Projetando sistemas de agricultura inteligente de código aberto

Nos últimos 20 anos, a computação mudou drasticamente o mundo, e o setor agrícola sentiu o impacto. Equipamentos avançados agora podem levar a uma produção mais eficiente; sementes modificadas podem facilitar o manejo de pragas; e a automação tem permitido que muitas tarefas mudem, mesmo que elas não desapareçam. No entanto, os agricultores descobriram cada vez mais que a tecnologia em que confiam é uma faca de dois gumes.

Ao mesmo tempo, os agricultores lutam contra uma série de desafios comerciais crescentes. Eles também se veem incapazes de fazer manutenção ou consertar suas máquinas da mesma maneira que costumavam fazer por causa do gerenciamento de direitos digitais de software e outras decisões de design de equipamento que favorecem a receita de serviços dos fabricantes de equipamentos em relação aos agricultores. Nos limites mais extremos dessa tensão entre fornecedores e agricultores, os agricultores tornaram-se até mesmo obrigados a produtores exclusivos de sementes para algumas safras, já que a polinização cruzada com plantas geneticamente modificadas patenteadas em campos adjacentes atrai litígios dos produtores de sementes.

Essas lutas fazem com que os agricultores de todo o mundo se esforcem para se manterem competitivos. Nessa competição, eles são empurrados pelos fornecedores para sementes, equipamentos, produtos químicos e outros insumos em seus negócios sobre os quais têm controle incompleto. Os agricultores estão perdendo a escolha de consertar seus equipamentos, guardar sementes ou tomar outras medidas de redução de custos comprovadas pelo tempo. Eles desconfiam dos custos não mencionados da tecnologia em seu trabalho.

Com esse desafio, surge a oportunidade de construir ferramentas agrícolas que devolvam energia ao agricultor. Se os agricultores puderem construir ou reter o direito de editar e usar mais de seus equipamentos, o caminho em direção a fazendas “mais inteligentes” se torna muito mais atraente para os agricultores. A agricultura em geral está vendo grandes oportunidades para tecnologia de ponta, como a internet das coisas e inteligência artificial. O código aberto e outros meios úteis de implementação dessas ferramentas são essenciais para que os agricultores mantenham sua vantagem competitiva.

Projetando sistemas de fazenda inteligente de baixo custo e código aberto

Um projeto de pesquisa recente conduzido em Bangladesh foi baseado em trabalhos anteriores, criando um modelo de código aberto para agricultura inteligente. Este modelo faz uso intenso de componentes do Arduino, apresenta um sistema de monitoramento ambiental abrangente, define abordagens para análise de dados e cria caminhos para gerenciamento automatizado de insumos agrícolas. Embora o foco principal do sistema de teste construído tenha sido a produção de campo, já se prevê que a arquitetura geral possa ser aplicada a estufas, produção de gado e mais aplicações agrícolas no futuro.

Baseando todos os equipamentos de monitoramento no Arduino Mega 2560, este projeto foi centrado em uma malha de "nós de monitoramento" configurados em um campo agrícola, com um único "nó central" agregando todos os dados, disparando eventos automatizados e passando dados para a nuvem.

Construindo uma malha de sensor

Cada “nó de monitoramento” adiciona um conjunto de sensores à placa Arduino Mega. Os pesquisadores envolvidos escolheram dispositivos que eram acessíveis para uma ampla demografia com base no custo, facilidade de uso e flexibilidade.

Para equipar um único nó de monitoramento, a placa Arduino foi estendida com o seguinte:

• Módulo transceptor sem fio nRF24L01 + PA / LNA para comunicação com o nó central - Usando um protocolo sem fio integrado e espectro de 2,4 GHz, este dispositivo pode transmitir até 1.100 m; o espectro de 2,4 GHz permite 125 canais exclusivos, estendendo o número de conexões possíveis para um único farm e nó central.
• Sensor de temperatura e umidade DHT11 para medição de temperatura e umidade de superfície.
• Sensor de movimento PIR, que depende de imagens infravermelhas para detectar movimento e alertar os agricultores sobre pragas ou invasores.
• Sensor de gás MQ-135, que detecta vários compostos orgânicos no ar, incluindo fumaça.
• Sensor de pressão barométrica BMP180 para detectar mudanças na pressão barométrica, indicando o potencial para tempestades ou outros padrões climáticos de entrada.
• Sensor de umidade do solo, que mede a resistência elétrica do solo para determinar o nível de saturação de água do solo.
• Sensor de detecção de chuva, que verifica a queda de chuva medindo a resistência em uma placa de detecção.
• medidor de pH, que determina a acidez do solo e a necessidade potencial de adições de solo.

Com uma ampla seleção de acessórios em mãos, o projeto de pesquisa criou várias unidades de detecção que poderiam ser implantadas em um grande campo. Dado o hardware de comunicação sem fio selecionado, um único nó central poderia servir a nós de monitoramento dispersos em até 2.200 m de diâmetro. Para preparar cada nó de monitoramento, cada Arduino foi conectado com seu array de sensores, programado para armazenar e compartilhar todos os dados do sensor e endereçado para fins de comunicação.

Uma vez que os nós de monitoramento foram criados, a equipe voltou sua atenção para o nó central, com a tarefa de análise e comunicação das condições de campo.

Equipar a comunicação e a gestão da fazenda

Supervisionar a coleção de nós de monitoramento é um “nó central” projetado para agregar, relatar e agir sobre os dados coletados ao redor de um campo. Construído na mesma plataforma Arduino Mega 2560, ele retransmite o que está acontecendo em toda a fazenda. No lugar do equipamento sensor empacotado com cada nó de monitoramento, o nó central tem um cartão Wi-Fi e rádio celular com um cartão SIM para transferência “sempre ligada” de dados para a nuvem. A equipe de pesquisa ainda conceituou a adição de servos, motores e hardware semelhante se e quando fosse útil para o gerenciamento de irrigação automatizada e outros sistemas complementares em toda a fazenda de teste.

Com este projeto, um único computador central e dispositivo de comunicação GSM podem transmitir informações coletadas em uma grande faixa de terra. Outras vantagens são inúmeras - dadas as suas funções centralizadas, o nó central está programado para:

• Alerte os agricultores via SMS sobre mudanças nas condições e intervenções necessárias
• Gerenciar entradas acessíveis, como ligar a irrigação em áreas que precisam de água
• Envie os dados coletados para a nuvem para processamento, análise e ação adicionais

Vinculando a coleta de dados ao gerenciamento total da fazenda inteligente

Para alimentar a rede de nós, a equipe emparelhou um painel solar fotovoltaico com uma bateria, permitindo disponibilidade consistente de energia no campo. A natureza básica dos componentes usados ​​garante baixo consumo de energia de cada nó, reduzindo o fornecimento geral necessário para operar o sistema.

Com um fluxo constante de dados abertamente acessíveis fluindo do campo, as opções para automatizar mais o gerenciamento de uma fazenda se tornam flexíveis. Como exemplo, o projeto de pesquisa escolheu o Planilhas Google para agregação e análise dos dados do sensor. Embora o software do Google seja adequado para essa finalidade e o pacote do Google, em particular, seja gratuito, muitas ferramentas de armazenamento e análise de dados podem servir para a mesma função.

No tópico de drones agrícolas construídos especificamente, a equipe da mesma forma foi capaz de criar um quadricóptero básico com componentes prontos para uso. Alterações específicas em um drone típico incluirão eventualmente a capacidade de transportar e aplicar com precisão cargas úteis de pesticidas e fertilizantes. Outras melhorias no tempo podem incluir abordagens avançadas na detecção e eliminação de pragas, coleta adicional de dados de cultivo ou podem até mesmo aproveitar os avanços do aprendizado de máquina na classificação de produtos.

À medida que cada uma dessas peças se encaixam, um conceito aberto de alto desempenho para o gerenciamento de toda a fazenda toma forma. Embora considerações adicionais, como segurança, não sejam abordadas explicitamente de forma extensa neste conceito, a natureza aberta do design permite que qualquer construtor em potencial considere esta e outras preocupações sobre o gerenciamento de seus próprios dados. Com o controle sobre sua “internet das coisas” desenvolvida para esse fim, os fazendeiros podem aproveitar as melhorias no insight e na eficiência que a IoT promete sem perder a capacidade de manutenção.

O que vem a seguir

Embora este projeto de pesquisa tenha como objetivo agregar a um corpo de trabalho sobre o acesso acessível à agricultura inteligente, o valor se estende ainda mais. O conceito de usar componentes populares e amplamente disponíveis, como Arduinos, não apenas reduz o custo de entrada na agricultura inteligente; também significa que os agricultores têm mais controle sobre seus negócios.

Particularmente para agricultores de subsistência e operações de médio porte em todo o mundo, essa democratização está acontecendo em um momento crítico enquanto eles navegam em difíceis decisões de negócios.

>> Uma versão anterior deste artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EEWeb.