Water is de meest essentiële hulpbron voor het leven, zowel voor de mens als voor de gewassen die we consumeren. Over de hele wereld is de landbouw goed voor 70% van al het zoetwatergebruik.

Ik studeer computers en informatietechnologie aan het Purdue Polytechnic Institute en leid Purdue's Environmental Networking Technology (ENT) Laboratory, waar we duurzaamheids- en milieu-uitdagingen aanpakken met interdisciplinair onderzoek naar het Agricultural Internet of Things, of Ag-IoT.

Het Internet of Things is een netwerk van objecten die zijn uitgerust met sensoren zodat ze gegevens kunnen ontvangen en verzenden via internet. Voorbeelden zijn draagbare fitnessapparaten, slimme huisthermostaten en zelfrijdende auto's.

In de landbouw gaat het om technologieën zoals draadloze ondergrondse communicatie, ondergrondse detectie en antennes in de bodem. Deze systemen helpen boeren de omstandigheden op hun land in realtime te volgen en water en andere inputs zoals kunstmest precies toe te passen wanneer en waar ze nodig zijn.

Met name het monitoren van de bodemgesteldheid is veelbelovend om boeren te helpen water efficiënter te gebruiken. Sensoren kunnen nu draadloos worden geïntegreerd in irrigatiesystemen om realtime inzicht te krijgen in het bodemvochtgehalte. Studies suggereren dat deze strategie de vraag naar water voor irrigatie met 20% tot 72% kan verminderen zonder de dagelijkse werkzaamheden op akkers te belemmeren.

Wat is het agrarische internet der dingen?

Zelfs op droge plaatsen zoals het Midden-Oosten en Noord-Afrika is landbouw mogelijk met efficiënt waterbeheer. Maar extreme weersomstandigheden als gevolg van klimaatverandering maken dat moeilijker. Terugkerende droogtes in het westen van de VS in de afgelopen 20 jaar, samen met andere rampen zoals bosbranden, hebben geleid tot miljarden dollars aan oogstverliezen.

Waterexperts hebben decennialang bodemvocht gemeten om beslissingen te nemen op het gebied van waterbeheer en irrigatie. Geautomatiseerde technologieën hebben handbediende bodemvochtinstrumenten grotendeels vervangen omdat het moeilijk is om handmatige bodemvochtmetingen te doen in productievelden op afgelegen locaties.

In het afgelopen decennium zijn draadloze technologieën voor het verzamelen van gegevens begonnen met het bieden van realtime toegang tot bodemvochtgegevens, wat zorgt voor betere beslissingen over waterbeheer. Deze technologieën kunnen ook veel geavanceerde IoT-toepassingen hebben op het gebied van openbare veiligheid, monitoring van stedelijke infrastructuur en voedselveiligheid.

Het Agricultural Internet of Things is een netwerk van radio's, antennes en sensoren die realtime gewas- en bodeminformatie in het veld verzamelen. Om het verzamelen van gegevens te vergemakkelijken, zijn deze sensoren en antennes draadloos met landbouwmachines verbonden. De Ag-IoT is een compleet raamwerk dat de omstandigheden op landbouwgrond kan detecteren, acties kan voorstellen als reactie en commando's naar landbouwmachines kan sturen.

Door onderling verbonden apparaten zoals bodemvocht- en temperatuursensoren in het veld is het mogelijk om irrigatiesystemen autonoom aan te sturen en water te besparen. Het systeem kan irrigatie plannen, omgevingscondities bewaken en landbouwmachines aansturen, zoals zaadplanters en kunstmestaanbrengers. Andere toepassingen zijn het schatten van bodemvoedingsstoffen en het identificeren van plagen.

De uitdagingen van netwerken ondergronds

Draadloze gegevensverzameling heeft de potentie om boeren te helpen water veel efficiënter te gebruiken, maar het plaatsen van deze componenten in de grond zorgt voor uitdagingen. In het Purdue ENT Lab hebben we bijvoorbeeld ontdekt dat wanneer de antennes die sensorgegevens verzenden in de grond worden begraven, hun werkingskenmerken drastisch veranderen, afhankelijk van hoe vochtig de grond is. Mijn nieuwe boek, 'Signals in the Soil', legt uit hoe dit gebeurt.

Boeren gebruiken zwaar materieel in velden, dus antennes moeten diep genoeg worden begraven om schade te voorkomen. Naarmate de bodem nat wordt, beïnvloedt het vocht de communicatie tussen het sensornetwerk en het besturingssysteem. Water in de bodem absorbeert signaalenergie, waardoor de signalen die het systeem uitzendt, worden afgezwakt. Dichtere grond blokkeert ook de signaaloverdracht.

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. + Verder verkennen

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

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.