Intelligente Sensoren: Der Schlüssel zur präzisen landwirtschaftlichen Produktion

Industrie 4.0: T-Labs präsentieren einen Prototypen für Smart Farming (November 2018).

Anonim

Ohne neue technologische Ansätze für die Landwirtschaft ist die Aussicht, den Nährstoffbedarf der Weltbevölkerung im Jahr 2050 zu decken, entmutigend

Von STEPHEN WHALLEY,
Chief Strategy Officer,
MEMS & Sensors Industry Group
www.memsindustrygroup.org

Nach Angaben der Vereinten Nationen werden bis 2050 9, 6 Milliarden Menschen auf dem Planeten Erde leben. Um diese Mündungen zu ernähren, müssen gleichzeitig drei große Bedürfnisse befriedigt werden: Quantität, Umwelt und Kultur. Das World Resources Institute (WRI) prognostiziert, dass wir die Lücke von etwa 70% zwischen der heutigen und der benötigten Menge bis 2050 schließen müssen. Wir müssen auch die Auswirkungen der Landwirtschaft auf Klima, Ökosysteme und Wasser reduzieren . Schließlich müssen wir sicherstellen, dass die Landwirtschaft eine integrative wirtschaftliche und soziale Entwicklung unterstützt.
Für IBM Researcher und Distinguished Engineer Ulisses Mello und ein Team von IBM Research - Brasilien-Wissenschaftlern liegt die Antwort auf diese gewaltigen Herausforderungen in der Echtzeitdatenerfassung und -analyse. Sie erforschen, wie "Precision Agriculture" -Techniken und -Technologien die Nahrungsmittelproduktion maximieren, die Umweltbelastung minimieren und die Kosten senken können.
Was ist "Präzisionslandwirtschaft"? Denken Sie daran, dass die Landwirtschaft traditionell dadurch ausgeübt wird, dass eine bestimmte Aufgabe wie Anpflanzen oder Ernten nach einem festgelegten Zeitplan ausgeführt wird. Durch die Erfassung von Echtzeitdaten zu Wetter, Boden- und Luftqualität, Fruchtbarkeit und sogar Ausstattung, Arbeitskosten und Verfügbarkeit können Landwirte Predictive Analytics nutzen, um intelligentere Entscheidungen zu treffen. Letzteres, mehr technologischer Prozess, ist mit "Präzisionslandwirtschaft" gemeint.
Bei der Präzisionslandwirtschaft sammeln und verarbeiten Kontrollzentren Daten in Echtzeit, um Landwirten dabei zu helfen, die besten Entscheidungen in Bezug auf das Pflanzen, Düngen und Ernten zu treffen. Sie platzieren Sensoren in den Feldern, um die Temperatur und Feuchtigkeit des Bodens und der umgebenden Luft zu messen. Darüber hinaus machen diese Kontrollzentren Aufnahmen von Feldern mit Satellitenbildern und Roboterdrohnen.
Bislang waren größere Unternehmen besser für Präzisionslandwirtschaftstechnologien geeignet, da diese Technologien eine robuste IT-Infrastruktur und Ressourcen für die Überwachung benötigen. Mello ist jedoch der Ansicht, dass Cloud-fähige Technologien die Eintrittsbarriere senken werden, damit kleinere Farmen und Kooperativen mobile Geräte und Crowdsourcing nutzen können, um ihre eigene Landwirtschaft zu optimieren. "Ein Landwirt könnte mit seinem Telefon ein Bild von einer Pflanze machen und es in eine Datenbank hochladen, wo ein Experte die Reife der Pflanze anhand ihrer Färbung und anderer Eigenschaften beurteilen könnte", sagte Mello. "Die Leute könnten ihre eigenen Angaben zu Temperatur und Feuchtigkeit liefern, um Sensordaten zu ersetzen, falls keine verfügbar sind."
Die MEMS & Sensors Industry Group (MSIG) ist sehr interessiert an der Verbindung zwischen Sensoren und deren Verwendung bei der Bewältigung wichtiger weltweiter Probleme wie Hunger, Umweltprobleme und Gesundheitszugang. Tatsächlich erwartet MSIG, dass bis zum Jahr 2020 mehr als eine Billion Sensoren (TSensoren) diese weit reichenden Anwendungen bevölkern werden. Aber Sensoren, die helfen, Milliarden von Menschen zu ernähren, erfordern Wasser- und Bodenmanagement, Präzisionslandwirtschaft und Verbesserungen der Ernteerträge und -qualität.

IoT rot und reif
Ein erwähnenswertes Projekt zum Thema Internet der Dinge im Internet, "Das Internet der Tomaten", wird von der kleineren Bauerngemeinschaft vorangetrieben. Mitglieder von MSIG konzipierten dieses Projekt auf dem MEMS & Sensors Executive Congress 2014, als Hauptredner Francis Gouillart, Präsident und Mitbegründer der Experience Co-Creation Partnership, eine Herausforderung an das Publikum schmiedete. Er forderte die Zuschauer dazu auf, mithilfe der sensorbasierten IoT-Technologie Daten entlang der Ag-Food-Wertschöpfungskette von Tomaten zu sammeln. Er ermahnte diese Konferenzteilnehmer, alle Stakeholder oder Akteure der Wertschöpfungskette der Tomate in einen datengesteuerten Dialog einzubeziehen, der darauf abzielte, die Gesamtqualität des fertigen Tomatenprodukts zu verändern. Durch "Co-Creation" beabsichtigte er, die Effizienz von Anbau, Vertrieb, Verarbeitung und Verkauf dieser Tomaten zu verbessern.

Abb. 1: Im Mittelpunkt des Internets von Tomatoes Project steht ein sensorbasiertes System zur Messung der Qualität der beliebten roten Produkte. Quelle: ADI.
Analog Devices (ADI) hat die Herausforderung mit Begeisterung angenommen und arbeitet seitdem mit Gouillart und der gesamten Farm-to-Table-Lieferkette zusammen. ADI entwickelt die Kerntechnologie über seine Fenway-Entwicklungsplattform ( Abb. 1 ), die mehrere firmeneigene Sensoren und einen Mikrocontroller enthält. ADI nutzt auch mehrere technische Vereinbarungen oder Partnerschaften mit anderen Unternehmen. In der Tat hat ADI kürzlich eine Vereinbarung mit Consumer Physics angekündigt, die SCiO anbietet, ein molekulares Sensorgerät, das in den "Internet of Tomatoes" -Ansatz integriert ist. ADI stellt auch das Rapid-Prototyping-Team zur Verfügung, das erforderlich ist, um die Technologie ständig an die Bedürfnisse von Tomatenbauern und anderen Akteuren der Wertschöpfungskette in verschiedenen Teilen der Welt anzupassen.
Das Internet of Tomatoes-Projekt bietet eine neutrale, transparente, datengetriebene Sichtweise auf Produktivität und Qualität entlang der Tomatenkette, die die verschiedenen Akteure zu unterschiedlichen, für beide Seiten vorteilhaften Entscheidungen führt und damit die gesamte Wertschöpfungskette verändert und die Entwicklung fördert und Verkauf der Basistechnologien und zugehörigen Dienstleistungen.

Entspannende Pflanzen
Ein anderes kleines Unternehmen, die PlantCare AG mit Sitz in der Schweiz, bietet den "weltweit ersten selbstlernenden Bewässerungscomputer, der die Messungen von bis zu 60 drahtlos verbundenen Bodenfeuchtesensoren intelligent bewertet." Das System der PlantCare AG ( Bild 2 ) sorgt dafür mit Sensoren Pflanzen wachsen stressfrei: Sie erhalten genug Wasser, aber nicht zu viel, was sie auch weniger krankheitsanfällig und schädlingsresistenter macht. Angesichts der Tatsache, dass die Dürre in zahlreichen Regionen weltweit eine Bedrohung darstellt, bietet der Wasserschutz einen nachhaltigeren Ansatz für die Bewässerung.

Abb. 2: Das System der PlantCare AG zielt darauf ab, die Wachstumsumgebung - Feuchtigkeit, Chemie / Dünger und andere Faktoren - so zu kontrollieren, dass die Produkte von der Aussaat bis zur Ernte weniger Umweltbelastung erfahren. Quelle: PlantCare AG.
Wenn Wasser, Sonne und nahrungsfreier, schadstofffreier Boden die grundlegenden Grundbausteine ​​der Landwirtschaft sind, dann sollten wir die Bienen nicht vergessen. Pollinatoren sind für ein Drittel aller Nutzpflanzen notwendig, die weltweit direkt für Lebensmittel verwendet werden. Aber das letzte Jahrzehnt war hart für sie und ihre Anzahl wurde Jahr für Jahr reduziert. Bienenkolonie-Kollaps-Störung (CCD) trug im Jahr 2015 zu einem Verlust von 42% der Bienenpopulation bei.
Apiologen - Honigbienenforscher - schreiben CCD mehreren Quellen zu, einschließlich Parasiten, Viren und Pestiziden. Die primären parasitären Verdächtigen sind Milben, die Honigbienenvölker infizieren und zerstören. Eltopia Communications 'Intelligent Foundation-Plattform mit dem Codenamen MiteNot verwendet mehrere Sensoren, eine MCU und Energieverwaltungskomponenten von STMicroelectronics, um Daten über Umweltbedingungen zu überwachen und zu sammeln und Parasiten zu eliminieren, die zum Honigbienen-CCD beitragen. Die Plattform ist eine kompostierbare Folie, die den Lebenszyklus der Bienen und Parasiten erfasst. Die Lösung interagiert dann mit der Kolonie, um gezielte Hitze anzuwenden, um die Milben zu sterilisieren, ohne die Bienen und ohne Pestizide zu schädigen. Eine schnelle Suche im Internet zeigt andere Projekte, die Bienenstände und Projekte erkennen, in denen Sensoren auf dem Rücken von Bienen angebracht sind.

Herdenmutterschaft
An der Rinderfront werden verschiedene Sensoren eingesetzt, um die Tiergesundheit, optimale Paarungszeiten, Schwangerschaftsdetektion und Geburtszeiten zu überwachen. Ein solches Gerät, Moocall ( Abb. 3 ), ist ein nicht-invasiver, am Heck befestigter Sensor, der über 600 Daten pro Sekunde sammelt. Es kann genau vorhersagen, wann eine Kuh am wahrscheinlichsten gebären wird, indem sie Muster der Schwanzbewegung misst, die durch Kontraktionen der Arbeit ausgelöst werden. Wenn diese Schweifbewegungen im Laufe der Zeit ein bestimmtes Intensitätsniveau erreichen, sendet Moocall im Durchschnitt eine Stunde vor dem Abkalben einen SMS-Textalarm direkt an ein Mobiltelefon.

Abb. 3: Der Moocall-Sensor wurde entwickelt, um am Schwanz einer Kuh angebracht zu werden. Er sammelt und überträgt Daten über die Bewegungen des Schwanzes, die anzeigen, wann eine Kuh zur Arbeit geht. Diese Daten werden verwendet, um einem Landwirt zu einem Zeitpunkt zu signalisieren, an dem er oder sie aktiv werden muss. Quelle: Moocall.
Alle vorangegangenen Beispiele illustrieren, wie sich Technologen glücklicherweise der Aufgabe widmen, den Welthunger und hochwertige Nahrungsmittel für alle von oben bis unten in der Nahrungskette zu lösen. Trotzdem müssen alle auf vernünftige Weise daran arbeiten, unser Leben individuell in Harmonie mit dem Ökosystem der Erde zu leben. Neben unserem eigenen Sinn für das, was richtig und notwendig ist, könnten wir in Zukunft auch Milliarden und vielleicht Billionen von Sensoren (siehe MSENS TSensoren-Initiative) verwenden, um uns zu sagen, was im Boden, dem Wasser, vor sich geht, Luft, Getreide und Vieh. Mit Hilfe der Präzisionslandwirtschaft können wir viel schlauer sein, um sicherzustellen, dass im Jahr 2050 Essen auf dem Tisch liegt.

Von STEPHEN WHALLEY, Leiter Strategie, MEMS & Sensors Industry Group, www.memsindustrygroup.org