Kaip daiktų internetas (IoT) transformuoja tiksliają žemdirbystę ir sprendžia dabartinius iššūkius?

Pasaulio gyventojų skaičius sparčiai auga, o prognozės rodo, kad iki 2050 m. jis pasieks 9,7 mlrd. Kad visi būtų pamaitinti, maisto gamyba turi padidėti 60%, tačiau tradiciniai ūkininkavimo metodai, priklausantys nuo dir.

Klimato kaita, dirvožemio degradacija ir vandens trūkumas padėtį blogina. Pavyzdžiui, vien tik dirvožemio erozija ūkininkams kainuoja $40 mlrd. dolerių per metus dėl prarasto produktyvumo, o tradicinė laistymo sistema dėl pasenusių praktikų išeikvoja 60% gėlo vandens.

Indijoje dėl nenuspėjamų musonų per pastarąjį dešimtmetį ryžių derlius sumažėjo 15%. Šie iššūkiai reikalauja skubių sprendimų, o išmanioji žemdirbystė, varoma daiktų interneto (IoT) ir aeroponikos, siūlo gyvybės šiaudą.

IoT galia šiuolaikinėje žemdirbystėje

Išmaniojo ūkininkavimo pagrindas - daiktų internetas, t. y. tarpusavyje sujungtų prietaisų, kurie realiuoju laiku renka duomenis ir jais dalijasi, tinklas. Belaidžių jutiklių tinklai (WSN) yra šios sistemos pagrindas.

Šie tinklai naudoja laukuose įrengtus jutiklius, kad stebėtų dirvožemio drėgmę, temperatūrą, drėgnumą ir maistinių medžiagų lygius. Pavyzdžiui, DHT22 jutiklis stebi drėgmę, o TDS jutikliai matuoja maistinių medžiagų koncentraciją vandenyje.

Šie duomenys per mažai energijos naudojančius protokolus, tokius kaip LoRa ar ZigBee, siunčiami į debesų platformas, tokias kaip ThingSpeak ar AWS IoT. Analizuojus, sistema gali inicijuoti veiksmus, pavyzdžiui, įjungti drėkinimo siurblius ar pakoreguoti trąšų lygius.

Coimbatore, Indijoje, 2022 m. projektas parodė daiktų interneto galimybes. Jutikliai aptiko sausas dirvožemio zonas pomidorų laukuose, leidžiančius tikslingai laistyti, o tai sumažino vandens švaistymą 35%.

Panašiai dronai su multispektrinėmis kameromis skenuoja didžiulius laukus, siekdami nustatyti tokias problemas kaip kenkėjų antplūdis ar maistinių medžiagų trūkumas.

2019 m. tyrime dronai, naudodami 98% tikslumą, aptiko paprastąją miltligę kukurūzų pasėliuose, taip padėdami ūkininkams sutaupyti $120 svarų sterlingų nuostolių hektarui. Mašininis mokymasis dar labiau patobulina šias sistemas.

Mokslininkai apmokė dirbtinio intelekto modelius su tūkstančiais lapų vaizdų, kad būtų galima diagnozuoti tokias ligas kaip miltligė, pasiekiant 99,53% tikslumą, leidžiant ūkininkams imtis veiksmų, kol pasėliai nenukentėjo.

Aeroponika: daržovių auginimas be dirvožemio

Nors daiktų internetas (IoT) optimizuoja tradicinį ūkininkavimą, aeroponika iš esmės pakeičia žemės ūkį. Šiuo metodu augalai auginami ore, jų šaknys laikomos rūko užpildytose kamerose, kur purškiamas vanduo ir maistinės medžiagos.

Skirtingai nuo dirvožemio auginimo, aeroponika naudoja 95% mažiau vandens ir nenaudoja pesticidų. Šaknys efektyviau įsisavina deguonį, pagreitindamos augimą.

Pavyzdžiui, aeroponiškai užauginti salotos, anot 2018 m. tyrimo,% greičiau nei auginamos dirvožemyje.

Aeroponika ypač vertinga miestuose ar regionuose, kur prasta dirva. Vertikaliuose ūkiuose augalai sodinami bokštuose, todėl vienam kvadratiniam metrui tenka 10 kartų daugiau maisto nei tradiciniuose laukuose.

Meksiko Sityje 2022 m. ant stogo įrengta aeroponinė ferma davė 3,8 kg salotų iš kvadratinio metro – tai tris kartus daugiau nei auginant dirvožemyje, sunaudojant tik 10 litrų vandens kilogramui.

Singapūro „Sky Greens“ žengia toliau, augindama 1 toną daržovių per dieną 30 pėdų aukščio bokštuose, naudodama 95% mažiau žemės nei tradiciniai ūkiai.

IoT perkelia aeroponiką į kitą lygį. Jutikliai stebi šaknų kameras drėgmės, pH ir maistinių medžiagų lygiui, automatiškai reguliuodami purškimo ciklus.

2017 m. projekte mokslininkai automatizavo aeroponinę sistemą naudojant Raspberry Pi, sumažindami darbo sąnaudas 50%. Ūkininkai valdo šias sistemas per mobiliąsias programėles, tokias kaip AgroDecisor, kuri siunčia pranešimus apie tokias problemas kaip maistinių medžiagų disbalansas.

Iššūkiai, stabdantys pažangą

Nepaisant jų potencialo, daiktų internetas (IoT) ir aeroponika susiduria su reikšmingomis kliūtimis. Didelės išlaidos yra pagrindinė kliūtis. Pagrindinis IoT įrenginių komplektas kainuoja nuo 1 500 iki 5 000, o pažangūs dronai ir jutikliai reikalauja 10 000–50 000 pradinių investicijų – tai viršija besivystančių šalių smulkiųjų ūkininkų galimybes. Tuo tarpu priežiūra papildomai kainuoja 15–20% kasmet, dar labiau spausdama biudžetus.

Ryšių spragos dar labiau apsunkina problemą. Apie 40% kaimo vietovių neturi patikimo interneto, o tai stabdo duomenų perdavimą realiuoju laiku.

Etiopijoje IoT bandomasis projektas 2021 m. nepavyko, nes laukuose nutrūko 3G ryšys, sutrękdami drėkinimo tvarkaraščius. Taip pat iškyla didelės saugumo rizikos. Dažnai trūksta tokių IoT protokolų kaip MQTT ir CoAP šifravimo, todėl sistemos tampa pažeidžiamos įsilaužėliams.

2021 m. 62% žemės ūkio daiktų interneto (IoT) sistemų pranešė apie kibernetines atakas, įskaitant duomenų praradimą, kuris galėjo paveikti jutiklių rodmenis arba išjungti įrangą.

Technologinis sudėtingumas prideda dar vieną sunkumų sluoksnį. Ūkininkams reikalingi mokymai, kaip suprasti duomenis ir diagnozuoti sistemas.

2017 m. Kolumbijoje žlugus aeroponiniam projektui, neteisingi pH nustatymai pažeidė pasėlius, o tai lėmė $12 000 vertės daigų praradimą.

Netgi elektros tiekimas kelia problemų – saulės energija varomi jutikliai sugenda musonų metu, o dronai vienu įkrovimu veikia tik 20–30 minučių.

Žemės ūkio ateitis: naujovės horizonto link

Nepaisant šių iššūkių, ateitis atrodo daug žadanti. 5G tinklai atnaujins ryšius, leisdami dronams realiu laiku stebėti didžiules fermas.

Brazilijoje 2023 m. bandomajame projekte 5G ryšiu veikiantys dronai per 10 minučių apžvelgė daugiau nei 1000 akrų sojų laukų, o ne per kelias dienas, ir aptiko ligas. Kraštinis dirbtinis intelektas (Edge AI), apdorojantis duomenis tiesiai įrenginiuose, sumažina priklausomybę nuo debesų kompiuterijos.

Pavyzdžiui, „MangoYOLO“ sistema skaičiuoja mangus su 91% tikslumu naudodama borto kameras, taip pašalindama delsimą siunčiant duomenis.

Blokų grandinės technologija yra dar vienas esminis pokytis. Stebėdama produktus nuo ūkio iki vartotojo, ji užtikrina skaidrumą ir mažina sukčiavimą.

„eFarm“ programėlė naudoja bendraujamą duomenų rinkimą, kad patvirtintų ekologinius sertifikatus, taip sumažindama sukčiavimą 30%. „Walmart“ blokų grandinės sistema 2022 m. sumažino mangų tiekimo grandinės klaidas 90%.

Kyla ir dirbtinio intelekto valdomi šiltnamiai. Šios sistemos naudoja tokius modelius kaip VGG19, kad stebėtų augalų sveikatą su% 91,52 proc. tikslumu.

Japonijoje robotai, tokie kaip AGROBOT, 24 valandas per parą, 7 dienas per savaitę renka braškes, padidindami produktyvumą triskart. Miestų erdvės taip pat priima aeroponiką – Berlyne veikianti „Infarm“ augina žoleles prekybos centruose, sumažindama transporto išmetamųjų teršalų kiekį 95%.

Vyriausybės ir įmonės imasi veiksmų. Indijos 2023 m. Agri-Tech iniciatyva subsidijuoja daiktų interneto (IoT) įrankius 500 000 smulkiųjų ūkininkų, o „Microsoft“ „FarmBeats“ Kenijos ūkininkams teikia nebrangius dronus.

Sėkmės planas

Daiktų internetas (IoT) ir aeroponika yra ne tik įrankiai – jie yra būtini tvarios ateities kūrimui. Iki 2030 m. šios technologijos galėtų:

• Sutaupykite 1,5 trilijono litrų vandens kasmet.
• Sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas 1,5 gigatonos per metus.
• Pamaitinti 2 milijardus papildomų žmonių neišplečiant dirbamų žemių.

Siekiant to, vyriausybės privalo subsidijuoti prieinamus įrankius, plėsti interneto prieigą kaimo vietovėse ir įgyvendinti kibernetinio saugumo standartus. Ūkininkams reikia apmokymų, kad jie galėtų efektyviai išnaudoti šias technologijas.

Kaip teigia JT Maisto ir žemės ūkio organizacija (FAO), “Maisto ateitis priklauso nuo šiandienos inovacijų.” Įdiegdami daiktų internetą (IoT) ir aeroponiką, galime sukurti pasaulį, kuriame niekas nebadautų, o žemės ūkis rūpintųsi mūsų planeta, o ne naikintų ją.

Nuoroda: Dhanasekar, S. (2025). Visapusiška apžvalga apie dabartines daiktų interneto problemas ir pažangą tiksliosios žemdirbystės srityje. Computer Science Review, 55, 100694.