Gli agricoltori possono risparmiare acqua con le tecnologie wireless, ma ci sono delle sfide, come la trasmissione dei dati attraverso il fango

La Purdue University fornisce finanziamenti come membro di The Conversation US.

L’acqua è la risorsa più essenziale per la vita, sia per gli esseri umani che per le colture che consumiamo. Nel mondo, l’agricoltura è responsabile del 70% dell’utilizzo di acqua dolce.

Studio informatica e tecnologia dell’informazione al Purdue Polytechnic Institute e dirigo il Purdue’s Environmental Networking Technology (ENT) Laboratory, dove affrontiamo le sfide della sostenibilità e dell’ambiente con una ricerca interdisciplinare sull’Agricultural Internet of Things, o Ag-IoT.

L’Internet delle cose è una rete di oggetti dotati di sensori in grado di ricevere e trasmettere dati via Internet. Ne sono un esempio i dispositivi indossabili per il fitness, i termostati domestici intelligenti e le auto a guida autonoma.

In agricoltura, si tratta di tecnologie come le comunicazioni wireless sotterranee, il rilevamento del sottosuolo e le antenne nel terreno. Questi sistemi aiutano gli agricoltori a monitorare le condizioni dei loro terreni in tempo reale e ad applicare l’acqua e altri input come i fertilizzanti esattamente quando e dove sono necessari.

In particolare, il monitoraggio delle condizioni del suolo è molto promettente per aiutare gli agricoltori a utilizzare l’acqua in modo più efficiente. I sensori possono ora essere integrati in modalità wireless nei sistemi di irrigazione per fornire una conoscenza in tempo reale dei livelli di umidità del suolo. Secondo alcuni studi, questa strategia può ridurre la domanda di acqua per l’irrigazione dal 20% al 72% senza ostacolare le operazioni quotidiane sui campi coltivati.

Che cos’è l’Internet degli oggetti per l’agricoltura?

Anche in luoghi aridi come il Medio Oriente e il Nord Africa, l’agricoltura è possibile con una gestione efficiente dell’acqua. Ma gli eventi meteorologici estremi causati dal cambiamento climatico stanno rendendo tutto più difficile. Le ricorrenti siccità degli ultimi 20 anni negli Stati Uniti occidentali, insieme ad altri disastri come gli incendi, hanno causato perdite di raccolto per miliardi di dollari.

Da decenni gli esperti dell’acqua misurano l’umidità del suolo per informare le decisioni sulla gestione dell’acqua e sull’irrigazione. Le tecnologie automatizzate hanno in gran parte sostituito gli strumenti manuali per la misurazione dell’umidità del suolo perché è difficile effettuare letture manuali dell’umidità del suolo nei campi di produzione in località remote.

Nell’ultimo decennio, le tecnologie di raccolta dati wireless hanno iniziato a fornire accesso in tempo reale ai dati sull’umidità del suolo, consentendo di prendere decisioni migliori in materia di gestione dell’acqua. Queste tecnologie potrebbero avere molte applicazioni IoT avanzate anche nella sicurezza pubblica, nel monitoraggio delle infrastrutture urbane e nella sicurezza alimentare.

L’Internet degli oggetti per l’agricoltura è una rete di radio, antenne e sensori che raccolgono informazioni in tempo reale sulle colture e sul terreno. Per facilitare la raccolta dei dati, questi sensori e antenne sono interconnessi in modalità wireless con le attrezzature agricole. L’Ag-IoT è una struttura completa in grado di rilevare le condizioni del terreno agricolo, suggerire azioni in risposta e inviare comandi alle macchine agricole.

Le tecnologie che insieme costituiscono l’Internet degli oggetti agricoli. Abdul Salam/Università di Purdue, CC BY-ND

L’interconnessione di dispositivi come i sensori di umidità e temperatura del suolo nei campi consente di controllare i sistemi di irrigazione e di conservare l’acqua in modo autonomo. Il sistema può programmare l’irrigazione, monitorare le condizioni ambientali e controllare le macchine agricole, come le seminatrici e gli applicatori di fertilizzanti. Altre applicazioni includono la stima dei livelli di nutrimento del suolo e l’identificazione dei parassiti.

Le sfide del posizionamento delle reti nel sottosuolo

La raccolta di dati wireless ha il potenziale per aiutare gli agricoltori a utilizzare l’acqua in modo molto più efficiente, ma l’inserimento di questi componenti nel terreno crea delle sfide. Per esempio, al Purdue ENT Lab abbiamo scoperto che quando le antenne che trasmettono i dati dei sensori vengono interrate nel terreno, le loro caratteristiche operative cambiano drasticamente a seconda dell’umidità del suolo. Il mio nuovo libro, “Signals in the Soil”, spiega come ciò avvenga.

Abdul Salam effettua misurazioni in un banco di prova della Purdue University per determinare la frequenza operativa ottimale per le antenne sotterranee. Abdul Salam , CC BY-ND

Gli agricoltori usano attrezzature pesanti nei campi, quindi le antenne devono essere interrate abbastanza in profondità per evitare danni. Quando il terreno si bagna, l’umidità influisce sulla comunicazione tra la rete di sensori e il sistema di controllo. L’acqua nel terreno assorbe l’energia del segnale, indebolendo i segnali inviati dal sistema. Il terreno più denso blocca anche la trasmissione dei segnali.

Abbiamo sviluppato un modello teorico e un’antenna che riduce l’impatto del terreno sulle comunicazioni sotterranee modificando la frequenza di funzionamento e la larghezza di banda del sistema. Con questa antenna, i sensori posizionati negli strati superiori del terreno possono fornire informazioni in tempo reale sulle condizioni del suolo ai sistemi di irrigazione a distanze fino a 200 metri, più lunghe di due campi da calcio.

Un’altra soluzione che ho sviluppato per migliorare la comunicazione wireless nel terreno è quella di utilizzare antenne direzionali per concentrare l’energia del segnale nella direzione desiderata. Le antenne che dirigono l’energia verso l’aria possono essere utilizzate anche per le comunicazioni wireless sotterranee a lungo raggio.

Utilizzo di radio definite dal software per rilevare i segnali di misurazione del suolo. Queste radio possono regolare le loro frequenze operative in risposta alle variazioni di umidità del suolo. Nel funzionamento effettivo, le radio vengono interrate nel terreno. Abdul Salam , CC BY-ND

Cosa ci aspetta per l’Ag-IoT

La sicurezza informatica sta diventando sempre più importante per l’Ag-IoT man mano che matura. Le reti nelle aziende agricole hanno bisogno di sistemi di sicurezza avanzati per proteggere le informazioni che trasferiscono. Sono inoltre necessarie soluzioni che consentano ai ricercatori e agli agenti di divulgazione agricola di unire le informazioni provenienti da più aziende agricole. L’aggregazione dei dati in questo modo produrrà decisioni più accurate su questioni come l’uso dell’acqua, preservando al contempo la privacy dei coltivatori.

Queste reti devono anche adattarsi alle mutevoli condizioni locali, come temperatura, precipitazioni e vento. I cambiamenti stagionali e i cicli di crescita delle colture possono alterare temporaneamente le condizioni operative delle apparecchiature Ag-IoT. Utilizzando il cloud computing e l’apprendimento automatico, gli scienziati possono aiutare l’Ag-IoT a rispondere ai cambiamenti dell’ambiente circostante.

Infine, la mancanza di accesso a Internet ad alta velocità è ancora un problema in molte comunità rurali. Ad esempio, molti ricercatori hanno integrato sensori sotterranei wireless con Ag-IoT in sistemi di irrigazione a pivot centrale, ma gli agricoltori che non hanno accesso a Internet ad alta velocità non possono installare questo tipo di tecnologia.

L’integrazione della connettività di rete satellitare con l’Ag-IoT può aiutare le aziende agricole non connesse, dove la connettività a banda larga non è ancora disponibile. I ricercatori stanno anche sviluppando piattaforme Ag-IoT mobili e montate su veicoli che utilizzano droni. Sistemi come questi possono fornire una connettività continua sul campo, rendendo le tecnologie digitali accessibili a più agricoltori in più luoghi.