AGREUS Rolnictwo 4.0, czyli IIoT w praktyce rolnej

Inicjatywa cyfryzacji przemysłu, nazywana hasłowo Przemysł 4.0, jest już dobrze zakorzeniona w świadomości osób zainteresowanych rozwojem nowoczesnej przedsiębiorczości. Pomimo że rolnictwo rzadko jest traktowane na równi z innymi dziedzinami przemysłu to w rzeczywistości w nowoczesnej działalności rolniczej znajdują zastosowanie wszelkie reguły dotyczące prowadzenia działalności w innych gałęziach gospodarki.

„Z jednej strony rynek inteligentnych rozwiązań nawadniania rozwija się napędzany komasacją upraw rolnych, zapotrzebowaniem na profesjonalne rozwiązania oraz koniecznością racjonalizacji zużycia wody z uwagi na mającą być wdrożoną nową politykę ochrony zasobów wodnych Państwa. Z drugiej jednak strony brakuje nowoczesnych, prostych w użyciu rozwiązań, których cena byłaby możliwa do zaakceptowania, a przede wszystkim dających się łatwo skalować, co w istotny sposób pozwala obniżyć barierę wejścia nowych użytkowników – naszych klientów” – zauważa Prezes firmy INVENTIA Jerzy Białousz

Tak samo przeprowadzane są, lub też powinny być, procesy decyzyjne, gwarantujące jak najlepsze wyniki przy jak najmniejszych kosztach i zaangażowanych środkach. Tak samo również weryfikowane są efekty dobrych lub złych decyzji. Aby podejmować trafne decyzje biznesowe bezwzględnie potrzebne są rzetelne informacje, a te można uzyskać jedynie na podstawie budzących zaufanie danych. Doprowadza nas to do zagadnienia pozyskiwania danych w procesach produkcyjnych, włączając w to rolnictwo.

Jeśli przyjrzymy się sytuacji pozyskiwania danych w różnych gałęziach przemysłu to możemy zauważyć, że jest ona silnie zależna od poziomu stosowanej automatyzacji, a to nie wróży dobrze producentom rolnym. Brak dających się wysoce automatyzować procesów oraz stosunkowo niska kultura techniczna stosowanych maszyn i urządzeń nie dają szansy na masowe pozyskiwanie wieloźródłowych danych, będących podstawą skutecznego przetworzenia na użyteczne informacje. Oczywiście coraz więcej mówi się o SmartFarming, czyli rolnictwie korzystającym z dobrodziejstwa najnowocześniejszych technik, sprzęgających prace agrotechniczne z informacjami sterującymi pracą maszyn zgodnie z ustalonymi przez zaawansowane algorytmy potrzebami upraw. Technologie, które możemy umownie nazwać „Rolnictwo 4.0”, dotyczą jednak w znakomitej większości wielkopowierzchniowych upraw zbóż i innych roślin stanowiących podstawę wyżywienia ciągle zwiększającej się populacji mieszkańców Ziemi. W odmiennej sytuacji znajdują się gałęzie rolnictwa, w których produkcja odbywa się na plantacjach owoców lub warzyw. W takim przypadku opomiarowanie właściwie nie istnieje, a stosowane metody wsparcia działań agrotechnicznych oparte są na wieloletnich doświadczeniach osób prowadzących działalność oraz na danych meteo publikowanych dla poszczególnych rejonów upraw. Ze względu na bardzo duże zróżnicowanie ukształtowania terenu i warunków glebowych obszarów uprawowych nie jest możliwe uzyskanie właściwej korelacji pomiędzy publikowanymi danymi a rzeczywistą sytuacją w miejscu uprawy. Podejmowane na tej podstawie decyzje mogą być obarczone dużym błędem, skutkując stratami w uprawach lub znacznymi wydatkami na zbędne działania agrotechniczne.

Jest jednak szansa, aby sytuacja ta uległa zmianie. Pojawiają się bowiem środki techniczne pozwalające na precyzyjne określenie sytuacji klimatycznej i glebowej na znacznych obszarach upraw rolnych. Staje się to możliwe dzięki pojawieniu się technologii z dziedziny Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT), pozwalających na długotrwałą eksploatację komunikujących się bezprzewodowo, rozproszonych czujników zasilanych bateryjnie lub solarnie. Rozproszone czujniki pomiarowe parametrów glebowych lub klimatycznych mogą stać się źródłem danych dla systemów wsparcia decyzji agrotechnicznych na obszarach objętych opomiarowaniem. Temu właśnie ma służyć System AGREUS.

System AGREUS to wynik połączenia doświadczenia Inventii w dziedzinie bezprzewodowej telemetrii oraz wiedzy i umiejętności, jakie zdobywamy współpracując z Pracownią Nawadniania Zakładu Agroinżynierii Instytutu Ogrodnictwa w Skierniewicach, którą kieruje Pan prof. Waldemar Treder. Celem współpracy jest stworzenie nowej jakości w zakresie wspierania decyzji w dziedzinie nawadniania i ochrony roślin. Docelowo System AGREUS obejmować będzie wiele typów czujników środowiskowych i technicznych, których dane przesyłane będą do portalu integrującego ich zbierane oraz przetwarzającego je na informacje wspomagające decyzje plantatorów. Monitoringowi podlegać będą temperatura i wilgotność powietrza i gleby, czyli podstawowe parametry niezbędne do określenia zapotrzebowania roślin na wodę w procesie nawadniania. Dodatkowo monitorowane będą, lub też pozyskiwane ze źródeł trzecich, dane o opadach, prędkości wiatru i nasłonecznieniu, co pozwoli zwiększyć precyzję prowadzonych działań agrotechnicznych.

Historycznie rzecz ujmując system AGREUS pojawił się jako projekt mający rozwiązać problemy z właściwym nawadnianiem i to zarówno upraw rolnych, jak i przydomowych ogrodów. Dlatego też podstawą stały się pomiary wilgotności gleby i warunków pogodowych oraz sterowanie nawadnianiem. Z założenia system powinien rozwiązać wiele niedogodności obecnych systemów sterowania nawadnianiem, takich jak: konieczność prowadzenia kabli sterujących zaworami oraz ubogie możliwości tworzenia schematów nawadniania, zwykle sprowadzających się do sekwencyjnego uruchamiania poszczególnych sekcji. Niewiele systemów pozwala na korelowanie nawadniania z sytuacją pogodową i wielkością opadów, a jak dotąd trudno znaleźć system umożliwiający tworzenie elastycznych harmonogramów i odnoszący je automatycznie do zmierzonej wilgotności gleby lub danych o poziomie mających ostatnio miejsce lub prognozowanych opadów. Oczywiście sytuacja na rynku rozwiązań dla rolnictwa jest dynamiczna, ale wydaje się, że dostępne systemy zaliczane do grupy Smart nie są w stanie spełnić wszystkich oczekiwań użytkowników. Tym bardziej istotnym jest, że wybrana technologia pozyskiwania informacji pozwala rozszerzyć zastosowanie Systemu AGREUS o możliwości początkowo nieplanowane.

„Zaproponowana przez Inventię koncepcja rozproszonego systemu pomiarowego parametrów gleby, klimatu i sterowania nawadnianiem daje unikalną możliwość zastosowania czujników w ilościach i miejscach dopasowanych do potrzeb odbiorcy – klient będzie mógł rozpocząć przygodę z systemem od jednego czujnika i dalej będzie mógł system rozszerzać praktycznie bez żadnych ograniczeń, a dane będą przechowywane w chmurze internetowej z łatwym dostępem z komputera lub ze smartfonu. Połączenie czujników w sieci radiowej uwalnia użytkownika od kłopotliwego prowadzenia przewodów” – wskazuje prof. Waldemar Treder

Sercem Systemu AGREUS jest stacja bazowa transmitująca dane z/do rozproszonych terminali, czyli tworząca sieć czujników i modułów wykonawczych. Transmisja odbywa się z wykorzystaniem bezprzewodowej sieci radiowej dalekiego zasięgu – LoRa. Technologia ta, w zależności od warunków terenowych, umożliwia pokrycie swoim działaniem dużego obszaru upraw przy jednoczesnym niskim zużyciu energii, co jest parametrem krytycznym dla urządzeń zasilanych bateryjnie. Ponadto stacja bazowa AGREUS łączy się z Internetem wykorzystując Wi-Fi istniejącej sieci lokalnej, niezależnie poprzez GSM (3G, LTE) lub opcjonalnie przez kablowe połączenie Ethernet. Połączenie z Internetem pozwala przesłać zebrane dane do pracującego w chmurze Portalu AGREUS. Przesyłane dane gromadzone są na indywidualnych kontach użytkowników Systemu stając się podstawą do prowadzonych analiz i generowanych raportów.

Portal AGREUS umożliwia zarządzanie zarówno połączonymi z nim terminalami, jak i użytkownikami, pozwalając na tworzenie w ramach utworzonego konta spersonalizowanych profili użytkowników z różnymi poziomami uprawnień dostępu. Zautomatyzowane z wykorzystaniem NFC dodawanie kolejnych terminali oraz elastyczność konfiguracji ekranów informacyjnych mogących łączyć ze sobą dane bieżące i historyczne, ułatwia wykorzystanie informacji zebranych w terenie. Nie jest celem tego artykułu dokładne opisywanie możliwości konfiguracyjnych i funkcjonalności przygotowywanego rozwiązania, ale należy powiedzieć, że użytkownik będzie miał do dyspozycji różne formy udostępniania informacji, włączając w to prostą prezentację danych liczbowych, wykresy bieżące i historyczne oraz prezentację danych na podkładzie interaktywnej mapy lub własnej grafiki. Taka różnorodność możliwości z pewnością spotka się z akceptacją użytkowników pozwalając dopasować prezentację informacji do indywidualnych potrzeb.

Podstawową formą wykorzystania portalu AGREUS będzie dostęp z urządzeń mobilnych, co z pewnością ułatwi korzystanie z Systemu. Dane na urządzenia mobilne pobierane będą z portalu w czasie rzeczywistym, czyniąc dostępne informacje podstawą do podejmowania decyzji. Portalowe dashboardy (kokpity), alarmy i raporty otrzymywane drogą mailową lub przez SMS, to dodatkowe czynniki pozwalające traktować portal AGREUS jako niezastąpione źródło danych o prowadzonych uprawach.

Poza dostępem poprzez chmurę możliwy będzie również dostęp lokalny, umożliwiający wydawanie i podgląd zleceń dotyczących nawadniania oraz prezentację bieżącą i, w ograniczonym zakresie, historyczną zbieranych parametrów klimatycznych. Z natury rzeczy dostęp lokalny będzie mniej elastyczny niż oferowany w portalu, co jest wynikiem ograniczonych zasobów obliczeniowych stacji bazowej.

Jako pierwsze elementy Systemu AGREUS, oczywiście poza integrującą całość stacją bazową AGB 2000, dostępne będą moduły pozwalające zrealizować pierwotny zamysł, czyli inteligentne sterowanie nawadnianiem, bazujące na pomiarach wilgotności gleby i parametrach pogodowych. Będą to:

AM-100 
Profilowy czujnik wilgotności, temperatury i zasolenia gleby, pozwalający mierzyć parametry na 1, 2 lub 3 poziomach, w celu precyzyjnego określenia sposobu i poziomu nawadniania niezbędnego do utrzymania optymalnego stanu upraw. Czujnik pozwoli również na monitorowanie temperatury powietrza na powierzchni dostarczając informacje wspomagające ostrzeganie przed przymrozkami.

AM-110 
Moduł wejść cyfrowych pozwalający na dołączenie presostatu i/lub licznika wody, w celu oceny poprawności procesu nawadniania.

AM-411 
Moduł wykonawczy pozwalający na niezależne sterowanie 4 zaworami systemu nawadniania aktywowanymi napięciem 24 VAC.

Dodatkowo dostępne będą:

AM-200 
Moduł pomiarowy temperatury i wilgotności w pomieszczeniach szklarni, chłodniach czy pieczarkarniach, pozwalający stworzyć niezależny od sterowania parametrami środowiskowymi system nadzoru warunków uprawy szklarniowej.

AM-401
Moduł wyjść przekaźnikowych 230 VAC/10 A pozwalający na sterowanie pracą różnorodnych urządzeń zasilanych sieciowo, w tym oświetlenia.

AM-421
Moduł wykonawczy pozwalający na niezależne sterowanie 4 zaworami systemu nawadniania aktywowanymi napięciem 9 VDC. Zasilany jest bateryjne. Rozwiązanie stosowane w przypadku braku możliwości zasilenia zaworów ze źródła napięcia 24 VAC.

W planach przewidziane jest stworzenie wielu innych zdalnych czujników i modułów wykonawczych pozwalających nie tylko na monitorowanie klimatu i sterowanie nawadnianiem, ale również na fizyczne zabezpieczenie sprzętu i ostrzeganie przed niepożądanymi zjawiskami. System z definicji przygotowany jest do przesyłania danych różnego typu, w czym wydatnie pomaga zastosowany do celów transmisyjnych protokół MQTT, rodzący się standard Internetu Rzeczy. Wykorzystanie MQTT to nie tylko zapewnienie prywatności, integralności i bezpieczeństwa danych przesyłanych przez natywne elementy Systemu AGREUS, ale także stworzenie możliwości integracji z portalem AGREUS porozumiewających się w tym protokole produktów innych producentów. Oznacza to otwarcie na nieograniczone możliwości rozszerzania funkcjonalności Systemu AGREUS, którego przyszłe zastosowania limitować będzie tylko wyobraźnia.

Przy opracowaniu projektu korzystamy z dofinansowania unijnego w ramach programu Działanie RPO WM 1.2 Działalność badawczo – rozwojowa przedsiębiorstw, numer projektu RPMA.01.02.00-14-5663/16-00:

„Opracowanie innowacyjnego system pomiaru rozproszonego parametrów klimatyczno-glebowych jako narzędzia optymalizacji nawadniania, ochrony roślin i prac agrotechnicznych.”