Як Інтернет речей трансформує точне землеробство та вирішує сучасні проблеми?

Населення світу швидко зростає, і, за оцінками, до 2050 року воно досягне 9,7 мільярда. Щоб прогодувати всіх, виробництво продуктів харчування має збільшитися на 601 т/3 т, але традиційні методи ведення сільського господарства, що залежать від ґрунту, інтенсивного використання води та ручної праці, намагаються встигати за цим.

Зміна клімату, деградація ґрунтів та нестача води погіршують ситуацію. Наприклад, лише ерозія ґрунтів щорічно коштує фермерам 1440 мільярдів фунтів стерлінгів через втрату продуктивності, тоді як традиційне зрошення призводить до втрат 6013 тонн прісної води через застарілі методи.

В Індії непередбачувані мусони знизили врожайність рису на 151 т/3 т за останнє десятиліття. Ці проблеми вимагають термінових рішень, і розумне землеробство, що базується на Інтернеті речей (IoT) та аеропоніці, пропонує рятівне коло.

Сила Інтернету речей у сучасному сільському господарстві

В основі розумного сільського господарства лежить Інтернет речей (IoT) – мережа взаємопов’язаних пристроїв, які збирають та обмінюються даними в режимі реального часу. Бездротові сенсорні мережі (WSN) є центральним елементом цієї системи.

Ці мережі використовують датчики, розміщені на полях, для контролю вологості ґрунту, температури, рівня вологості та поживних речовин. Наприклад, датчик DHT22 відстежує вологість, тоді як датчики TDS вимірюють концентрацію поживних речовин у воді.

Ці дані надсилаються на хмарні платформи, такі як ThingSpeak або AWS IoT, за допомогою низькоенергетичних протоколів, таких як LoRa або ZigBee. Після аналізу система може ініціювати дії, такі як увімкнення зрошувальних насосів або коригування рівня добрив.

У Коїмбаторі, Індія, проєкт 2022 року продемонстрував потенціал Інтернету речей. Датчики виявили зони сухого ґрунту на полях томатів, що дозволило цілеспрямоване зрошення, яке зменшило витрати води на 351 т/3 тонни.

Аналогічно, дрони, оснащені мультиспектральними камерами, сканують великі поля, щоб виявити такі проблеми, як зараження шкідниками або дефіцит поживних речовин.

У дослідженні 2019 року для виявлення північної фітофторозу листя на посівах кукурудзи з точністю 98% використовувалися дрони, що дозволило фермерам заощадити $120 на акр збитків. Машинне навчання ще більше вдосконалює ці системи.

Дослідники навчили моделі штучного інтелекту на тисячах зображень листя, щоб діагностувати такі хвороби, як борошниста роса, з точністю 99.53%, що дозволяє фермерам діяти до того, як урожай буде знищено.

Аеропоніка: вирощування їжі без ґрунту

У той час як Інтернет речей оптимізує традиційне землеробство, аеропоніка повністю переосмислює сільське господарство. Цей метод вирощує рослини в повітрі, підвішуючи їхнє коріння в камерах, заповнених туманом, які розпилюють воду та поживні речовини.

На відміну від ґрунтового землеробства, аеропоніка використовує менше води та не використовує пестициди. Коріння ефективніше поглинає кисень, прискорюючи ріст.

Наприклад, згідно з дослідженням 2018 року, салат, вирощений аеропонним способом, розвиває 65% швидше, ніж у ґрунті.

Аеропоніка особливо цінна в містах або регіонах з бідним ґрунтом. Вертикальні ферми складають рослини у вежі, виробляючи в 10 разів більше їжі на квадратний метр, ніж традиційні поля.

У Мехіко аеропонна ферма, побудована на даху у 2022 році, дала 3,8 кг салату на квадратний метр — втричі більше, ніж у ґрунтовому землеробстві, — використовуючи при цьому лише 10 літрів води на кілограм.

Сінгапурська компанія Sky Greens йде далі, вирощуючи 1 тонну овочів щодня у 30-футових вежах, використовуючи на 95% менше землі, ніж звичайні ферми.

Інтернет речей виводить аеропоніку на новий рівень. Датчики контролюють кореневі камери на предмет вологості, pH та рівня поживних речовин, автоматично регулюючи цикли обприскування.

У проекті 2017 року дослідники автоматизували аеропонну систему за допомогою Raspberry Pi, що скоротило витрати на робочу силу на 501 т/3 т. Фермери керують цими системами за допомогою мобільних додатків, таких як AgroDecisor, які надсилають сповіщення про такі проблеми, як дисбаланс поживних речовин.

Проблеми, що уповільнюють прогрес

Незважаючи на свій потенціал, Інтернет речей та аеропоніка стикаються зі значними перешкодами. Висока вартість є основною перешкодою. Базова установка Інтернету речей коштує 1500–5000, тоді як сучасні дрони та датчики вимагають початкових витрат від 10 000 до 50 000, що далеко не по кишені дрібним фермерам у країнах, що розвиваються. Тим часом, технічне обслуговування додає ще 15–20% щорічно, що ще більше навантажує бюджети.

Проблема посилюється відсутністю зв'язку. Близько 40% сільських районів не мають надійного інтернету, що паралізує передачу даних у режимі реального часу.

В Ефіопії пілотний проект Інтернету речей 2021 року зазнав невдачі, коли сигнали 3G зникли посеред поля, що порушило графіки зрошення. Ризики безпеки також є значними. Протоколи Інтернету речей, такі як MQTT та CoAP, часто не мають шифрування, що робить системи вразливими для хакерів.

У 2021 році 62% сільськогосподарських систем Інтернету речей повідомили про кібератаки, включаючи витоки даних, які могли маніпулювати показаннями датчиків або виводити з ладу обладнання.

Технічна складність додає ще один рівень труднощів. Фермерам потрібне навчання для інтерпретації даних та усунення несправностей систем.

Аеропонний проєкт 2017 року в Колумбії провалився через неправильне налаштування pH, що призвело до втрати $12 000 розсади.

Навіть джерело живлення є проблемою — сонячні датчики виходять з ладу під час мусонів, а дрони працюють лише 20–30 хвилин на одному заряді.

Майбутнє сільського господарства: інновації на горизонті

Незважаючи на ці виклики, майбутнє виглядає багатообіцяючим. Мережі 5G революціонізують зв'язок, дозволяючи дронів контролювати величезні ферми в режимі реального часу.

У Бразилії у 2023 році в рамках випробування використовувалися дрони, підключені до 5G, для сканування соєвих полів площею понад 1000 акрів, що дозволяло виявляти хвороби за 10 хвилин замість днів. Штучний інтелект на периферії, який обробляє дані безпосередньо на пристроях, зменшує залежність від хмарних технологій.

Наприклад, система MangoYOLO підраховує манго з точністю 91% за допомогою бортових камер, що усуває затримки із завантаженням даних.

Технологія блокчейн – це ще один революційний крок. Відстежуючи продукцію від ферми до споживача, вона забезпечує прозорість і зменшує шахрайство.

Додаток eFarm використовує краудсорсингові дані для перевірки органічних сертифікатів, що скоротило шахрайство на 301 тис. За допомогою блокчейн-системи Walmart було зменшено кількість помилок у ланцюжку поставок манго на 901 тис. тис. у 2022 році.

Теплиці на базі штучного інтелекту також набирають популярності. Ці системи використовують моделі, такі як VGG19, для моніторингу здоров'я рослин з точністю 91.52%.

У Японії роботи, такі як AGROBOT, збирають полуницю цілодобово, що потроює продуктивність. Міські райони також впроваджують аеропоніку — берлінська компанія Infarm вирощує трави в продуктових магазинах, скорочуючи викиди від транспорту на 951 т/3 тонни.

Уряди та компанії активізуються. Індійська агротехнологічна ініціатива 2023 року субсидує інструменти Інтернету речей для 500 000 дрібних фермерів, а FarmBeats від Microsoft надає недорогі дрони кенійським фермерам.

План успіху

Інтернет речей та аеропоніка — це не просто інструменти, вони необхідні для сталого майбутнього. До 2030 року ці технології можуть:

• Щорічно економити 1,5 трильйона літрів води.
• Скоротити викиди парникових газів на 1,5 гігатонни на рік.
• Прогодувати ще 2 мільярди людей без розширення сільськогосподарських угідь.

Для досягнення цієї мети уряди повинні субсидувати доступні інструменти, розширювати доступ до Інтернету в сільській місцевості та забезпечувати дотримання стандартів кібербезпеки. Фермерам потрібне навчання для ефективного використання цих технологій.

Як заявляє ФАО: “Майбутнє харчування залежить від сучасних інновацій”. Завдяки впровадженню Інтернету речей та аеропоніки ми можемо створити світ, де ніхто не голодуватиме, і де сільське господарство живить, а не шкодить нашій планеті.

Посилання: Дханасекар, С. (2025). Комплексний огляд актуальних питань та досягнень Інтернету речей у точному землеробстві. Computer Science Review, 55, 100694.