Open-source slimme landbouwsystemen ontwerpen

In de afgelopen 20 jaar heeft computergebruik de wereld drastisch veranderd en de landbouwsector heeft de impact gevoeld. Geavanceerde apparatuur kan nu leiden tot efficiëntere productie; gemodificeerd zaad kan plaagbestrijding gemakkelijker maken; en automatisering heeft het mogelijk gemaakt dat veel taken zijn veranderd, zelfs als ze niet verdwijnen. Boeren hebben echter steeds meer ontdekt dat de technologie waarop ze vertrouwen een tweesnijdend zwaard is.

Tegelijkertijd worstelen boeren met tal van toenemende zakelijke uitdagingen. Ze zijn ook niet in staat om hun machines op dezelfde manier te onderhouden of te repareren als vroeger vanwege het beheer van software digitale rechten en andere beslissingen over het ontwerp van apparatuur die de service-inkomsten van fabrikanten van apparatuur bevoordelen ten opzichte van boeren. Op het uiterste punt van deze spanning tussen leveranciers en boeren zijn boeren zelfs verplicht geworden tot exclusieve producenten van zaden voor sommige gewassen, omdat kruisbestuiving met gepatenteerde, genetisch gemodificeerde planten in aangrenzende velden rechtszaken van zaadproducenten veroorzaakt.

Deze strijd zorgt ervoor dat boeren over de hele wereld diep reiken om concurrerend te blijven. In deze competitie worden ze door leveranciers geduwd naar zaden, apparatuur, chemicaliën en andere inputs voor hun bedrijf waarover ze onvolledige controle hebben. Boeren verliezen de keuze om hun apparatuur te repareren, zaad te sparen of andere beproefde, kostenbesparende maatregelen te nemen. Ze zijn op hun hoede voor de onvermelde kosten van technologie in hun werk.

Met deze uitdaging komt een kans om landbouwwerktuigen te bouwen die de boer macht teruggeven. Als boeren het recht kunnen bouwen of behouden om meer van hun apparatuur te bewerken en te gebruiken, wordt de weg naar 'slimmere' boerderijen veel aantrekkelijker voor boeren. De landbouw in het algemeen ziet enorme kansen voor geavanceerde technologie zoals het internet der dingen en kunstmatige intelligentie. Open source en andere bruikbare manieren om deze tools te implementeren zijn van cruciaal belang voor boeren om hun concurrentievoordeel te behouden.

Ontwerpen van open-source, goedkope slimme boerderijsystemen

Een recent onderzoeksproject in Bangladesh heeft voortgebouwd op eerder werk door een open-sourcemodel voor slimme landbouw te creëren. Dit model maakt intensief gebruik van Arduino-componenten, biedt een uitgebreid milieumonitoringsysteem, definieert benaderingen voor gegevensanalyse en creëert paden voor geautomatiseerd beheer van boerderijinvoer. Hoewel de primaire focus van het gebouwde testsysteem de veldproductie was, wordt nu al verwacht dat de algemene architectuur in de toekomst kan worden toegepast op kassen, veeteelt en meer landbouwtoepassingen.

Dit project, dat alle bewakingsapparatuur op de Arduino Mega 2560 baseerde, concentreerde zich op een netwerk van "bewakingsknooppunten" verspreid over een landbouwgebied, met een enkel "centraal knooppunt" dat alle gegevens verzamelt, geautomatiseerde gebeurtenissen activeert en gegevens doorgeeft aan de cloud.

Een sensorgaas bouwen

Elk "bewakingsknooppunt" voegt een reeks sensoren toe aan het Arduino Mega-bord. De betrokken onderzoekers kozen apparaten die toegankelijk waren voor brede demografische groepen op basis van kosten, gebruiksgemak en flexibiliteit.

Om een ​​enkel monitoringknooppunt uit te rusten, werd het Arduino-bord uitgebreid met het volgende:

• nRF24L01+PA/LNA draadloze transceivermodule voor communicatie terug naar het centrale knooppunt — Met behulp van een ingebouwd draadloos protocol en 2,4 GHz-spectrum kan dit apparaat tot 1.100 m zenden; het 2,4 GHz-spectrum zorgt voor 125 unieke kanalen, waardoor het aantal mogelijke verbindingen voor een enkele farm en centraal knooppunt wordt uitgebreid.
• DHT11 temperatuur- en vochtigheidssensor voor oppervlaktetemperatuur- en vochtigheidsmeting.
• PIR-bewegingssensor, die afhankelijk is van infraroodbeeldvorming om beweging te detecteren om boeren te waarschuwen voor ongedierte of indringers.
• MQ-135 gassensor, die verschillende organische verbindingen in de lucht detecteert, waaronder rook.
• BMP180 barometrische druksensor om veranderingen in barometrische druk te detecteren, wat de kans op stormen of andere inkomende weerpatronen aangeeft.
• Bodemvochtigheidssensor, die de elektrische weerstand in de grond meet om het waterverzadigingsniveau van de grond te bepalen.
• Regenvaldetectiesensor, die controleert op vallende regen door de weerstand over een sensorplaat te meten.
• pH-meter, die de zuurgraad van de bodem en mogelijke behoefte aan bodemtoevoeging bepaalt.

Met een brede selectie aan hulpstukken in de hand, creëerde het onderzoeksproject verschillende detectie-eenheden die over een groot veld konden worden ingezet. Gezien de geselecteerde hardware voor draadloze communicatie, kan een enkel centraal knooppunt worden gebruikt voor verspreide bewakingsknooppunten met een diameter tot 2.200 m. Om elk bewakingsknooppunt voor te bereiden, was elke Arduino bedraad met zijn sensorarray, geprogrammeerd om alle sensorgegevens op te slaan en te delen en geadresseerd in het belang van communicatie.

Nadat de monitoringknooppunten waren gemaakt, richtte het team zijn aandacht op het centrale knooppunt, dat werd belast met verdere analyse en communicatie van veldomstandigheden.

Communicatie en boerderijbeheer uitrusten

Het toezicht houden op de verzameling bewakingsknooppunten is een 'centraal knooppunt' dat is ontworpen om de gegevens die rond een veld zijn verzameld, te aggregeren, rapporteren en ernaar te handelen. Gebouwd op hetzelfde Arduino Mega 2560-platform, geeft het door wat er op de boerderij gebeurt. In plaats van de sensorapparatuur die bij elk bewakingsknooppunt wordt geleverd, heeft het centrale knooppunt een wifi-kaart en mobiele radio met een simkaart voor 'altijd aan'-overdracht van gegevens naar de cloud. Het onderzoeksteam bedacht verder het toevoegen van servo's, motoren en soortgelijke hardware als en wanneer dit nuttig zou zijn voor het beheer van geautomatiseerde irrigatie en andere complementaire systemen op de testboerderij.

Met dit ontwerp kan een enkele centrale computer en een GSM-communicatieapparaat informatie doorgeven die over een groot stuk land is verzameld. Andere voordelen zijn talrijk — gezien de gecentraliseerde functies is het centrale knooppunt geprogrammeerd om:

• Waarschuw boeren via sms over veranderende omstandigheden en benodigde interventies
• Beheer toegankelijke inputs, zoals het inschakelen van irrigatie voor gebieden die water nodig hebben
• Push verzamelde gegevens naar de cloud voor aanvullende verwerking, analyse en actie

Gegevensverzameling koppelen aan totaal slim boerderijbeheer

Om het netwerk van knooppunten van stroom te voorzien, heeft het team een ​​fotovoltaïsch zonnepaneel gekoppeld aan een batterij, waardoor een consistente beschikbaarheid van stroom in het veld mogelijk is. De basisaard van de gebruikte componenten zorgt voor een laag stroomverbruik van elk knooppunt, waardoor de totale voeding die nodig is om het systeem te laten werken, wordt verminderd.

Met een gestage stroom van open toegankelijke gegevens die uit het veld stromen, worden de opties om meer van het beheer van een boerderij te automatiseren flexibel. Als voorbeeld koos het onderzoeksproject voor Google Spreadsheets voor aggregatie en analyse van sensorgegevens. Hoewel de software van Google zeer geschikt is voor dit doel en met name Google Suite gratis is, kunnen veel tools voor gegevensopslag en -analyse dezelfde functie vervullen.

Wat het onderwerp van speciaal gebouwde landbouwdrones betreft, was het team op dezelfde manier in staat om een ​​eenvoudige quadcopter te maken met kant-en-klare componenten. Specifieke wijzigingen aan een typische drone zullen uiteindelijk de mogelijkheid omvatten om nuttige ladingen pesticiden en kunstmest te vervoeren en nauwkeurig toe te passen. Verdere verbeteringen in de tijd kunnen geavanceerde benaderingen zijn bij het opsporen en elimineren van plagen, het verzamelen van aanvullende gewasgegevens of zelfs profiteren van de vooruitgang op het gebied van machinaal leren bij het sorteren van producten.

Terwijl elk van deze onderdelen op hun plaats valt, ontstaat er een krachtig, open concept voor het beheer van de hele boerderij. Hoewel aanvullende overwegingen zoals beveiliging in dit concept niet expliciet aan de orde komen, stelt het open karakter van het ontwerp elke potentiële bouwer in staat om deze en andere zorgen over het beheer van hun eigen gegevens in overweging te nemen. Met controle over hun speciaal gebouwde 'internet of things', kunnen boeren mogelijk profiteren van de verbeteringen aan inzicht en efficiëntie die IoT belooft zonder de bruikbaarheid te verliezen.

Wat daarna komt

Hoewel dit onderzoeksproject bedoeld was om toe te voegen aan een oeuvre over betaalbare toegang tot slimme landbouw, gaat de waarde verder. Het concept van het gebruik van populaire en algemeen verkrijgbare componenten zoals Arduino's verlaagt niet alleen de kosten van toegang tot slimme landbouw; het betekent ook dat boeren meer controle hebben over hun bedrijf.

Met name voor zelfvoorzienende boeren en middelgrote bedrijven over de hele wereld, vindt deze democratisering plaats op een kritiek moment terwijl ze moeilijke zakelijke beslissingen nemen.

>> Een eerdere versie van dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EEWeb.