Интернет вещей в сельском хозяйстве

Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) - концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащенных встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой. (Интернет вещей — Википедия).

IoT в сельском хозяйстве предназначен для того, чтобы помочь фермерам контролировать жизненно важную информацию о поле и растениях, такую как влажность, температура воздуха и качество почвы, с помощью дистанционных датчиков, а также для повышения урожайности, планирования более эффективной ирригации и составления прогнозов урожая. Интернет вещей помогает биологам изучать влияние геномов и микроклимата на урожайность, чтобы оптимизировать качество, получаемой продукции и урожайность (рисунок 1).

Рисунок 1. Интернет вещей в сельском хозяйстве

Реализация интеллектуальных проектов IoT позволяет фермерам использовать огромное количество данных, генерируемых на их фермах. Большой размер многих ферм делает ручные обследования неэффективными и трудными, что заставляет фермеров обращаться к решениям IoT. Использование спутниковых снимков и других технологий получения информации для мониторинга сельскохозяйственных операций на всем пути от сбора урожая до доставки является одним из способов максимизации производительности и обеспечения качества продуктов питания в цепочке поставок (рисунок 2).

Рисунок 2. Умное сельское хозяйство с IoT

Сельское хозяйство представляет собой, пожалуй, идеальный объект для внедрения IoT, поэтому мы, вероятно, увидим гораздо большее расширение его приложений в течение следующих пяти лет.

В таких областях, как точное земледелие, данные, получаемые в реальном времени о почве, погоде, качестве воздуха и уровнях увлажнения могут помочь фермерам принимать более обоснованные решения относительно посадки и сбора урожая. Качество продукции, более высокая урожайность, сохранение ресурсов и контроль затрат — вот лишь некоторые из способов, которыми сельскохозяйственный Интернет вещей обещает преобразовать сельское хозяйство и производство продуктов питания в будущем. IoT в сельском хозяйстве, интегрированный со службой веб-карт (WMS) и службой датчиков (SOS), обеспечивает решение для управления потребностями в воде или подачей воды для орошения сельскохозяйственных культур. Он также разумно анализирует потребности воды в культурах и использует ресурсы водоснабжения, доступные для сокращения отходов (рисунок 3).

Рисунок 3. Умное фермерство с IoT

В засушливых районах функция управления водой в сельскохозяйственных культурах IoT в сельском хозяйстве может иметь большое значение, поскольку она разумно управляет ограниченным водоснабжением, рассчитывая время срабатывания клапана и выстраивая оптимальную стратегию орошения, что приводит к лучшим методам сохранения водных ресурсов.

IoT обеспечивает точную и эффективную передачу фермерам данных в реальном времени, связанных с динамичными сельскохозяйственными процессами, такими как прогнозы погоды, посадка, сбор урожая, качеством почвы, а также доступностью и стоимостью рабочей силы. Фермеры, которые имеют доступ к такой важной информации в режиме реального времени, могут лучше спланировать свою деятельность заранее и вовремя принять корректирующие или предупреждающие меры на будущее.

Тяжелая работа фермеров часто сводится на нет вредителями, что приводит к значительным денежным потерям. Чтобы предотвратить такие ситуации, сельскохозяйственный Интернет вещей предусматривает систему для мониторинга и сканирования параметров окружающей среды и роста растений. Также используются данные от датчиков контроля вредных организмов, которые способны прогнозировать их поведение. Эта информация может быть использована фермерами для уменьшения ущерба, наносимого вредителями в больших масштабах. Борьба с вредителями основана на следующих фундаментальных принципах: наблюдение, проверка, идентификация, отслеживание записей.

Наряду с достижением оптимального, качественного производства продуктов питания, сельскохозяйственный IoT направлен на обеспечение безопасности пищевых продуктов на различных уровнях, таких как хранение и транспортировка. Для этого у него есть система мониторинга по различным факторам, таким как время доставки, температура хранения и облачный учет.

«Умные коровы»: IoT полезен в управлении животноводством, поддерживая здоровье скота с помощью инструментов мониторинга, таких как ушные бирки (чипы) для крупного рогатого скота, способных обнаруживать респираторные заболевания. Если заболевание обнаружено, чип посылает предупреждение о том, что животное должно быть отделено от стада, тем самым предотвращая распространение болезни (рисунок 4).

Рисунок 4. Умное животноводство с IoT

Точное сельское хозяйство, также называемое точным земледелием, обеспечивает прогнозирования погоды и другие динамические данные, учет которых может в значительной степени повлиять на урожайность. Чем выше уровень точности, тем ниже вероятность повреждения урожая. Таким образом, более точные прогнозы погоды могут привести к повышению уровня прибыльности и производительности.

Сегодняшние фермеры сталкиваются с рядом сложных проблем - растущий спрос на продукты питания во всем мире, изменение климата и ограниченные запасы воды, ископаемого топлива и пахотных земель. Чтобы преодолеть эти препятствия, сельское хозяйство применяет целый ряд цифровых технологий, в том числе: робототехнику, технологию GPS, компьютерную визуализацию. Датчики, составляющие основу IoT, сообщают о погодных условиях и отслеживают влажность и кислотность почвы, в то время как животноводы отслеживают перемещение и поведение скота дистанционно с помощью встроенных устройств.

Промышленные приложения IoT полезны для мониторинга внутренних сельскохозяйственных объектов, таких как силосы, молокозаводы и конюшни. Например, система сельскохозяйственного хранения может устанавливать базовые нормы производительности, а затем ставят условия оповещения и тревоги, связанные с температурой, вибрацией, влажностью и другими условиями.

При определении оптимального времени для посадки, опрыскивания удобрений, сбора урожая или выполнения других действий, которые влияют на результаты урожая, в качестве основного варианта использования IoT в сельском хозяйстве было определено восприятие почвы. NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) — стандарт сотовой связи для устройств телеметрии с низкими объемами обмена данными хорошо подходит для датчиков почвы, так как модули недорогие и на основе режима энергосбережения могут работать в полевых условиях до десяти лет, используя только одну батарейку. NB-IoT является хорошим дополнением точного земледелия. Используя Интернет вещей, фермер знает, когда вносить удобрения и ХСЗР и где. IoT может принести эффективность в сельскохозяйственное пространство и создать эффективный цикл, который делает продукты питания более доступными для потребителей, экономит время и деньги фермеров и уменьшает воздействие сельского хозяйства на окружающую среду, обеспечивая устойчивость процесса.

Учитывая широкое влияние точного земледелия, исследовательская фирма Markets and Markets ожидает, что расходы на сопутствующие решения вырастут на 13,47% совокупного годового темпа роста, что эквивалентно годовой рыночной возможности в 7,87 млрд долл. США к 2022 году, когда исследователи отмечают: ожидается, что эффективность и производительность будут способствовать росту рынка точного земледелия. Когда потребители думают о приложениях IoT, редко приходят на ум подключенные коровы или поля с цифровым мониторингом, но они должны это делать с ростом IoT в сельском хозяйстве. Согласно отчету фирмы Machina Research, число подключенных сельскохозяйственных устройств, как ожидается, вырастет с 13 миллионов в конце 2014 года до 225 миллионов к 2024 году. По данным Statista, число маломощных широкополосных соединений (LPWA), используемых в сельском хозяйстве к 2024 году во всем мире вырастет до 117 миллионов по сравнению с 160 000 подключений в 2015 году. Отчасти экспоненциальный рост совпадает с резким снижением стоимости отдельных датчиков и эксплуатационных расходов сети. Поскольку они не зависят от сторонних сетей Wi-Fi или сотовой связи, такие опции LPWA, как Symphony Link, обеспечивают большую надежность и масштабируемость сети даже в масштабном сельскохозяйственном предприятии.

Целью точного земледелия является не просто сбор данных с помощью датчиков, а продвижение на шаг дальше - анализ данных для оценки необходимых вмешательств или изменений. Области применения интеллектуального сельского хозяйства включают отслеживание сельскохозяйственных машин, мониторинг скота, крупное и мелкое полевое сельское хозяйство и мониторинг хранения. Следующие несколько лет принесут все большее использование интеллектуальных технологий ведения сельского хозяйства. Интернет вещей, как никогда раньше, трансформирует сельскохозяйственную отрасль, предоставляя фермерам возможность решать огромные проблемы, с которыми они сталкиваются.

До сих пор сельское хозяйство являлось высокорисковой, трудоемкой и низкооплачиваемой отраслью. Очень вероятно, что фермеры могут пострадать от неожиданных экологических изменений, экономических спадов и многих других факторов риска. По данным BI Intelligence (Business intelligence (сокращенно BI) — обозначение компьютерных методов и инструментов для организаций, обеспечивающих перевод транзакционной деловой информации в человекочитаемую форму, пригодную для бизнес-анализа, а также средства для массовой работы с такой обработанной информацией. Цель BI — интерпретировать большое количество данных, заостряя внимание лишь на ключевых факторах эффективности), ежегодные темпы роста устройств IoT в мире сельского хозяйства составят 20 процентов. Американские фермеры уже доказывают эффективность умных методов ведения сельского хозяйства, производя в среднем 7340 кг зерновых на гектар (2,5 акра) сельскохозяйственных угодий по сравнению со средним мировым показателем 3851 килограмм на гектар. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, в 2050 году сельское хозяйство в снежном мире должно будет производить примерно на 70 процентов больше продовольствия, чем в 2006 году. Чтобы максимизировать урожайность и использование ресурсов, фермеры используют интеллектуальные сельскохозяйственные технологии для отслеживания прогресса, прогнозирования результатов и принятия решений. По мере развития приложений IoT в сельском хозяйстве фермы станут более связанными, более упорядоченными, более эффективными и, в конечном итоге, более продуктивными. IoT в сельском хозяйстве стало одной из самых быстрорастущих областей в пространстве M2M (машинно-машинное взаимодействие, англ. Machine-to-Machine, M2M) (рисунок 5).

Рисунок 5. Пример межмашинного взаимодействия

Сегодня, как никогда ранее, фермеры и защитники природы нуждаются в методе для более эффективного использования и сохранения ресурсов. Наиболее эффективный способ сделать это - использовать действенные данные, а использование связи M2M делает текущий сбор данных простым и доступным.

Если бы вы спросили кого-то в сельском хозяйстве 100 лет назад, как отрасль изменится в будущем столетии, они, вероятно, сосредоточатся больше на климатических условиях или использовании воды, чем на машинах и датчиках, собирающих и передающих действенные данные. Мониторинг состояния растений и почв - это простой случай использования, но он может привести к фантастическому возврату инвестиций для фермеров, использующих сенсорные технологии. В этом пространстве мы увидели три основных направления использования IoT в сельском хозяйстве: определение влажности почвы, содержание питательных веществ и принятие управленческих решений по контролю использования воды для оптимального роста растений. Интернет вещей может помочь фермерам несколькими способами. На самом базовом уровне датчики могут быть развернуты на фермах и сельскохозяйственных машинах, чтобы дать фермерам возможность получать множество полезных данных, таких как температура хранимых продуктов, количество используемых удобрений, количество воды в почве, количество посаженных семян, условия хранения, состояние используемого сельскохозяйственного оборудования и техники и т. д. После внедрения интеллектуальной системы с поддержкой IoT фермеры могут легко отслеживать различные переменные среды и принимать обоснованные решения. Умное фермерство является не просто улучшением, а необходимым нововведением, которое при правильном применении может помочь фермерам справиться со всеми проблемами, с которыми они сталкиваются в сельском хозяйстве. Кроме того, богатая информация, полученная с помощью интеллектуальных датчиков, может помочь фермерам более точно использовать пестициды и удобрения, тем самым смягчая некоторые воздействия на окружающую среду.

Г.И. Личман, д.т.н.,

Р.К. Курбанов к.т.н. (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)

А.И. Беленков, д. с.-х. н. (ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева)