Предотвращение заболеваний
В сельском хозяйстве информационные системы, использование которых было невообразимо поколение назад, сегодня активно помогают в управлении растениеводством и фермами. Например, интеллектуальное сельское хозяйство – это одна из областей, где технологии использования датчиков приносят новые возможности, позволяющие решить старые проблемы.Болезни и вредители отрицательно влияют на производство сельскохозяйственных культур и виноградников и ежегодно наносят огромный экономический ущерб. К сожалению, традиционные методы лечения требуют дополнительных затрат для производителей и в значительной степени неэффективны.
Однако применение датчиков помогает улучшить эту ситуацию (рис. 1). Анализ информации, полученной с беспроводных датчиков, позволяет расширить возможности систем прогнозирования заболеваний [1].
При этом работы по борьбе с вредителями и по орошению могут быть выполнены тогда, когда это необходимо. Конечным результатом является более эффективное управление, улучшение качества продукции и снижение затрат. Контролируя и анализируя условия микроклимата, такие как температура и влажность воздуха, влажность листьев и количество осадков, можно предсказать развитие некоторых из наиболее серьёзных заболеваний, а также предложить точно в срок целенаправленные процедуры, необходимые для поддержания сельскохозяйственных культур и виноградников здоровыми.
Фермеры и производители могут корректировать свои действия, исходя из текущей ситуации на местах, с помощью систем контроля и анализа микроклимата, которые генерируют и отправляют уведомления с прогнозируемыми датами фенологических событий, позволяя производителям готовить инсектицидные мероприятия вовремя. Применение подобных платформ даёт множество преимуществ для фермеров, включая экономию не только времени и денег, но и экономию, связанную с защитой окружающей среды, так как токсичные распыления будут выполняться только в случае крайней необходимости. Более того, они могут предупреждать фермеров и виноделов о засухе почвы и о других условиях, которые могут потребовать внимания или вмешательства человека. Пользователи могут создавать отчёты о техническом обслуживании и погоде, а также входить в систему непосредственно из виноградников, садов и полей.
Основой таких систем может стать беспроводная платформа с датчиками Waspmote Plug & Sense! испанской компании Libelium. Основными факторами выбора этой платформы являются низкая стоимость решения по сравнению с традиционными метеорологическими станциями, универсальность программного кода, а также гибкость применения платформы.
Платформа Waspmote Plug & Sense! предлагает заказчикам решение для мониторинга текущих погодных условий на каждом участке. Датчики предоставляют точную информацию о важных параметрах: температуре окружающей среды, влажности, количестве осадков, атмосферном давлении, направлении и скорости ветра, влажности почвы и листьев. Эти параметры необходимы для оценки климатической специфики в каждой области и контроля окружающей среды. Платформы с датчиками устанавливаются в местах, где метеорологическая информация недоступна из-за отсутствия метеорологических станций. В состав входит солнечная панель, которая обеспечивает более длительное автономное питание устройств. Платформы Waspmote Plug & Sense!
могут быть подключены либо к шлюзам Meshlium, которые собирают информацию со всех подключённых по беспроводным интерфейсам устройств, а затем отправляют в облачный сервис, либо с помощью 4G или LoRaWAN могут быть подключены непосредственно к облачным сервисам. Там информация собирается и анализируется, и на основе накопленных данных выдаются рекомендации по проведению сельскохозяйственных работ.
Благодаря быстрому и простому развёртыванию узлов с набором датчиков стоимость умного решения невысокая и может подходить для небольших хозяйств, а также для органического производства. Система будет полезна любому фермеру, которому необходимо обрабатывать продукцию от вредителей и болезней, и желательна оптимизация графика опрыскивания сельскохозяйственных культур. В некоторых случаях экономия на процедуре опрыскивания составляет до 20–30%.
Увеличение урожая продукции
Растения, культивируемые в теплицах, очень чувствительны к двум основным факторам: температуре воздуха (от посева до сбора урожая) и количеству воды для орошения (очень важно как в первые месяцы после посадки, так и перед сбором урожая). Оба параметра должны постоянно поддерживаться в оптимальных пределах, чтобы избежать потери продукции, которая может достигать до 80% от урожая, из-за наличия деформированных, повреждённых растений и мелких плодов. Фермеры должны знать, как изменяются температура в теплице и уровень содержания воды в почве в течение дня, чтобы принимать решения о регулировании температуры и водоснабжения.Данная задача может быть легко решена с помощью платформы Libelium Waspmote, в частности, Waspmote Plug & Sense! Smart Agriculture. Датчики температуры воздуха и содержания воды в почве, расположенные рядом с растениями, позволяют проводить непрерывный мониторинг урожая. Фермер может мгновенно проверить состояние растений по мобильному телефону и получать предупреждения при достижении предельных значений. Система окупается за пару лет, но у фермеров сразу появляется несколько преимуществ [2]:
- они экономят время, потому что им не нужно каждый день (часы в неделю!) находиться в поле, чтобы контролировать состояние урожая;
- они более уверены в результатах труда, поскольку их решения основаны на реальных данных, которые постоянно собираются и получаются из автоматизированной системы;
- они экономят деньги и энергию, снижая ежедневную подачу воды на 30% после посадки и на 15% во время сбора урожая;
- они уменьшают потери продукции из-за деформированных, повреждённых растений, мелких плодов и гнили;
- они поддерживают высокие и стабильные стандарты качества, которые повышают лояльность потребителя, и позволяют продавать продукцию по постоянной цене на протяжении всего периода уборки.
Одним из решений может быть контроль деревьев и растений (рис. 2) с помощью различных датчиков, подключённых к Waspmote Plug & Sense!
Комплект Waspmote Plug & Sense! Smart Agriculture позволяет отслеживать следующие параметры [3]:
- влажность и температуру воздуха;
- влажность почвы;
- температуру почвы;
- диаметр ствола;
- диаметр фрукта;
- осадки (плювиометр);
- солнечную радиацию.
С помощью мониторинга этих параметров можно дистанционно контролировать параметры окружающей среды и агрономические вариации. Это также позволяет делать прогноз урожая, оптимизировать использование воды, предотвращать болезни, уменьшать применение удобрений и каталогизировать почвы в зависимости от климата и выращиваемой культуры.
Некоторые из преимуществ, получаемых при развёртывании данной системы:
- улучшение экологической и сельскохозяйственной устойчивости;
- содействие стабильной продуктивности посевных культур;
- управление органическими отходами;
- прослеживаемость сельскохозяйст-венных культур;
- безопасность продукта.
Контроль ирригации и повышение продуктивности
Для решения данной задачи применяется несколько платформ, установленных в различных зонах поля.Waspmote Plug & Sense! Smart Agriculture для мониторинга:
- температуры и влажности воздуха;
- атмосферного давления;
- влажности почвы;
- влажности листьев;
- температуры почвы.
- температуры и влажности воздуха;
- солнечной радиации;
- влажности почвы;
- влажности листьев;
- температуры почвы.
А наличие GPS позволяет фермерам перемещать платформы с датчиками в разные области в зависимости от потребностей. Такое решение даёт возможность фермерам разделить свои поля на более мелкие и однородные зоны, чтобы узнать конкретные потребности в воде или удобрениях. С помощью этой информации фермеры могут:
- определить количественные требования к воде, сравнить различные схемы орошения, применявшиеся в последние годы. Информация может быть отображена на карте с географической привязкой и использоваться для улучшения схем орошения;
- предсказать урожайность путём идентификации зон в пределах одного поля, где идёт более медленный рост, чем ожидалось, с пространственным разрешением до 10 метров. Эта информация позволяет фермерам оперативно действовать для увеличения роста сельскохозяйственных культур.
- определить зоны с изменением биомассы до 20%;
- найти участки, которые страдают от застоя воды, повышающего риск заражения вредителями и грибками;
- определить более эффективные ирригационные системы, которые отвечают требованиям сельскохозяйственных культур к воде.
Обеспечение здоровья сельскохозяйственных культур и сокращения потерь в питомниках
Одной из важных задач, которую можно решить с помощью технологий Интернета вещей (IoT – Internet of Things), – это контроль за ростом сельскохозяйственных культур в питомнике. Хорошим решением для этого будет применение следующего оборудования (рис. 4) [5]:
- Waspmote Plug & Sense! Smart Water, расположенные в основном водохранилище и резервуаре воды, позволяют контролировать температуру воды, pH, электропроводность (EC), окислительно-восстановительный потенциал (ORP – oxidation-reduction potential) и растворённый кислород (DO – dissolved oxygen). Оба накопителя собирают воду, стекающую со всей территории питомника во время природных осадков и орошения водой;
- Waspmote Plug & Sense! Smart Metering позволяют управлять объёмом воды для орошения с помощью ультразвукового датчика контроля уровня воды в водохранилище;
- Waspmote Plug & Sense! Smart Agriculture PRO устанавливаются в теплице, собирают информацию о температуре и влажности почвы, влажности листьев, температуре и влажности воздуха;
- Waspmote Plug & Sense! Smart Agriculture устанавливаются на открытом воздухе: один датчик с анемометром + датчик направления ветра + плювиометр контролирует скорость ветра, его порывы и направление, а также количество осадков, другой контролирует температуру и влажность почвы;
- Waspmote Plug & Sense! Ambient Control устанавливается в теплице, измеряет освещённость.
- маломощные, универсальные и полуавтономные устройства;
- широкий диапазон датчиков и измерительных зондов;
- возможность поддержки стандартных радио- и (защищённых) коммуникационных протоколов;
- простота интеграции с облачными решениями;
- надёжность и долговечность платформ и датчиков IoT;
- доступность встраиваемой программной платформы;
- доступность узлов;
- установка без внесения помех в существующую инфраструктуру и развёртывание узла на месте.
- снижение возможности человеческой ошибки путём контроля показателей качества воды (pH, EC, ORP, DO) нескольких водоёмов (дренажная яма, водохранилище и резервуар для воды);
- повышение урожайности сельскохозяйственных культур путём измерения дополнительных параметров окружающей среды, как в теплицах, так и на открытом воздухе, обеспечение контроля ключевых параметров окружающей среды;
- внедрение технологии, которая была бы доступной по стоимости, с низкими эксплуатационными расходами, потреблением энергии и техническим обслуживанием, не требующей специальной калибровки, не вносящей помех в работу питомника и не меняющей его ландшафта.
Внедрение беспроводной сети датчиков улучшило общую урожайность, обеспечив фермера всеми параметрами роста, такими как температура, освещённость и влажность, как в теплицах, так и на улице. Теперь можно оказывать воздействие на урожайность уже на ранних стадиях выращивания культур, именно в то время, когда некоторые из этих параметров могут серьёзно влиять на рост молодых растений.
Умное сельское хозяйство для органических ферм
Умное земледелие и органические фермы – это две основные тенденции развития современного сельского хозяйства. Своевременный сбор данных о погодных условиях, температуре и влажности почвы, о том, как происходит рост сельскохозяйственных культур, дальнейший анализ информации и выработка рекомендаций могут помочь фермерам увеличить урожай и снизить потери. Одним из оптимальных вариантов решения данной задачи является внедрение платформы компании Libelium. Большинство заказчиков выбирают её по причинам хорошего соотношения цена/качество, широкого набора датчиков, доступного API и примеров программирования. Помимо этого платформа Waspmote Plug & Sense! – это готовое решение из коробки. Многие заказчики отмечают, что на установку и настройку платформы Waspmote Plug & Sense! уходит порядка 20 минут.Для решения задач, необходимых для органических ферм подходят следующие продукты [6]:
- пять Waspmote Plug & Sense! Smart Agriculture PRO с датчиком влажности и температуры воздуха, датчиками температуры и влажности почвы и датчиками солнечной радиации;
- двенадцать Waspmote Plug & Sense Smart Agriculture с датчиком влажности и температуры воздуха, датчиками температуры и влажности почвы и погодной станцией WS-3000;
- четыре Waspmote Plug & Sense Smart Environment с датчиками NO₂, NH₃, CO₂, температуры и влажности воздуха и датчиком летучих органических компонентов.
Реализация подобных проектов позволит фермерам увереннее смотреть в будущее, поскольку прогнозы и предупреждения о событиях в сельском хозяйстве могут быть полезны для оптимизации урожайности сельскохозяйственных культур и, следовательно, экономят время и деньги владельцам ферм. Благодаря применению подобных датчиков можно предотвратить последствия плохих погодных условий или снизить вероятность заражения вредителями или болезнями.
Контроль воздушной среды на птицефабриках
Применение технологий Интернета вещей оправданно и на птицефабриках. Если цыплят держат в лучших условиях, то они растут быстрее, поэтому прибыль выше, а смертность ниже. Здесь важно измерять следующие параметры:- температура окружающей среды: если она низкая, цыплята тратят энергию на согревание, если очень высокая, то цыплята начинают задыхаться, поэтому, чтобы цыплята быстро росли, надо поддерживать оптимальную температуру;
- поддержание влажности в заданных значениях помогает избежать некоторых заболеваний. Некоторые вирусы и бактерии могут появляться, когда влажность очень высокая и почва не может впитать избыток влаги;
- кислород должен составлять более 16% объёма воздуха. Это самый важный параметр. Если концентрация будет очень низкой, появятся респираторные заболевания;
- аммиак выделяется при разложении органических веществ в почве. Этот газ токсичен. Значения должны быть ниже 50×10⁻⁶ для предотвращения проблем со здоровьем. Даже с этим значением численность цыплят сокращается на 10%;
- CO₂ образуется при дыхании цыплят. По европейскими требованиям уровень должен быть менее 3000×10⁻⁶.
Мониторинг качества воды на фермах по выращиванию рыбы
Искусственное выращивание рыбы известно с давних времён. И уже в 2015 году потребление рыбы, выращенной на специальных фермах, превысило потребление выросшей в диких условиях. В среднем человек в год потребляет до 20 кг рыбы, а в некоторых странах рыба является основным продуктом. При этом разведение рыбы служит одним из самых недорогих способов (1 доллар США/кг) получения животных белков.Основная забота специалистов в области рыбоводства – обеспечение здоровья рыбы. Тысячи рыб погибают в процессе роста. Мониторинг качества воды может помочь уменьшить потери на 40% и более. Основные параметры должны контролироваться не реже двух раз в день. Риск некоторых наиболее опасных заболеваний можно легко прогнозировать, просто контролируя физические параметры воды. Модели прогнозирования часто предоставляют правительственные учреждения. А в некоторых странах выращивание рыбы и вовсе происходит под контролем государства.
В большинстве случаев организация онлайн-мониторинга предоставляет следующие преимущества [7]:
- снижение стоимости и упрощение организации контроля параметров;
- данные получаются более точными;
- нет зависимости от квалификации работников;
- программируемые аварийные события;
- простое хранение данных;
- простое построение прогнозов и моделей;
- не требуется присутствие человека;
- все данные могут собираться централизованно.
Одним из оптимальных вариантов организации контроля является применение оборудования компании Libelium (рис. 6).
Платформа Waspmote Plug & Sense! Smart Water может быть развёрнута в источнике водоснабжения, а также на рыбоводческой ферме. Качество воды и процесса роста рыбы контролируется следующими параметрами:
- температура;
- проводимость;
- растворённый кислород (DO);
- окислительно-восстановительный потенциал (ORP);
- pH.
В дальнейшем можно дополнительно установить платформы Waspmote Plug & Sense! Smart Water Ions для мониторинга ионов аммония (NH₄), нитратов (NO₃) и нитритов (NO₂), являющихся основными показателями токсичности, создаваемыми собственными фекалиями рыбы.
Платформы Waspmote Plug & Sense! могут передавать данные в шлюз Meshlium по интерфейсам беспроводной связи. Информация, собираемая Meshlium, отправляется в облачный сервис. Там полученная информация анализируется и отображается в удобном для заказчика виде.
В рыбном хозяйстве площадью 5 000 м² и глубиной 4 метра может быть порядка 2 000 мальков. Через шесть месяцев можно собрать порядка 30 000 кг взрослой рыбы с примерной себестоимостью 1,50 долл. за килограмм. Расчётные потери продукта составляют около 40% от числа всех рыб, обычно из-за предотвратимых болезней, которых можно избежать, если контролировать качество воды.
Мониторинг в реальном времени на рыбной ферме способен помочь сократить потери на величину от 40 до 50%, что позволит собрать от 38 000 до 40 000 кг вместо 30 000 кг с таким же количеством мальков. Разница в обороте для каждой фермы составит не менее $12 000 каждые 6 месяцев.
Мониторинг качества воды также необходим для соблюдения международных правил, которые гарантируют качество рыбы и условия ведения сельского хозяйства. Рыбные хозяйства, внедрившие новые системы, будут в гораздо более выгодных условиях, чем те предприятия, что всё ещё работают традиционным способом.
Данные из улья: современные технологии для контроля здоровья пчёл
Медоносные пчёлы играли ключевую роль на протяжении всей известной истории, порядка 70 процентов всех растений опыляются пчёлами и порядка 30 процентов производимых продуктов питания так или иначе связаны с пчёлами [8].Поскольку жизнеспособность ульев является важнейшим показателем будущей устойчивости системы здравоохранения и сельского хозяйства плане-
ты, отчёты о стремительном снижении числа колоний по всему миру вызвали значительную тревогу.
Исследователи, экологи и общественные деятели сфокусировались на поиске причин снижения популяции пчёл и выделили следующие факторы:
- глобальное потепление ускорило темпы роста вредных патогенов, таких как клещи, вирусы и грибки. Кроме того, оно серьёзно нарушает естественные ритмы, сформированные столетиями и связывающие развитие популяции пчёл в соответствии с сезонными погодными условиями;
- пестициды, активно используемые в растениеводстве, поглощаются и передаются обратно в ульи во время опыления, в результате чего увеличивается распространение болезней, повреждающих, ослабляющих и очень часто полностью уничтожающих колонии пчёл;
- повышение уровня электромагнитного излучения, связанного с экспоненциальным ростом числа сотовых телефонов и вышек беспроводной связи, может влиять на способность пчёл ориентироваться в полёте.
Решение основано на использовании беспроводной платформы для подключения датчиков Waspmote, разработанной компанией Libelium. К этой платформе можно подключить широкий набор датчиков и по беспроводным интерфейсам передавать результаты в различные облачные платформы. В ней интегрированы датчики контроля качества воздуха, беспроводные интерфейсы ZigBee, 3G. Это решение позволяет изучать воздействие диоксида углерода, кислорода, температуры, влажности, уровня загрязняющих веществ и пыли в воздухе на жизнедеятельность пчёл.
Оборудование Waspmote Plug & Sense! выполнено в водонепроницаемом корпусе, таким образом, оно подходит для уличного размещения, а набор датчиков может быть дополнен и изменён в считанные секунды. Другим важным требованием являлась автономная работа узлов, что легко реализуется благодаря использованию аккумуляторных батарей с подзарядкой от солнечных панелей, а ультранизкое энергопотребление позволяет узлам оставаться автономными на многие годы. Это условие было особо важным, чтобы узлы, установленные внутри улья, не препятствовали работе пчеловода и не мешали нормальной жизнедеятельности колонии пчёл.
Установленные в ульях узлы измеряют уровни СО, СО₂, О₂, температуру, влажность, уровни химических загрязнений (NO₂, Н₂, NH₃, толуол, изобутан) и пыли в воздухе, все важные показатели состояния здоровья пчелиной семьи.
Одной из важных задач была передача информации о состоянии улья пчеловодам в реальном времени, а второй был сбор данных для анализа и дальнейшего исследования биологами для изучения факторов возникновения болезней и появления вредителей. Узлы с датчиками взаимодействуют через сеть ZigBee с мультипротокольным шлюзом Meshlium, который передаёт данные в облачный сервис с помощью Ethernet, Wi-Fi или 3G/GPRS, в зависимости от их доступности (рис. 7).
Данные с датчиков могут быть интегрированы с картами или географическими информационными системами (ГИС), а также легко импортированы в сторонние приложения или базы данных для анализа. Вся информация доступна для просмотра на смартфонах или планшетах.
Таким образом, современные технологии позволят осуществлять мониторинг ульев, что даст возможность осуществлять контроль и вести наблюдение за жизнью одних из важнейших существ на земле – пчёл.
Вывод
Современные технологии всё активнее внедряются в сельское хозяйство. Применение интеллектуальных датчиков и беспроводных технологий связи, а также облачных сервисов позволяет более эффективно осуществлять мониторинг важных параметров, анализировать их и выдавать рекомендации, которые позволяют снизить потери и увеличить урожай. При этом отличительными особенностями новых технологий являются относительно невысокая цена, низкие затраты на установку и развёртывание оборудования, лёгкость процесса установки и масштабируемость проектов. ●Литература
1. Precision Agriculture: Predicting Vineyard Conditions, Preventing Disease [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://www.libelium.com/precision-agriculture-predicting-vineyard-conditions-preventing-disease/.2. Smart Strawberries Crop Increases the Quality and Reduces the Time from Farm to Market [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://www.libelium.com/smart-strawberries-crop-increases-the-quality-and-reduces-the-time-from-farm....
3. Improving banana crops production and agricultural sustainability in Colombia using sensor networks [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://www.libelium.com/improving-banana-crops-production-and-agricultural-sustainability-in-colombi....
4. Precision Farming to control irrigation and improve fertilization strategies on corn crops [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://www.libelium.com/precision-farming-to-control-irrigation-and-improve-fertilization-strategies....
5. Smart Agriculture project in an Australian nursery to ensure crops health and reduce losses [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://www.libelium.com/smart-agriculture-project-in-an-australian-nursery-to-ensure-crops-health-an....
6. Smart Agriculture project for Organic Farms in UK [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://www.libelium.com/smart-agriculture-project-for-organic-farms-in-uk/.
7. Fish farm monitoring in Vietnam by controlling water quality in ponds and tanks [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://www.libelium.com/fish-farm-monitoring-in-vietnam-by-controlling-water-quality-in-ponds-and-ta....
8. Reading Beehives: Smart Sensor Technology Monitors Bee Health and Global Pollination [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://www.libelium.com/temperature-humidity-and-gases-monitoring-in-beehives/.
Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru