Merancang sistem pertanian pintar sumber terbuka

Dalam 20 tahun terakhir, komputasi telah mengubah dunia secara dramatis, dan industri pertanian telah merasakan dampaknya. Peralatan canggih sekarang dapat menghasilkan produksi yang lebih efisien; benih yang dimodifikasi dapat mempermudah pengendalian hama; dan otomatisasi telah memungkinkan banyak tugas berubah, bahkan jika itu tidak hilang. Namun, para petani semakin menganggap teknologi yang mereka andalkan sebagai pedang bermata dua.

Pada saat yang sama, para petani berjuang melawan sejumlah tantangan bisnis yang menggunung. Mereka juga mendapati diri mereka tidak dapat memperbaiki atau memperbaiki mesin mereka dengan cara yang sama seperti sebelumnya karena manajemen hak digital perangkat lunak dan keputusan desain peralatan lainnya yang menguntungkan pendapatan layanan dari produsen peralatan daripada petani. Pada tingkat paling ekstrem dari ketegangan antara pemasok dan petani ini, petani bahkan menjadi terikat pada produsen benih eksklusif untuk beberapa tanaman, karena penyerbukan silang dengan tanaman rekayasa genetika yang dipatenkan di ladang yang bersebelahan menarik litigasi dari produsen benih.

Perjuangan ini membuat petani di seluruh dunia berusaha keras untuk tetap kompetitif. Dalam persaingan ini, mereka mendapati diri mereka didorong oleh pemasok untuk benih, peralatan, bahan kimia, dan input lain ke dalam bisnis mereka yang tidak sepenuhnya mereka kendalikan. Petani kehilangan pilihan untuk memperbaiki peralatan mereka, menyimpan benih, atau mengambil tindakan penghematan biaya yang telah teruji waktu. Mereka waspada terhadap biaya teknologi yang tidak disebutkan dalam pekerjaan mereka.

Dengan tantangan ini muncul peluang untuk membangun alat pertanian yang memberikan kekuatan kembali kepada petani. Jika petani dapat membangun atau mempertahankan hak untuk mengedit dan menggunakan lebih banyak peralatan mereka, jalan menuju pertanian yang “lebih cerdas” menjadi jauh lebih menarik bagi petani. Pertanian secara umum melihat peluang besar untuk teknologi terdepan seperti internet dan kecerdasan buatan. Sumber terbuka dan sarana lain yang dapat digunakan untuk menerapkan alat ini sangat penting bagi petani untuk mempertahankan keunggulan kompetitif mereka.

Mendesain sistem pertanian pintar sumber terbuka dan berbiaya rendah

Sebuah proyek penelitian baru-baru ini yang dilakukan di Bangladesh telah dibangun di atas pekerjaan sebelumnya dengan menciptakan model open-source untuk pertanian pintar. Model ini banyak menggunakan komponen Arduino, menjabarkan sistem pemantauan lingkungan yang komprehensif, mendefinisikan pendekatan untuk analisis data, dan membuat jalur untuk manajemen input pertanian otomatis. Meskipun fokus utama dari sistem pengujian yang dibangun adalah produksi lapangan, arsitektur umum sudah diantisipasi dapat diterapkan pada rumah kaca, produksi ternak, dan lebih banyak aplikasi pertanian di masa depan.

Mendasarkan semua peralatan pemantauan pada Arduino Mega 2560, proyek ini berpusat pada mesh "node pemantauan" yang ditetapkan di seluruh bidang pertanian, dengan satu "node pusat" yang menggabungkan semua data, memicu peristiwa otomatis, dan meneruskan data ke cloud.

Membuat jaring sensor

Setiap "node pemantauan" menambahkan serangkaian sensor ke papan Arduino Mega. Para peneliti yang terlibat memilih perangkat yang dapat diakses untuk demografi yang luas berdasarkan biaya, kemudahan penggunaan, dan fleksibilitas.

Untuk melengkapi satu node pemantauan, papan Arduino diperluas dengan yang berikut:

• nRF24L01+PA/LNA modul transceiver nirkabel untuk komunikasi kembali ke node pusat — Menggunakan protokol nirkabel tertanam dan spektrum 2,4 GHz, perangkat ini dapat mentransmisikan sejauh 1.100 m; spektrum 2,4 GHz memungkinkan 125 saluran unik, memperluas jumlah koneksi yang memungkinkan untuk satu farm dan node pusat.
• Sensor suhu dan kelembaban DHT11 untuk pengukuran suhu dan kelembaban permukaan.
• Sensor gerak PIR, yang bergantung pada pencitraan inframerah untuk mendeteksi gerakan untuk memperingatkan petani tentang hama atau penyusup.
• Sensor gas MQ-135, yang mendeteksi beberapa senyawa organik di udara, termasuk asap.
• Sensor tekanan barometrik BMP180 untuk mendeteksi perubahan tekanan barometrik, yang menunjukkan potensi badai atau pola cuaca masuk lainnya.
• Sensor kelembaban tanah, yang mengukur hambatan listrik di dalam tanah untuk menentukan tingkat kejenuhan air di tanah.
• Sensor pendeteksi curah hujan, yang memeriksa hujan yang turun dengan mengukur hambatan di seluruh pelat sensor.
• pengukur pH, yang menentukan keasaman tanah dan potensi kebutuhan untuk penambahan tanah.

Dengan berbagai pilihan lampiran di tangan, proyek penelitian menciptakan beberapa unit penginderaan yang dapat digunakan di bidang yang luas. Mengingat perangkat keras komunikasi nirkabel yang dipilih, satu node pusat dapat melayani node pemantauan yang tersebar hingga diameter 2.200 m. Untuk mempersiapkan setiap node pemantauan, setiap Arduino dihubungkan dengan susunan sensornya, diprogram untuk menyimpan dan berbagi semua data sensor dan ditujukan untuk komunikasi.

Setelah node pemantauan dibuat, tim mengalihkan perhatiannya ke node pusat, yang ditugaskan untuk menganalisis lebih lanjut dan mengomunikasikan kondisi lapangan.

Memperlengkapi komunikasi dan manajemen pertanian

Mengawasi pengumpulan node pemantauan adalah "node pusat" yang dirancang untuk mengumpulkan, melaporkan, dan bertindak berdasarkan data yang dikumpulkan dari seluruh bidang. Dibangun pada platform Arduino Mega 2560 yang sama, ini menyampaikan apa yang terjadi di seluruh pertanian. Sebagai pengganti peralatan sensor yang dikemas dengan setiap node pemantauan, node pusat memiliki kartu Wi-Fi dan radio seluler dengan kartu SIM untuk transfer data "selalu aktif" ke cloud. Tim peneliti selanjutnya mengkonseptualisasikan penambahan servo, motor, dan perangkat keras serupa jika dan kapan akan berguna untuk pengelolaan irigasi otomatis dan sistem pelengkap lainnya di seluruh lahan uji.

Dengan desain ini, satu komputer pusat dan perangkat komunikasi GSM dapat menyampaikan informasi yang dikumpulkan melalui lahan yang luas. Keuntungan lainnya sangat banyak — mengingat fungsinya yang terpusat, node pusat diprogram untuk:

• Peringatkan petani melalui SMS tentang perubahan kondisi dan intervensi yang diperlukan
• Kelola input yang dapat diakses, seperti menyalakan irigasi ke area yang membutuhkan air
• Dorong data yang dikumpulkan ke cloud untuk pemrosesan, analisis, dan tindakan tambahan

Mengikat pengumpulan data dengan manajemen pertanian cerdas total

Untuk memberi daya pada jaringan node, tim memasangkan panel surya fotovoltaik dengan baterai, memungkinkan ketersediaan daya yang konsisten di lapangan. Sifat dasar dari komponen yang digunakan memastikan penarikan daya yang rendah dari setiap node, mengurangi pasokan keseluruhan yang diperlukan untuk mengoperasikan sistem.

Dengan aliran data yang dapat diakses secara terbuka yang mengalir dari lapangan, opsi untuk mengotomatisasi lebih banyak manajemen peternakan menjadi fleksibel. Sebagai contoh, proyek penelitian memilih Google Spreadsheet untuk agregasi dan analisis data sensor. Meskipun perangkat lunak Google sangat cocok untuk tujuan ini dan suite Google, khususnya, gratis, banyak alat penyimpanan dan analisis data dapat menjalankan fungsi yang sama.

Pada topik drone pertanian yang dibuat khusus, tim juga mampu membuat quadcopter dasar dengan komponen yang tersedia. Perubahan khusus pada drone biasa pada akhirnya akan mencakup kemampuan untuk membawa dan secara tepat menerapkan muatan pestisida dan pupuk. Perbaikan lebih lanjut dalam waktu dapat mencakup pendekatan lanjutan dalam deteksi dan pemberantasan hama, pengumpulan data tanaman tambahan, atau bahkan dapat memanfaatkan kemajuan pembelajaran mesin dalam menilai produk.

Saat masing-masing bagian ini ditempatkan pada tempatnya, konsep terbuka dan berkinerja tinggi untuk mengelola seluruh pertanian terbentuk. Sementara pertimbangan tambahan seperti keamanan tidak secara eksplisit dibahas panjang lebar dalam konsep ini, sifat desain yang terbuka memungkinkan calon pembangun untuk mempertimbangkan hal ini dan masalah lain tentang mengelola data mereka sendiri. Dengan kontrol atas “internet of things” yang dibuat khusus, petani dapat menikmati peningkatan wawasan dan efisiensi yang dijanjikan IoT tanpa kehilangan kemudahan servis.

Apa yang terjadi selanjutnya

Sementara proyek penelitian ini dimaksudkan untuk menambah pekerjaan pada akses terjangkau ke pertanian pintar, nilainya meluas lebih jauh. Konsep menggunakan komponen yang populer dan tersedia secara luas seperti Arduino tidak hanya mengurangi biaya masuk ke pertanian pintar; itu juga berarti petani memiliki kontrol lebih besar atas bisnis mereka.

Khususnya bagi petani subsisten dan operasi menengah di seluruh dunia, demokratisasi ini terjadi pada saat yang kritis saat mereka menavigasi keputusan bisnis yang sulit.

>> Versi sebelumnya dari artikel ini awalnya diterbitkan di situs saudara kami, EEWeb.