Разработка систем интеллектуального земледелия с открытым исходным кодом

За последние 20 лет компьютерная техника кардинально изменила мир, и сельское хозяйство ощутило на себе влияние. Современное оборудование теперь может привести к более эффективному производству; модифицированные семена могут облегчить борьбу с вредителями; а автоматизация позволила изменить многие обязанности, даже если они не исчезли. Однако фермеры все чаще находят технологию, на которую они полагаются, палкой о двух концах.

В то же время фермеры борются с множеством растущих бизнес-проблем. Они также оказываются не в состоянии обслуживать или ремонтировать свою технику так же, как раньше, из-за управления цифровыми правами на программное обеспечение и других решений по проектированию оборудования, которые позволяют производителям оборудования получать прибыль от услуг по сравнению с фермерами. В самых крайних случаях этой напряженности между поставщиками и фермерами фермеры даже стали обязаны эксклюзивным производителям семян для некоторых культур, поскольку перекрестное опыление с запатентованными генетически модифицированными растениями на прилегающих полях вызывает судебные тяжбы со стороны производителей семян.

Из-за этой борьбы фермеры во всем мире стремятся оставаться конкурентоспособными. В этой конкуренции поставщики подталкивают их к приобретению семян, оборудования, химикатов и других ресурсов для их бизнеса, над которыми они не полностью контролируют. Фермеры теряют возможность отремонтировать свое оборудование, сэкономить семена или принять другие проверенные временем меры экономии. Они опасаются не упомянутых затрат на технологии в своей работе.

Эта задача дает возможность создать сельскохозяйственные орудия, которые вернут фермерам силу. Если фермеры смогут построить или сохранить за собой право редактировать и использовать больше своего оборудования, путь к «умным» фермам станет для фермеров гораздо более привлекательным. В сельском хозяйстве в целом открываются огромные возможности для развития передовых технологий, таких как Интернет вещей и искусственный интеллект. Открытый исходный код и другие удобные средства внедрения этих инструментов имеют решающее значение для фермеров, чтобы сохранить свои конкурентные преимущества.

Разработка недорогих систем умных ферм с открытым исходным кодом

Недавний исследовательский проект, проведенный в Бангладеш, основывался на предыдущей работе, создав модель с открытым исходным кодом для интеллектуального сельского хозяйства. В этой модели широко используются компоненты Arduino, излагается комплексная система мониторинга окружающей среды, определяются подходы к анализу данных и создаются пути для автоматического управления вводом данных на ферму. Хотя основной задачей созданной тестовой системы было полевое производство, уже ожидается, что общая архитектура может быть применена в теплицах, животноводстве и других сельскохозяйственных приложениях в будущем.

Основываясь на всем оборудовании для мониторинга на Arduino Mega 2560, этот проект был сосредоточен на сети «узлов мониторинга», установленных по всему сельскохозяйственному полю, с одним «центральным узлом», собирающим все данные, инициируя автоматические события и передавая данные в облако.

Создание сенсорной сетки

Каждый «узел мониторинга» добавляет массив датчиков к плате Arduino Mega. Ученые выбрали устройства, доступные для широких слоев населения, исходя из стоимости, простоты использования и гибкости.

Чтобы оснастить один узел мониторинга, плата Arduino была расширена следующим:

• Модуль беспроводного приемопередатчика nRF24L01 + PA / LNA для обратной связи с центральным узлом - используя встроенный беспроводной протокол и спектр 2,4 ГГц, это устройство может передавать данные на расстояние до 1100 м; спектр 2,4 ГГц позволяет использовать 125 уникальных каналов, увеличивая количество подключений, возможных для одной фермы и центрального узла.
• Датчик температуры и влажности DHT11 для измерения температуры и влажности поверхности.
• Датчик движения PIR, который зависит от инфракрасного изображения для обнаружения движения, чтобы предупредить фермеров о вредителях или нарушителях.
• Датчик газа MQ-135, который обнаруживает в воздухе несколько органических соединений, в том числе дым.
• Датчик атмосферного давления BMP180 для обнаружения изменений атмосферного давления, указывающих на вероятность штормов или других погодных условий.
• Датчик влажности почвы, который измеряет электрическое сопротивление в почве для определения уровня водонасыщения почвы.
• Датчик обнаружения дождя, который проверяет наличие падающего дождя путем измерения сопротивления на чувствительной пластине.
• pH-метр, который определяет кислотность почвы и потенциальную потребность в добавках в почву.

Имея в своем распоряжении широкий выбор навесного оборудования, в рамках исследовательского проекта было создано несколько сенсорных устройств, которые можно было развернуть на большом поле. При выбранном оборудовании беспроводной связи один центральный узел может обслуживать рассредоточенные узлы мониторинга диаметром до 2200 м. Чтобы подготовить каждый узел мониторинга, каждый Arduino был связан со своим массивом датчиков, запрограммирован на хранение и обмен всеми данными датчиков и адресованный для связи.

После создания узлов мониторинга команда переключила свое внимание на центральный узел, которому было поручено дальнейший анализ и обмен информацией о полевых условиях.

Оснащение средств связи и управления фермой

Наблюдение за сбором узлов мониторинга - это «центральный узел», предназначенный для агрегирования, составления отчетов и действий в отношении данных, собранных с поля. Построенный на той же платформе Arduino Mega 2560, он передает, что происходит на ферме. Вместо сенсорного оборудования, поставляемого с каждым узлом мониторинга, центральный узел имеет карту Wi-Fi и сотовую радиосвязь с SIM-картой для постоянной передачи данных в облако. Исследовательская группа разработала концепцию добавления сервоприводов, двигателей и аналогичного оборудования, если и когда это будет полезно для управления автоматизированным поливом и другими дополнительными системами на тестовой ферме.

Благодаря такой конструкции один центральный компьютер и устройство связи GSM могут передавать информацию, собранную на большом участке земли. Другие преимущества многочисленны - благодаря централизованным функциям центральный узел запрограммирован на:

• Оповестить фермеров об изменении условий и необходимых мерах по SMS.
• Управляйте доступными ресурсами, такими как включение орошения в областях, нуждающихся в воде.
• Отправляйте собранные данные в облако для дополнительной обработки, анализа и действий.

Связывание сбора данных с полным умным управлением фермой

Чтобы обеспечить питание сети узлов, команда объединила фотоэлектрическую солнечную панель с аккумулятором, что обеспечило постоянную доступность электроэнергии в полевых условиях. Основной характер используемых компонентов обеспечивает низкое энергопотребление от каждого узла, снижая общий объем энергоснабжения, необходимый для работы системы.

Благодаря постоянному потоку общедоступных данных, поступающих с полей, возможности автоматизации большей части управления фермой становятся гибкими. В качестве примера исследовательский проект выбрал Google Таблицы для агрегирования и анализа данных датчиков. Хотя программное обеспечение Google хорошо подходит для этой цели, и пакет Google, в частности, является бесплатным, многие инструменты для хранения и анализа данных могут выполнять ту же функцию.

Что касается специально созданных сельскохозяйственных дронов, то команда аналогичным образом смогла создать базовый квадрокоптер с готовыми компонентами. Конкретные изменения в типичном дроне в конечном итоге будут включать способность нести и точно применять полезные нагрузки пестицидов и удобрений. Дальнейшие улучшения во времени могут включать в себя передовые подходы к обнаружению и уничтожению вредителей, дополнительный сбор данных о сельскохозяйственных культурах или даже использование достижений машинного обучения в оценке продукции.

По мере того, как каждая из этих составляющих становится на свои места, формируется высокопроизводительная открытая концепция управления всей фермой. Хотя дополнительные соображения, такие как безопасность, подробно не рассматриваются в этой концепции, открытый характер конструкции позволяет любому потенциальному разработчику учитывать эту и другие проблемы, связанные с управлением своими собственными данными. Имея контроль над своим специально созданным «Интернетом вещей», фермеры могут наслаждаться улучшениями понимания и эффективности, которые обещает IoT, не теряя при этом удобство обслуживания.

Что будет дальше

Хотя этот исследовательский проект был призван дополнить работу по доступному доступу к интеллектуальному сельскому хозяйству, его ценность возрастает еще больше. Концепция использования популярных и широко доступных компонентов, таких как Arduinos, не только снижает стоимость входа в интеллектуальное сельское хозяйство; это также означает, что у фермеров больше контроля над своим бизнесом.

Эта демократизация происходит в критический момент, особенно для натуральных фермерских хозяйств и средних предприятий во всем мире, когда они принимают трудные бизнес-решения.

>> Предыдущая версия этой статьи изначально была опубликована на нашем дочернем сайте EEWeb.