オープンソースのスマート農業システムの設計

過去20年間で、コンピューティングは世界を劇的に変え、農業業界はその影響を感じてきました。高度な機器により、より効率的な生産が可能になりました。改変された種子は害虫管理を容易にすることができます。自動化により、多くの雑用が消えなくても変更できるようになりました。しかし、農民は、彼らが依存している技術が両刃の剣であることにますます気づいています。

同時に、農民は多くの増大するビジネス上の課題と闘っています。また、ソフトウェアのデジタル著作権管理や、農家よりも機器メーカーのサービス収益を優先するその他の機器設計の決定により、以前と同じ方法で機械の保守や修理を行うことができないことに気づきました。供給業者と農民の間のこの緊張の最も極端な範囲では、隣接する畑で特許を取得した遺伝子組み換え植物との他家受粉が種子生産者から訴訟を起こすため、農民は一部の作物の種子の独占生産者にさえ見守られています。

これらの闘争は、世界中の農民が競争力を維持するために深く到達することを余儀なくさせます。この競争では、彼らは、彼らが不完全に管理している彼らのビジネスへの種子、設備、化学物質、および他の投入物に向かって供給者によって彼ら自身を押されていることに気づきます。農家は、機器を修理したり、種子を保存したり、その他の実績のあるコスト削減策を講じたりする選択肢を失っています。彼らは、彼らの仕事におけるテクノロジーの言及されていないコストに警戒しています。

この課題には、農家に力を与える農業ツールを構築する機会があります。農家がより多くの機器を編集して使用する権利を構築または保持できる場合、「よりスマートな」農家への道は農家にとってはるかに魅力的なものになります。農業は一般的に、モノのインターネットや人工知能などの最先端技術に大きなチャンスを見出しています。これらのツールを実装するためのオープンソースやその他の有用な手段は、農家が競争力を維持するために重要です。

オープンソースで低コストのスマートファームシステムの設計

バングラデシュで実施された最近の研究プロジェクトは、スマート農業のオープンソースモデルを作成することにより、以前の研究に基づいています。このモデルは、Arduinoコンポーネントを多用し、包括的な環境モニタリングシステムをレイアウトし、データ分析のアプローチを定義し、自動化されたファーム入力管理のパスを作成します。構築されたテストシステムの主な焦点はフィールド生産でしたが、一般的なアーキテクチャは、温室、家畜生産、および将来のより多くの農業用途に適用できることがすでに予想されています。

このプロジェクトは、すべての監視機器をArduino Mega 2560に基づいており、農業分野全体に設定された「監視ノード」のメッシュを中心としており、単一の「中央ノード」がすべてのデータを集約し、自動イベントをトリガーし、データをクラウドに渡します。

センサーメッシュの構築

各「監視ノード」は、Arduinoメガボードにセンサーのアレイを追加します。関係する研究者は、コスト、使いやすさ、柔軟性に基づいて、幅広い人口統計にアクセスできるデバイスを選択しました。

単一の監視ノードを装備するために、Arduinoボードは次のように拡張されました：

• 中央ノードに通信するためのnRF24L01 + PA / LNAワイヤレストランシーバモジュール—組み込みのワイヤレスプロトコルと2.4 GHzスペクトルを使用して、このデバイスは1,100mまで送信できます。 2.4 GHzスペクトルは、125の固有のチャネルを可能にし、単一のファームと中央ノードで可能な接続の数を拡張します。
• 表面の温度と湿度を測定するためのDHT11温度と湿度センサー。
• PIRモーションセンサー。赤外線画像に依存してモーションを検出し、農民に害虫や侵入者を警告します。
• 煙を含む空気中のいくつかの有機化合物を検出するMQ-135ガスセンサー。
• BMP180気圧センサーは、気圧の変化を検出し、暴風雨やその他の到来する気象パターンの可能性を示します。
• 土壌水分センサー。土壌内の電気抵抗を測定して、地面の水分飽和レベルを測定します。
• 降雨検知センサー。検出プレート全体の抵抗を測定することにより、降雨をチェックします。
• pHメーター。土壌の酸性度と土壌添加の潜在的な必要性を判断します。

手元にあるアタッチメントの幅広い選択により、研究プロジェクトは、広いフィールドに展開できるいくつかのセンシングユニットを作成しました。選択された無線通信ハードウェアを考えると、単一の中央ノードが最大直径2,200mの分散監視ノードにサービスを提供できます。各監視ノードを準備するために、各Arduinoはセンサーアレイに配線され、すべてのセンサーデータを保存および共有するようにプログラムされ、通信のためにアドレス指定されました。

監視ノードが作成されると、チームは中央ノードに注意を向け、フィールド条件のさらなる分析と通信を担当しました。

コミュニケーションと農場管理の装備

監視ノードの収集を監視するのは、フィールド周辺から収集されたデータを集約、報告、および処理するように設計された「中央ノード」です。同じArduinoMega 2560プラットフォーム上に構築されており、ファーム全体で起こっていることを中継します。各監視ノードにパッケージ化されたセンサー機器の代わりに、中央ノードには、クラウドへのデータの「常時転送」用のWi-FiカードとSIMカード付きのセルラー無線があります。研究チームはさらに、テストファーム全体の自動灌漑やその他の補完システムの管理に役立つ場合は、サーボ、モーター、および同様のハードウェアを追加することを概念化しました。

この設計により、単一の中央コンピュータとGSM通信デバイスが、広大な土地で収集された情報を中継できます。他にも多くの利点があります—その集中化された機能を考えると、中央ノードは次のようにプログラムされています：

• SMSを介して農家に状況の変化と必要な介入を警告する
• 水が必要な地域への灌漑をオンにするなど、アクセス可能な入力を管理します
• 追加の処理、分析、アクションのために、収集したデータをクラウドにプッシュします

データ収集を完全なスマートファーム管理に結び付ける

ノードのネットワークに電力を供給するために、チームは太陽光発電ソーラーパネルとバッテリーを組み合わせて、現場で一貫した電力の可用性を実現しました。使用されるコンポーネントの基本的な性質により、各ノードからの消費電力が低くなり、システムの運用に必要な全体的な供給が削減されます。

オープンにアクセス可能なデータがフィールドから安定して流れるため、ファームの管理をさらに自動化するためのオプションが柔軟になります。例として、研究プロジェクトはセンサーデータの集計と分析にGoogleスプレッドシートを選択しました。 Googleのソフトウェアはこの目的に非常に適しており、特にGoogleスイートは無料ですが、多くのデータストレージおよび分析ツールが同じ機能を果たす可能性があります。

専用の農業用無人機のトピックについては、チームは同様に、既製のコンポーネントを備えた基本的なクワッドコプターを作成することができました。典型的なドローンへの特定の変更には、最終的には、農薬や肥料のペイロードを運び、正確に適用する機能が含まれます。時間のさらなる改善には、害虫の検出と除去の高度なアプローチ、追加の作物データ収集が含まれる場合があります。また、農産物の等級付けにおける機械学習の進歩を利用することもできます。

これらの各要素が適切に配置されると、ファーム全体を管理するための高性能でオープンなコンセプトが形成されます。この概念では、セキュリティなどの追加の考慮事項については詳しく説明していませんが、設計のオープンな性質により、将来のビルダーは、自分のデータの管理に関するこの懸念やその他の懸念を考慮することができます。専用の「モノのインターネット」を管理することで、農家は保守性を失うことなく、IoTが約束する洞察と効率の向上を享受できる可能性があります。

次に来るもの

この研究プロジェクトは、スマートファーミングへの手頃なアクセスに関する一連の作業に追加することを目的としていましたが、その価値はさらに広がります。 Arduinosなどの人気があり広く利用可能なコンポーネントを使用するという概念は、スマートファーミングへの参入コストを削減するだけではありません。それはまた、農民が彼らのビジネスをよりコントロールできることを意味します。

特に、世界中の自給自足農民や中規模の事業にとって、この民主化は、困難なビジネス上の意思決定をナビゲートする重要な時期に起こっています。

>>この記事の以前のバージョンもともとは姉妹サイトのEEWebで公開されていました。