs av klimatförändringar gör det svårare. Återkommande torka i västra USA under de senaste 20 åren, tillsammans med andra katastrofer som skogsbränder, har orsakat miljarder dollar i skördförluster.

Vattenexperter har mätt markfuktigheten för att informera om vattenförvaltning och bevattningsbeslut i årtionden. Automatiserade tekniker har till stor del ersatt handhållna jordfuktighetsverktyg eftersom det är svårt att göra manuella markfuktavläsningar i produktionsfält på avlägsna platser.

Under det senaste decenniet har trådlös datainsamlingsteknik börjat ge realtidsåtkomst till markfuktighetsdata, vilket ger bättre beslut om vattenhantering. Dessa tekniker kan också ha många avancerade IoT-tillämpningar inom allmän säkerhet, övervakning av stadsinfrastruktur och livsmedelssäkerhet.

The Agricultural Internet of Things är ett nätverk av radioapparater, antenner och sensorer som samlar information om grödor och jord i realtid på fältet. För att underlätta datainsamling är dessa sensorer och antenner sammankopplade trådlöst med jordbruksutrustning. Ag-IoT är ett komplett ramverk som kan upptäcka förhållanden på jordbruksmark, föreslå åtgärder som svar och skicka kommandon till jordbruksmaskiner.

Sammankopplade enheter som jordfuktighet och temperatursensorer i fält gör det möjligt att styra bevattningssystem och spara vatten autonomt. Systemet kan schemalägga bevattning, övervaka miljöförhållanden och styra jordbruksmaskiner, såsom fröplanteringsmaskiner och gödningsapplikatorer. Andra tillämpningar inkluderar uppskattning av marknäringsnivåer och identifiering av skadedjur.

Utmaningarna med att lägga nätverk under jord

Trådlös datainsamling har potentialen att hjälpa jordbrukare att använda vatten mycket mer effektivt, men att lägga dessa komponenter i marken skapar utmaningar. Till exempel, vid Purdue ENT Lab, har vi funnit att när antennerna som sänder sensordata är begravda i jord, förändras deras funktionsegenskaper drastiskt beroende på hur fuktig jorden är. Min nya bok, "Signaler i jorden", förklarar hur detta går till.

Jordbrukare använder tung utrustning på fälten, så antenner måste begravas tillräckligt djupt för att undvika skador. När marken blir blöt påverkar fukten kommunikationen mellan sensornätverket och styrsystemet. Vatten i marken absorberar signalenergi, vilket försvagar signalerna som systemet sänder. Tätare jord blockerar också signalöverföringen.

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. + Utforska vidare

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

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.