A água é o recurso mais essencial para a vida, tanto para os seres humanos quanto para as culturas que consumimos. Em todo o mundo, a agricultura é responsável por 70% de todo o uso de água doce.
Estudo computadores e tecnologia da informação no Instituto Politécnico de Purdue e dirijo o Laboratório de Tecnologia de Redes Ambientais (ENT) da Purdue, onde abordamos desafios de sustentabilidade e ambientais com pesquisas interdisciplinares na Internet das Coisas Agrícolas, ou Ag-IoT.

A Internet das Coisas é uma rede de objetos equipados com sensores para que possam receber e transmitir dados via internet. Os exemplos incluem dispositivos de fitness vestíveis, termostatos domésticos inteligentes e carros autônomos.

Na agricultura, envolve tecnologias como comunicações subterrâneas sem fio, sensoriamento de subsuperfície e antenas no solo. Esses sistemas ajudam os agricultores a rastrear as condições de suas terras em tempo real e a aplicar água e outros insumos, como fertilizantes, exatamente quando e onde são necessários.

Em particular, o monitoramento das condições do solo é uma grande promessa para ajudar os agricultores a usar a água de forma mais eficiente. Os sensores agora podem ser integrados sem fio aos sistemas de irrigação para fornecer conhecimento em tempo real dos níveis de umidade do solo. Estudos sugerem que essa estratégia pode reduzir a demanda de água para irrigação de 20% a 72% sem prejudicar as operações diárias nos campos de cultivo.

O que é a Internet das Coisas Agrícola?

Mesmo em lugares secos, como Oriente Médio e Norte da África, a agricultura é possível com uma gestão eficiente da água. Mas eventos climáticos extremos impulsionados pelas mudanças climáticas estão tornando isso mais difícil. Secas recorrentes no oeste dos EUA nos últimos 20 anos, juntamente com outros desastres como incêndios florestais, causaram bilhões de dólares em perdas de colheitas.

Especialistas em água mediram a umidade do solo para informar a gestão da água e as decisões de irrigação por décadas. As tecnologias automatizadas substituíram amplamente as ferramentas manuais de umidade do solo porque é difícil fazer leituras manuais da umidade do solo em campos de produção em locais remotos.

Na última década, as tecnologias de coleta de dados sem fio começaram a fornecer acesso em tempo real aos dados de umidade do solo, o que contribui para melhores decisões de gerenciamento de água. Essas tecnologias também podem ter muitos aplicativos avançados de IoT em segurança pública, monitoramento de infraestrutura urbana e segurança alimentar.

A Internet das Coisas Agrícolas é uma rede de rádios, antenas e sensores que reúnem informações de cultivo e solo em tempo real no campo. Para facilitar a coleta de dados, esses sensores e antenas são interconectados sem fio com equipamentos agrícolas. O Ag-IoT é uma estrutura completa que pode detectar condições em terras agrícolas, sugerir ações em resposta e enviar comandos para máquinas agrícolas.

Dispositivos de interconexão, como sensores de umidade e temperatura do solo no campo, permitem controlar sistemas de irrigação e economizar água de forma autônoma. O sistema pode programar a irrigação, monitorar as condições ambientais e controlar máquinas agrícolas, como semeadoras e aplicadores de fertilizantes. Outras aplicações incluem estimar os níveis de nutrientes do solo e identificar pragas.

Os desafios de colocar as redes no subsolo

A coleta de dados sem fio tem o potencial de ajudar os agricultores a usar a água com muito mais eficiência, mas colocar esses componentes no solo cria desafios. Por exemplo, no Purdue ENT Lab, descobrimos que quando as antenas que transmitem os dados do sensor estão enterradas no solo, suas características operacionais mudam drasticamente dependendo da umidade do solo. Meu novo livro, "Signals in the Soil", explica como isso acontece.

Os agricultores usam equipamentos pesados ​​nos campos, então as antenas devem ser enterradas profundamente o suficiente para evitar danos. À medida que o solo fica úmido, a umidade afeta a comunicação entre a rede de sensores e o sistema de controle. A água no solo absorve a energia do sinal, o que enfraquece os sinais que o sistema envia. O solo mais denso também bloqueia a transmissão do sinal.

Desenvolvemos um modelo teórico e uma antena que reduz o impacto do solo nas comunicações subterrâneas, alterando a frequência de operação e a largura de banda do sistema. With this antenna, sensors placed in top layers of soil can provide real-time soil condition information to irrigation systems at distances up to 650 feet (200 meters)—longer than two football fields.

Another solution I have developed for improving wireless communication in soil is to use directional antennas to focus signal energy in a desired direction. Antennas that direct energy toward air can also be used for long-range wireless underground communications.

What's next for the Ag-IoT

Cybersecurity is becoming increasingly important for the Ag-IoT as it matures. Networks on farms need advanced security systems to protect the information that they transfer. There's also a need for solutions that enable researchers and agricultural extension agents to merge information from multiple farms. Aggregating data this way will produce more accurate decisions about issues like water use, while preserving growers' privacy.

These networks also need to adapt to changing local conditions, such as temperature, rainfall and wind. Seasonal changes and crop growth cycles can temporarily alter operating conditions for Ag-IoT equipment. By using cloud computing and machine learning, scientists can help the Ag-IoT respond to shifts in the environment around it.

Finally, lack of high-speed internet access is still an issue in many rural communities. For example, many researchers have integrated wireless underground sensors with Ag-IoT in center pivot irrigation systems, but farmers without high-speed internet access can't install this kind of technology.

Integrating satellite-based network connectivity with the Ag-IoT can assist nonconnected farms where broadband connectivity is still unavailable. Researchers are also developing vehicle-mounted and mobile Ag-IoT platforms that use drones. Systems like these can provide continuous connectivity in the field, making digital technologies accessible for more farmers in more places. + Explorar mais

Internet-based precision irrigation system shows promise for fresh-market tomato

Este artigo é republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.