Les capteurs sans fil pourraient être moins efficaces dans les sols boueux

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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 pour cent de toute l’utilisation de l’eau douce.

j’étudie informatique et technologie de l’information au Purdue Polytechnic Institute et dirigent le Purdue’s Laboratoire de technologie des réseaux environnementaux (ENT)où nous abordons les défis de la durabilité et de l’environnement avec une recherche interdisciplinaire sur la Internet des objets agricolesou Ag-IdO.

La 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, surveillance des conditions dans le sol est très prometteur 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 n’importe 20 pour cent à 72 pour cent sans gêner les opérations quotidiennes sur les champs de culture.

Qu’est-ce que l’Internet des Objets Agricole ?

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. Sécheresses récurrentes dans l’ouest des États-Unis au cours des 20 dernières années, ainsi que d’autres catastrophes telles que 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 agricole des objets est un réseau de radios, antennes et capteurs qui recueillent des informations en temps réel sur les cultures et les sols sur le terrain. Pour faciliter la collecte des données, ces capteurs et antennes sont interconnecté sans fil avec du matériel agricole. 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.

Des dispositifs d’interconnexion tels que des capteurs d’humidité et de température du sol sur le terrain permettent de contrôler les systèmes d’irrigation et 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 estimer les niveaux de nutriments du sol et identification des nuisibles.

Les enjeux 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 “Signaux dans le sol», 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.

Nous avons développé un modèle théorique et une antenne qui réduit l’impact du sol sur les communications souterraines en modifiant la fréquence de fonctionnement et la bande passante du système. Avec cette antenne, des capteurs placés dans les couches supérieures du sol peuvent fournir des informations en temps réel sur l’état du sol aux systèmes d’irrigation à distances jusqu’à 650 pieds (200 mètres)— plus long que deux terrains de football.

Une autre solution que j’ai développée pour améliorer la communication sans fil dans le sol consiste à utiliser antennes directionnelles pour concentrer l’énergie du signal dans une direction souhaitée. Les antennes qui dirigent l’énergie vers l’air peuvent également être utilisées pour les communications souterraines sans fil à longue portée.

Quelle est la prochaine étape pour l’Ag-IoT

La cybersécurité devient de plus en plus importante pour l’Ag-IoT à mesure qu’il mûrit. Réseaux dans les fermes besoin de systèmes de sécurité avancés pour protéger les informations qu’ils transfèrent. Il existe également un besoin de solutions permettant aux chercheurs et aux agents de vulgarisation agricole de fusionner les informations provenant de plusieurs exploitations. L’agrégation des données de cette manière produira des décisions plus précises sur des questions telles que l’utilisation de l’eau, tout en préservant la vie privée des producteurs.

Ces réseaux doivent également s’adapter aux conditions locales changeantes, telles que la température, les précipitations et le vent. Les changements saisonniers et les cycles de croissance des cultures peuvent modifier temporairement les conditions de fonctionnement des équipements Ag-IoT. En utilisant le cloud computing et l’apprentissage automatique, les scientifiques peuvent aider l’Ag-IoT à répondre aux changements de l’environnement qui l’entoure.

Enfin, le manque d’accès à Internet haut débit est encore un problème dans de nombreuses communautés rurales. Par exemple, de nombreux chercheurs ont intégré des capteurs souterrains sans fil avec Ag-IoT dans systèmes d’irrigation à pivot centralmais les agriculteurs sans accès Internet haut débit ne peuvent pas installer ce type de technologie.

L’intégration de la connectivité réseau par satellite à l’Ag-IoT peut aider les fermes non connectées où la connectivité haut débit n’est toujours pas disponible. Les chercheurs développent également des plates-formes Ag-IoT montées sur véhicule et mobiles qui utilisent des drones. Des systèmes comme ceux-ci peuvent fournir une connectivité continue sur le terrain, rendant les technologies numériques accessibles à plus d’agriculteurs dans plus d’endroits.

Abd Salam est professeur adjoint au Département d’informatique et de technologie de l’information de l’Université Purdue.

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