L'eau est la ressource la plus essentielle à la vie, tant pour les humains que pour les cultures que nous consommons. Partout dans le monde, l'agriculture représente 70 % de toute l'utilisation de l'eau douce.

J'étudie l'informatique et les technologies de l'information à l'Institut polytechnique de Purdue et dirige le laboratoire de technologie de réseautage environnemental (ENT) de Purdue, où nous abordons les défis de la durabilité et de l'environnement avec une recherche interdisciplinaire sur l'Internet agricole des objets, ou Ag-IoT.

L'Internet des objets est un réseau d'objets équipés de capteurs pour recevoir et transmettre des données via Internet. Les exemples incluent les appareils de fitness portables, les thermostats domestiques intelligents et les voitures autonomes.

En agriculture, cela implique des technologies telles que les communications souterraines sans fil, la détection souterraine et les antennes dans le sol. Ces systèmes aident les agriculteurs à suivre les conditions sur leurs terres en temps réel et à appliquer de l'eau et d'autres intrants tels que des engrais exactement quand et où ils sont nécessaires.

En particulier, la surveillance des conditions dans le sol est très prometteuse pour aider les agriculteurs à utiliser l'eau plus efficacement. Les capteurs peuvent désormais être intégrés sans fil dans les systèmes d'irrigation pour fournir une connaissance en temps réel des niveaux d'humidité du sol. Des études suggèrent que cette stratégie peut réduire la demande en eau pour l'irrigation de 20 % à 72 % sans entraver les opérations quotidiennes sur les champs cultivés.

Qu'est-ce que l'Internet des objets agricoles ?

Même dans des endroits secs comme le Moyen-Orient et l'Afrique du Nord, l'agriculture est possible avec une gestion efficace de l'eau. Mais les phénomènes météorologiques extrêmes provoqués par le changement climatique rendent cela plus difficile. Les sécheresses récurrentes dans l'ouest des États-Unis au cours des 20 dernières années, ainsi que d'autres catastrophes comme les incendies de forêt, ont causé des milliards de dollars de pertes de récoltes.

Les experts en eau ont mesuré l'humidité du sol pour éclairer les décisions en matière de gestion de l'eau et d'irrigation pendant des décennies. Les technologies automatisées ont largement remplacé les outils portatifs d'analyse de l'humidité du sol, car il est difficile de relever manuellement l'humidité du sol dans les champs de production situés dans des endroits éloignés.

Au cours de la dernière décennie, les technologies de collecte de données sans fil ont commencé à fournir un accès en temps réel aux données sur l'humidité du sol, ce qui permet de prendre de meilleures décisions en matière de gestion de l'eau. Ces technologies pourraient également avoir de nombreuses applications IoT avancées dans la sécurité publique, la surveillance des infrastructures urbaines et la sécurité alimentaire.

L'Internet des objets agricoles est un réseau de radios, d'antennes et de capteurs qui recueillent des informations en temps réel sur les cultures et les sols sur le terrain. Pour faciliter la collecte de données, ces capteurs et antennes sont interconnectés sans fil avec les équipements agricoles. L'Ag-IoT est un cadre complet capable de détecter les conditions sur les terres agricoles, de suggérer des actions en réponse et d'envoyer des commandes aux machines agricoles.

L'interconnexion de dispositifs tels que les capteurs d'humidité et de température du sol sur le terrain permet de contrôler les systèmes d'irrigation et de conserver l'eau de manière autonome. Le système peut programmer l'irrigation, surveiller les conditions environnementales et contrôler les machines agricoles, telles que les semoirs et les épandeurs d'engrais. D'autres applications incluent l'estimation des niveaux d'éléments nutritifs dans le sol et l'identification des ravageurs.

Les défis de l'enfouissement des réseaux

La collecte de données sans fil a le potentiel d'aider les agriculteurs à utiliser l'eau beaucoup plus efficacement, mais mettre ces composants dans le sol crée des défis. Par exemple, au Purdue ENT Lab, nous avons constaté que lorsque les antennes qui transmettent les données des capteurs sont enterrées dans le sol, leurs caractéristiques de fonctionnement changent radicalement en fonction de l'humidité du sol. Mon nouveau livre, "Signals in the Soil", explique comment cela se produit.

Les agriculteurs utilisent de l'équipement lourd dans les champs, de sorte que les antennes doivent être enterrées suffisamment profondément pour éviter tout dommage. Lorsque le sol devient humide, l'humidité affecte la communication entre le réseau de capteurs et le système de contrôle. L'eau dans le sol absorbe l'énergie du signal, ce qui affaiblit les signaux envoyés par le système. Un sol plus dense bloque également la transmission du signal.

We have developed a theoretical model and an antenna that reduces the soil's impact on underground communications by changing the operation frequency and system bandwidth. With this antenna, sensors placed in top layers of soil can provide real-time soil condition information to irrigation systems at distances up to 650 feet (200 meters)—longer than two football fields.

Another solution I have developed for improving wireless communication in soil is to use directional antennas to focus signal energy in a desired direction. Antennas that direct energy toward air can also be used for long-range wireless underground communications.

What's next for the Ag-IoT

Cybersecurity is becoming increasingly important for the Ag-IoT as it matures. Networks on farms need advanced security systems to protect the information that they transfer. There's also a need for solutions that enable researchers and agricultural extension agents to merge information from multiple farms. Aggregating data this way will produce more accurate decisions about issues like water use, while preserving growers' privacy.

These networks also need to adapt to changing local conditions, such as temperature, rainfall and wind. Seasonal changes and crop growth cycles can temporarily alter operating conditions for Ag-IoT equipment. By using cloud computing and machine learning, scientists can help the Ag-IoT respond to shifts in the environment around it.

Finally, lack of high-speed internet access is still an issue in many rural communities. For example, many researchers have integrated wireless underground sensors with Ag-IoT in center pivot irrigation systems, but farmers without high-speed internet access can't install this kind of technology.

Integrating satellite-based network connectivity with the Ag-IoT can assist nonconnected farms where broadband connectivity is still unavailable. Researchers are also developing vehicle-mounted and mobile Ag-IoT platforms that use drones. Systems like these can provide continuous connectivity in the field, making digital technologies accessible for more farmers in more places. + Explorer plus loin

Internet-based precision irrigation system shows promise for fresh-market tomato

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.