Concevoir des systèmes d'agriculture intelligents open source

Au cours des 20 dernières années, l'informatique a radicalement changé le monde, et l'industrie agricole en a ressenti l'impact. Un équipement de pointe peut désormais conduire à une production plus efficace ; les semences modifiées peuvent faciliter la gestion des ravageurs ; et l'automatisation a permis à de nombreuses tâches de changer, même si elles ne disparaissent pas. Cependant, les agriculteurs considèrent de plus en plus la technologie sur laquelle ils s'appuient comme une arme à double tranchant.

Dans le même temps, les agriculteurs luttent contre une multitude de défis commerciaux croissants. Ils se retrouvent également incapables d'entretenir ou de réparer leurs machines de la même manière qu'avant en raison de la gestion des droits numériques des logiciels et d'autres décisions de conception d'équipement qui favorisent les revenus de service des fabricants d'équipement par rapport aux agriculteurs. Aux extrémités de cette tension entre les fournisseurs et les agriculteurs, les agriculteurs sont même devenus redevables aux producteurs exclusifs de semences pour certaines cultures, car la pollinisation croisée avec des plantes génétiquement modifiées brevetées dans les champs adjacents entraîne des litiges de la part des producteurs de semences.

Ces luttes laissent les agriculteurs du monde entier aller loin pour rester compétitifs. Dans cette compétition, ils se retrouvent poussés par les fournisseurs vers des semences, des équipements, des produits chimiques et d'autres intrants dans leur entreprise sur lesquels ils n'ont qu'un contrôle incomplet. Les agriculteurs n'ont plus le choix de réparer leur équipement, d'économiser des semences ou de prendre d'autres mesures éprouvées et économiques. Ils se méfient des coûts non mentionnés de la technologie dans leur travail.

Avec ce défi vient l'opportunité de construire des outils agricoles qui redonnent du pouvoir à l'agriculteur. Si les agriculteurs peuvent construire ou conserver le droit de modifier et d'utiliser davantage leur équipement, la voie vers des fermes « plus intelligentes » devient beaucoup plus attrayante pour les agriculteurs. L'agriculture en général voit d'énormes opportunités pour les technologies de pointe telles que l'Internet des objets et l'intelligence artificielle. L'open source et d'autres moyens utilisables de mise en œuvre de ces outils sont essentiels pour que les agriculteurs maintiennent leur avantage concurrentiel.

Concevoir des systèmes de ferme intelligente open source et peu coûteux

Un récent projet de recherche mené au Bangladesh s'est appuyé sur des travaux antérieurs en créant un modèle open source pour l'agriculture intelligente. Ce modèle fait un usage intensif des composants Arduino, présente un système complet de surveillance de l'environnement, définit des approches pour l'analyse des données et crée des voies pour la gestion automatisée des intrants agricoles. Alors que l'objectif principal du système de test construit était la production sur le terrain, il est déjà prévu que l'architecture générale pourrait être appliquée aux serres, à la production animale et à d'autres applications agricoles à l'avenir.

Basant tous les équipements de surveillance sur l'Arduino Mega 2560, ce projet était centré sur un maillage de « nœuds de surveillance » répartis dans un champ agricole, avec un seul « nœud central » agrégeant toutes les données, déclenchant des événements automatisés et transmettant des données au cloud.

Créer un maillage de capteurs

Chaque « nœud de surveillance » ajoute un ensemble de capteurs à la carte Arduino Mega. Les chercheurs impliqués ont choisi des appareils accessibles à un large public en fonction du coût, de la facilité d'utilisation et de la flexibilité.

Pour équiper un seul nœud de surveillance, la carte Arduino a été étendue avec les éléments suivants :

• Module émetteur-récepteur sans fil nRF24L01+PA/LNA pour la communication vers le nœud central — En utilisant un protocole sans fil intégré et un spectre de 2,4 GHz, cet appareil peut transmettre jusqu'à 1 100 m ; le spectre de 2,4 GHz permet 125 canaux uniques, ce qui étend le nombre de connexions possibles pour une seule ferme et un seul nœud central.
• Capteur de température et d'humidité DHT11 pour la mesure de la température et de l'humidité de surface.
• Capteur de mouvement PIR, qui dépend de l'imagerie infrarouge pour détecter les mouvements et alerter les agriculteurs des parasites ou des intrus.
• Capteur de gaz MQ-135, qui détecte plusieurs composés organiques dans l'air, y compris la fumée.
• Capteur de pression barométrique BMP180 pour détecter les changements de pression barométrique, indiquant le potentiel de tempêtes ou d'autres conditions météorologiques entrantes.
• Capteur d'humidité du sol, qui mesure la résistance électrique dans le sol pour déterminer le niveau de saturation en eau du sol.
• Capteur de détection de pluie, qui vérifie les chutes de pluie en mesurant la résistance à travers une plaque de détection.
• pH-mètre, qui détermine l'acidité du sol et le besoin potentiel d'ajouts de sol.

Avec une large sélection d'accessoires en main, le projet de recherche a créé plusieurs unités de détection qui pourraient être déployées sur un vaste champ. Compte tenu du matériel de communication sans fil sélectionné, un seul nœud central pourrait desservir des nœuds de surveillance dispersés dans un diamètre allant jusqu'à 2 200 m. Pour préparer chaque nœud de surveillance, chaque Arduino a été câblé avec son réseau de capteurs, programmé pour stocker et partager toutes les données des capteurs et adressé pour des raisons de communication.

Une fois les nœuds de surveillance créés, l'équipe a tourné son attention vers le nœud central, chargé d'analyser et de communiquer davantage les conditions sur le terrain.

Équiper la communication et la gestion agricole

La supervision de la collecte des nœuds de surveillance est un « nœud central » conçu pour agréger, rapporter et agir sur les données collectées autour d'un champ. Construit sur la même plate-forme Arduino Mega 2560, il relaie ce qui se passe à travers la ferme. À la place de l'équipement de détection fourni avec chaque nœud de surveillance, le nœud central dispose d'une carte Wi-Fi et d'une radio cellulaire avec une carte SIM pour un transfert « toujours actif » des données vers le cloud. L'équipe de recherche a ensuite conceptualisé l'ajout de servomoteurs, de moteurs et de matériel similaire si et quand cela serait utile pour la gestion de l'irrigation automatisée et d'autres systèmes complémentaires dans la ferme de test.

Avec cette conception, un seul ordinateur central et un dispositif de communication GSM peuvent relayer les informations collectées sur une large bande de terre. Les autres avantages sont nombreux — compte tenu de ses fonctions centralisées, le nœud central est programmé pour :

• Avertir les agriculteurs par SMS des conditions changeantes et des interventions nécessaires
• Gérer les intrants accessibles, comme activer l'irrigation dans les zones nécessitant de l'eau
• Transférez les données collectées vers le cloud pour un traitement, une analyse et une action supplémentaires

Lier la collecte de données à la gestion totale de la ferme intelligente

Pour alimenter le réseau de nœuds, l'équipe a associé un panneau solaire photovoltaïque à une batterie, permettant une disponibilité constante de l'énergie sur le terrain. La nature basique des composants utilisés garantit une faible consommation d'énergie de chaque nœud, réduisant l'alimentation globale requise pour faire fonctionner le système.

Avec un flux constant de données librement accessibles provenant du terrain, les options pour automatiser davantage la gestion d'une ferme deviennent flexibles. À titre d'exemple, le projet de recherche a choisi Google Sheets pour l'agrégation et l'analyse des données des capteurs. Bien que le logiciel de Google soit bien adapté à cette fin et que la suite Google, en particulier, soit gratuite, de nombreux outils de stockage et d'analyse de données pourraient remplir la même fonction.

En ce qui concerne les drones agricoles spécialement conçus, l'équipe a également pu créer un quadricoptère de base avec des composants standard. Des modifications spécifiques à un drone typique incluront éventuellement la capacité de transporter et d'appliquer avec précision des charges utiles de pesticides et d'engrais. D'autres améliorations dans le temps peuvent inclure des approches avancées dans la détection et l'élimination des parasites, la collecte de données supplémentaires sur les cultures, ou pourraient même tirer parti des avancées de l'apprentissage automatique dans le classement des produits.

Au fur et à mesure que chacun de ces éléments se met en place, un concept ouvert et performant pour la gestion de l'ensemble de la ferme prend forme. Bien que des considérations supplémentaires telles que la sécurité ne soient pas explicitement traitées en détail dans ce concept, la nature ouverte de la conception permet à tout constructeur potentiel de prendre en compte cette préoccupation et d'autres concernant la gestion de ses propres données. Grâce au contrôle de leur « Internet des objets » spécialement conçu à cet effet, les agriculteurs peuvent profiter des améliorations apportées aux perspectives et à l'efficacité des promesses de l'IoT sans perdre en facilité d'entretien.

Qu'est-ce qui vient ensuite

Alors que ce projet de recherche était destiné à s'ajouter à un corpus de travaux sur l'accès abordable à l'agriculture intelligente, la valeur s'étend plus loin. Le concept d'utilisation de composants populaires et largement disponibles tels que Arduinos ne réduit pas seulement le coût d'entrée dans l'agriculture intelligente ; cela signifie également que les agriculteurs ont plus de contrôle sur leur entreprise.

En particulier pour les agriculteurs de subsistance et les exploitations de taille moyenne du monde entier, cette démocratisation se produit à un moment critique alors qu'ils doivent prendre des décisions commerciales difficiles.

>> Une version antérieure de cet article a été initialement publié sur notre site partenaire, EEWeb.