Как Интернет вещей (IoT) преобразует точное земледелие и решает текущие проблемы?

Население мира быстро растет, и, по оценкам, к 2050 году оно достигнет 9,7 миллиарда человек. Чтобы прокормить всех, производство продуктов питания должно увеличиться на 601 тыс. тонн, но традиционные методы ведения сельского хозяйства, зависящие от почвы, интенсивного использования воды и ручного труда, с трудом справляются с этой задачей.

Изменение климата, деградация почв и нехватка воды усугубляют ситуацию. Например, только эрозия почвы обходится фермерам в 140 миллиардов танзанийских шиллингов в год из-за потери производительности, а традиционное орошение приводит к растрате 601 миллиарда танзанийских шиллингов пресной воды из-за устаревших методов.

В Индии непредсказуемые муссоны привели к снижению урожайности риса на 151 тыс. тонн за последнее десятилетие. Эти проблемы требуют срочных решений, и «умное» земледелие, основанное на Интернете вещей (IoT) и аэропонике, предлагает спасение.

Влияние интернета вещей на современное сельское хозяйство

В основе интеллектуального земледелия лежит Интернет вещей (IoT) — сеть взаимосвязанных устройств, которые собирают и обмениваются данными в режиме реального времени. Беспроводные сенсорные сети (WSN) играют центральную роль в этой системе.

Эти сети используют датчики, размещенные в полях, для мониторинга влажности почвы, температуры, уровня влажности и содержания питательных веществ. Например, датчик DHT22 отслеживает влажность, а датчики TDS измеряют концентрацию питательных веществ в воде.

Эти данные передаются на облачные платформы, такие как ThingSpeak или AWS IoT, с использованием маломощных протоколов, таких как LoRa или ZigBee. После анализа система может запускать действия, например, включать ирригационные насосы или регулировать уровень удобрений.

В 2022 году в Коимбатуре, Индия, был реализован проект, продемонстрировавший потенциал Интернета вещей. Датчики обнаружили сухие участки почвы на томатных полях, что позволило осуществлять целенаправленный полив и сократить расход воды на 351 тонну.

Аналогичным образом, дроны, оснащенные мультиспектральными камерами, сканируют обширные поля для выявления таких проблем, как нашествие вредителей или дефицит питательных веществ.

В исследовании 2019 года с помощью дронов было обнаружено поражение кукурузы северной листовой пятнистостью с точностью 981 TP3T, что позволило фермерам сэкономить 1 TP4T120 на акр. Машинное обучение дополнительно повышает эффективность этих систем.

Исследователи обучили модели искусственного интеллекта на тысячах изображений листьев для диагностики таких заболеваний, как мучнистая роса, с точностью 99,531 TP3T, что позволяет фермерам принимать меры до того, как урожай будет уничтожен.

Аэропоника: выращивание продуктов питания без почвы.

В то время как Интернет вещей оптимизирует традиционное сельское хозяйство, аэропоника полностью переосмысливает агротехнику. Этот метод выращивает растения в воздухе, подвешивая их корни в заполненных туманом камерах, которые распыляют воду и питательные вещества.

В отличие от земледелия в почве, аэропоника использует на 951 тонну меньше воды и не требует применения пестицидов. Корни более эффективно поглощают кислород, ускоряя рост.

Например, согласно исследованию 2018 года, салат, выращенный аэропонным методом, развивает 65% быстрее, чем в почве.

Аэропоника особенно ценна в городах или регионах с бедными почвами. Вертикальные фермы размещают растения в башнях, производя в 10 раз больше продуктов питания на квадратный метр, чем традиционные поля.

В Мехико в 2022 году аэропонная ферма на крыше дала урожай 3,8 кг салата с квадратного метра — втрое больше, чем при выращивании в почве, — при этом используя всего 10 литров воды на килограмм.

Сингапурская компания Sky Greens пошла еще дальше, выращивая 1 тонну овощей ежедневно в 9-метровых башнях, используя на 951 тонну меньше земли, чем традиционные фермы.

Интернет вещей выводит аэропонику на новый уровень. Датчики контролируют влажность, pH и уровень питательных веществ в корневых камерах, автоматически регулируя циклы распыления.

В рамках проекта 2017 года исследователи автоматизировали аэропонную систему с помощью Raspberry Pi, сократив трудозатраты на 501 тонну. Фермеры управляют этими системами через мобильные приложения, такие как AgroDecisor, которые отправляют оповещения о таких проблемах, как дисбаланс питательных веществ.

Проблемы, замедляющие прогресс

Несмотря на свой потенциал, Интернет вещей и аэропоника сталкиваются со значительными препятствиями. Главным барьером являются высокие затраты. Базовая установка IoT стоит 1500–5000, в то время как для передовых дронов и датчиков требуется 10 000–50 000 первоначальных инвестиций — что недоступно для мелких фермеров в развивающихся странах. Между тем, ежегодное техническое обслуживание добавляет еще 15–201 тонну на тонну, что еще больше увеличивает нагрузку на бюджеты.

Проблемы с доступом к интернету усугубляются. Около 401 тыс. 3 тыс. жителей сельских районов не имеют надежного интернета, что препятствует передаче данных в режиме реального времени.

В Эфиопии в 2021 году пилотный проект по внедрению Интернета вещей провалился из-за обрыва сигнала 3G посреди поля, что нарушило график орошения. Также существуют серьезные риски для безопасности. Протоколы Интернета вещей, такие как MQTT и CoAP, часто не имеют шифрования, что делает системы уязвимыми для хакеров.

В 2021 году 621 компания, использующая сельскохозяйственные IoT-системы, сообщила о кибератаках, включая утечки данных, которые могли привести к манипулированию показаниями датчиков или выводу оборудования из строя.

Техническая сложность добавляет еще один уровень трудностей. Фермерам необходима подготовка для интерпретации данных и устранения неполадок в системах.

В 2017 году в Колумбии провалился проект аэропонной посадки из-за неправильной настройки pH, которая повредила урожай и привела к потере 12 000 саженцев (14 000 долл. США).

Даже электроснабжение представляет собой проблему: солнечные датчики выходят из строя во время муссонов, а дроны работают всего 20–30 минут от одной зарядки.

Будущее сельского хозяйства: инновации на горизонте

Несмотря на эти проблемы, будущее выглядит многообещающим. Сети 5G произведут революцию в сфере связи, позволив дронам осуществлять мониторинг обширных ферм в режиме реального времени.

В Бразилии в 2023 году в ходе эксперимента с использованием дронов, подключенных к сети 5G, было проведено сканирование соевых полей площадью более 1000 акров, что позволило обнаружить заболевания за 10 минут вместо нескольких дней. Технология Edge AI, обрабатывающая данные непосредственно на устройствах, снижает зависимость от облачных вычислений.

Например, система MangoYOLO подсчитывает количество манго с точностью до 91%, используя встроенные камеры, что исключает задержки, связанные с загрузкой данных.

Технология блокчейн — еще один фактор, меняющий правила игры. Отслеживая продукцию от фермы до потребителя, она обеспечивает прозрачность и снижает уровень мошенничества.

Приложение eFarm использует данные, полученные от пользователей, для проверки сертификатов органической продукции, что позволило сократить мошенничество на 301 трлн долларов. Блокчейн-система Walmart сократила количество ошибок в цепочке поставок манго на 901 трлн долларов в 2022 году.

Теплицы, управляемые искусственным интеллектом, также набирают популярность. В этих системах используются модели, такие как VGG19, для мониторинга состояния растений с точностью 91,521 TP3T.

В Японии роботы, такие как AGROBOT, собирают клубнику круглосуточно, утроив производительность. Городские районы также активно внедряют аэропонику — берлинская компания Infarm выращивает зелень в продуктовых магазинах, сокращая выбросы от транспорта на 951 тонну.

Правительства и компании активизируются. Индийская инициатива в области агротехнологий 2023 года субсидирует инструменты Интернета вещей для 500 000 мелких фермеров, а компания Microsoft FarmBeats предоставляет недорогие дроны кенийским фермерам.

План достижения успеха

Интернет вещей и аэропоника — это не просто инструменты, они необходимы для устойчивого будущего. К 2030 году эти технологии смогут:

• Ежегодная экономия составляет 1,5 триллиона литров воды.
• Сократить выбросы парниковых газов на 1,5 гигатонны в год.
• Обеспечить продовольствием 2 миллиарда дополнительных человек без расширения сельскохозяйственных угодий.

Для достижения этой цели правительствам необходимо субсидировать доступные инструменты, расширять доступ к интернету в сельской местности и обеспечивать соблюдение стандартов кибербезопасности. Фермерам необходима подготовка для эффективного использования этих технологий.

Как заявляет ФАО, “будущее продовольствия зависит от сегодняшних инноваций”. Внедряя интернет вещей и аэропонику, мы можем создать мир, где никто не будет голодать, и где сельское хозяйство будет приносить пользу нашей планете, а не вредить ей.

СсылкаДханасекар, С. (2025). Комплексный обзор актуальных проблем и достижений Интернета вещей в точном земледелии. Computer Science Review, 55, 100694.