В современном мире сельское хозяйство становится сектором с очень интенсивным потоком данных. Само понятие «умное сельское хозяйство» подразумевает целый комплекс оборудования, техники, технологий, информационных и интеллектуальных решений. Информация поступает от различных устройств, расположенных в поле, на ферме, от датчиков, агротехники, метеорологических станций, дронов, спутников, внешних систем, партнерских платформ, поставщиков.

Общие данные от различных участников производственной цепочки, собранные в одном месте, позволяют получать информацию нового качества, находить закономерности, создавать добавочную стоимость для всех вовлеченных участников, применять современные научные методы обработки (data science) и на их основе принимать верные решения, минимизирующие риски, улучшающие бизнес производителей и клиентский опыт.

Рассматривая технологии, внедряемые в умное сельское хозяйство, стоит выделить несколько ключевых направлений:

1. Спутниковая навигация – ориентирование техники на местности, слежение за животными;

2. Беспилотные транспортные средства и летательные аппараты – обработка, слежение за состоянием и сбор урожая;

3. Датчики и сенсоры – мониторинг состояния урожая, погоды, почвы и т.п.;

4. IoT-платформы – контроль данных, поступающих с датчиков, техники и других устройств;

5. Big Data – анализ данных, получаемых за все время с датчиков для выделения знаний, полезных для сельского хозяйства.

В последние годы в сельское хозяйство началось внедрение интернет-технологий, спутниковой связи и геопозиционирования, робототехники, датчиков и систем автоматизации. На сегодняшний день в земледелии уже внедрены и активное используются: системы GPS и ГЛОНАСС, что позволило повысить точность движения техники по полю и дало развитие технологии контролируемого проезда по полю (CTF), а в перспективе – обеспечит переход к роботизированному транспорту и автономизации в АПК.

Использование чувствительных датчиков позволяет следить за состоянием почвы, точно учитывать ее состав на конкретных участках и вносить удобрения там, где нужно. Активно используются БПЛА для наблюдения за посевами, распыления удобрений и средств от насекомых. Предполагается, что применение Big Data в сельском хозяйстве обеспечит значительное улучшение качества знаний о процессах, происходящих при росте продукции.  Сейчас период с 2015 до 2018 года эксперты в отрасли современных информационных и нано-технологий называют «экспериментальными» и прогнозируют бурное развитие умного сельского хозяйства уже в 2019 и последующих годах.

Одним из ключевых элементов «умного растениеводства» является использование современных датчиков (сенсоров), позволяющих получать объективную информацию с полей (состояние посевов, контроль насекомых, температурный режим почвы и т.д.) и метеоданные.

Датчики в растениеводстве

Использование датчиков и сенсоров в сельскохозяйственной деятельности — важный шаг на пути к созданию интеллектуального сельхозпроизводства.

Разнесенные на десятки квадратных километров, они могут непрерывно передавать по радиоканалам информацию о состоянии контролируемых объектов — в частности, значение таких параметров, как влажность, температура почвы и воздуха, уровень здоровья растения и т.д.

Например, основой системы определения характеристик почвы являются сенсоры, которые устанавливаются в контрольных точках. Эти датчики предназначены для выявления неоднородности (рельефа, типа почв, освещенности и т.д.). Измеряемые параметры отправляются на сервер, а оттуда – на устройства пользователей. Получив необходимые данные, агрономы принимают решения о том, какие агрокультуры можно более эффективно выращивать на каждом участке поля. Ведь на одном поле может насчитываться несколько участков с разными агрокультурами. После того как неоднородности выявлены, необходимо грамотно подойти к уходу за растениями.

Самые распространенные датчики в сельском хозяйстве – это сенсоры влажности почвы, их применяют сельхозпроизводители, которые выращивают культуры на орошении.

Как правило, такие сенсоры подключены к облачным сервисам для своевременной передачи информации. Обычно, при ручном поливе, норма расхода воды рассчитывается заблаговременно и не учитывает многих параметров, в результате чего, из-за избыточной циркуляции воды, может возникнуть эрозия почвы. Датчики же могут выявить, при учете таких факторов, как тип агрокультуры, фаза ее роста и т.д., когда почвенный слой достаточно увлажнен и избежать его переувлажнения. В этом случае значительно сокращается расход воды.

Кэрол Ренауро, менеджер продуктовой линейки для работы с водными ресурсами от корпорации John Deer, отмечает, что эта группа датчиков — лишь малая часть из представленных на рынке:

— Почвенные сенсоры являются важными источниками информации для точного земледелия. Есть еще сенсоры для мониторинга окружающей среды, для определения питательных веществ в почве, с каждым годом растет количество измеряемых величин, и увеличивается срок службы сенсоров.

При этом датчики помогают не только выращивать агрокультуры, но и хранить урожай. Замеры влажности и температуры в складских помещениях проводятся по графику или в режиме реального времени, а настройка сенсоров под индивидуальные характеристики агрокультуры позволяет как можно дольше сохранять урожай. Современные системы позволяют обнаруживать загнивание, даже если овощи или фрукты хранятся в больших навалах.



Подчас сенсоры в растениеводстве ставят в один ряд с основными средствами производства, потому что работают они совместно. Зарубежный опыт показывает, что даже небольшие семейные фермы размером в несколько десятков гектар получают значительный экономический эффект от установки датчиков и программного обеспечения для поддержки принятия решений. И если собственник предприятия относится к нему как к развивающемуся и долгосрочному бизнесу, считает маржу, обдумывает варианты оптимизации затрат, он неизбежно придет к автоматизации, вне зависимости от размера своего хозяйства.

По экспертным оценкам, к 2020 году порядка 40% российских хозяйств будут использовать для мониторинга текущей ситуации в полях различные сенсоры и соответствующее программное обеспечение.

Метеостанции

Несмотря на развитие интеллектуальных технологий, во многих регионах России до сих пор не создано системы аналитики погодных данных: т.е. агроном каждый день при планировании своей работы оперирует усредненными данными по региону, часто взятыми из интернета и отличающимися слабой достоверностью по отношению к конкретному полю. Также остро перед агрономом стоит проблема отсутствия погодной аналитики: данных за прошедшие часы, дни или месяцы, которые позволяют видеть реальную картину в поле в динамике.

Метеостанции – это универсальная автономная система инструментального мониторинга, которая осуществляет локальный агрономический прогноз погоды и фиксирует целый ряд других параметров, таких как: относительная влажность и температура почвы, количество осадков, влажность листьев, солнечную активность, атмосферное давление, скорость и направление ветра.

На сегодняшний день сразу несколько компаний на рынке предлагает аграриям в качестве базового инструмента для мониторинга погоды, почвы и состояния посевов профессиональные автоматические метеостанции с набором специализированных датчиков. Рассмотрим наиболее популярные модели метеостанций.

Автоматические метеостанции компании DAVIS — Vantage Pro и Vantage Pro2 Plus (проводная и беспроводная версии в различных комплектациях датчиками) производятся в США. Они позволяют оперативно получать собственный местный прогноз погоды, конкретизированный под участки поля. Прогноз погоды осуществляется по улучшенным алгоритмам на основании анализа текущих измеряемых параметров и тенденции их изменения. При помощи специализированного программного обеспечения данная информация архивируется, анализируется и затем отображается на консоли (дистанционно) пиктограммами (ясно, пасмурно, дождь, снег и проч.) и более подробно — бегущей строкой.



Еще один представитель рынка – агро-метеосистемы SAS. Все погодные станции данной серии полностью автономны и могут быть установлены непосредственно на поле. Текущие показания сенсоров передаются по GSM-каналу на сервер для дальнейшей визуализации погодных данных пользователю, который самостоятельно может определять периодичность получения актуальных погодных данных. То есть, пользователь получает оперативные данные в любое время, из любой точки планеты, на компьютере, планшете или смартфоне. Система оповещает о наступлении неблагоприятных погодных условий, которые могут помешать качественному проведению полевых работ.

В базовую комплектацию SAS входят сенсоры для регистрации наиболее важных погодных показателей, таких как температура, осадки, скорость и направление ветра. Для контроля дополнительных метеорологических параметров к станции подключаются специализированные сенсоры: датчик температуры почвы способен определить оптимальные сроки для посева, датчик влажности покажет запас продуктивной влаги и даст необходимую информацию для управления ирригацией и т.д.

Количество сенсоров ограничивается лишь сложностью решаемой задачи и набором необходимых к мониторингу параметров. Данные с датчиков и погодной станции поступают на сервер. Пользователь видит в программе все необходимые ему погодные данные в удобной для него визуальной форме: в виде графиков и диаграмм или, необходимой для дальнейшей сводной аналитики, табличной форме. Срок хранения погодных данных на сервере не ограничен. Для удобства пользователей в системе могут предоставляться исторически районированные погодные данные за последние 20 лет.



Достаточно широк ассортимент метеостанций, датчиков и регистраторов данных для растениеводства WatchDog (США). Полнофункциональные метеостанции семейства WatchDog позволяют получать точную информацию о погоде в режиме реального времени прямо с поля. Они осуществляют мониторинг, запись и анализ более десятка важных экологических показателей и обеспечивают хранение данных в безопасной, энергонезависимой памяти.

Выбор интервала измерений от 1 до 60 минут (хранит в течение 183 дней данные с 30 минутным интервалом). Возможно подключение нескольких ПК к станции, не влияя на процесс сбора данных. Метеостанция позволяет измерять следующие параметры:

— направление и скорость ветра;
— температуру и влажность воздуха;
— количество осадков;
— определяет точку росы;
— солнечную радиацию;
— эвапотранспирацию.
Метеостанции серии WatchDog имеют несколько внешних каналов для подключения различных датчиков:
— датчик влажности почвы WaterScout SM 100 емкостного типа, который реагирует на изменения в содержании влаги в почве для применения лучших решений для орошения;
— датчик влажности почвы/ЕС/температуры WaterScout SMEC 300 – его карбоновые электроды обеспечивают большую измерительную поверхность электрической проводимости (EC);
— датчик СО2 — недиспергирующий инфракрасный (НДИК) анализатор уровня углекислого газа, измеряет концентрацию в мг/м3;
— датчик LightScout регистрирует УФ-излучение в диапазоне 250-400 нанометров с последующим расчетом дневных норм;
— квантовый датчик света LightScout Quantum фиксирует излучение в диапазоне от 400 до 700 нм с последующим расчетом дневного освещения (точность is ± 5%);
— датчик влажности листьев, позволяет выявлять периоды, наиболее благоприятные для развития болезней растений. Принцип работы основан на изменении сопротивления между позолоченными дорожками при различных уровнях влажности. Возможно подключение до двух датчиков к погодной станции;
— датчик солнечной радиации LightScout — диапазон измерения от 300 до 1100 нанометров;
— внешний датчик температуры почвы, воздуха или воды;
— датчик включения/выключения орошения: позволяет проводить анализ взаимосвязи между периодами орошения и влажностью почвы, встраивается в систему полива, работает совместно с датчиком уровня почвенной влаги.



Возможно также комплексное использование станции болезней растений WatchDog 2000 с пакетом мониторинга и протоколирования данных, предназначенных для предупреждения ситуаций, которые приводят к той или иной болезни.

Интересен продукт от разработчиков из Австрии — автоматическая профессиональная метеостанция для сельского хозяйства iMETOS. iMETOS непрерывно собирает все необходимые данные с конкретного участка поля и передает их на веб-сайт каждые два часа, где информация сохраняется в базе данных. iMETOS питается от батарей, подзаряжаемых с помощью солнечной панели — нет необходимости в замене батарей или их специальной подзарядке.

Для установки iMETOS необходим действующий GPRS-контракт с достаточно хорошим GSM-приемом на территории и SIM-карта с отключенной опцией запроса пин-кода.

Плюсом данной метеостанции является то, что для получения данных об осадках не требуется дополнительного программного обеспечения. Интернет-браузер и пароль на сайте поддержки делают доступными отчеты и графики, построенные на базе данных, полученных с поля. Параметры метеостанции можно вводить и корректировать непосредственно на веб-сайте в специально отведенной для этого области. Там же можно ввести телефонные номера для посылки СМС-сообщений с предупреждениями о заморозках и других стрессовых ситуациях.

На сегодняшний день достаточно популярной моделью этого производителя является метеостанция SMT 300, которая уже в базе комплектуется датчиками температуры воздуха, температуры почвы и относительной влажности, влажности листьев, осадков, глобальной радиации и скорости ветра, позволяет максимально точно рассчитывать коэффициент ЕТ для конкретной территории, рассчитать водный баланс для определенной культуры в режиме реального времени. Очень удобно для пользователя то, что эти данные можно загрузить в программу Excel или в любую другую базу данных.

Также производитель метеостанции предлагает дополнительный сервис-подписку на прогнозы. Специальная модель на сервере может спрогнозировать заболевания в реальном времени для ряда сельхозкультур:

— пшеницы (ржавчина, септориоз, фузариоз);
— канолы, подсолнуха, перца (склеротиниоз);
— сои (ржавчина);
— сахарной свеклы (церкоспороз);
— картофеля (черная альтернариозная пятнистость картофеля, картофельная гниль — фитофтороз);
— лука (ложная мучнистая роса, ботритис) и т.д.

Оригинальные решения: электронный нос и язык

Интересное решение предлагает индийский Центр по развитию современных вычислений (C-DAC). Его исполнительный директор Набарун Бхаттачариа уверен, что почти на всех этих этапах сельхозпроизводства можно применять современные сенсорные системы.

— Уже сегодня мы можем отслеживать температуру, влажность воздуха, состояние почвы, чтобы, например, определять, когда пора проводить мелиорацию, — отметил он. – А с помощью электронно-химических сенсоров, таких как электронный нос, мы можем контролировать качество итоговой продукции. И, наконец, биологические сенсоры позволяют нам не переборщить с пестицидами, не допустить повышения токсичности почвы или воды.

В C-DAC для лабораторного тестирования жидкостей использовали потенцио-метрические датчики. Они также применяются для электрохимического анализа окружающей среды. Метод инфракрасной спектроскопии позволяет определять состав различных природных смесей, не разрушая структуру исследуемого вещества. С помощью камер с качественным увеличением изображения фермеры могут удаленно заметить болезнь, поразившую ту или иную сельскохозяйственную культуру.

С помощью электронного носа или электронного языка можно узнать состав тех или иных образцов выращенных культур и, как следствие, их потребительские свойства. Эти сенсоры можно использовать для определения вкуса и аромата не только продуктов питания, но и тех растений, которые используются в парфюмерии, например жасмина. Подобные технические устройства уже успешно коммерциализируются в Индии, ряд аналогичных разработок уже применяется в странах Европы и Америке.

Датчики на колесах

В последние годы во многих странах ведутся разработки по созданию мобильных датчиков, позволяющих собирать и систематизировать информацию с поля с «колес», а в идеале — в процессе прохода техники. Уже есть ряд удачных тому примеров, например, с успехом в Австралии и Канаде работает автоматизированная система точного опрыскивания WeedSeeker. Она монтируется на опрыскиватель и предусматривает оперативное дифференцированное внесение СЗР, которое осуществляется за счет индивидуальных форсунок и оптических элементов, распознающих наличие сорной растительности на поле. Встроенные светодиоды сканируют поверхность поля в красном и инфракрасном диапазоне. Затем отраженный от поверхности свет улавливается детектором, который находится на центральной части сенсора. Электронная часть сенсора анализирует характеристики отраженного света, если зеленое растение определено, то подается сигнал на форсунку. Определив, что под сенсором находится зеленое растение, в зависимости от настройки скорости, сенсор ожидает, пока форсунка не окажется над растительностью, после чего происходит моментальное опрыскивание. Все это позволяет сельхозпроизводителю снизить затраты, отказавшись от сплошного применения химикатов, и сократить необходимость их повторного применения.



Интересным является решение по дифференцированному внесению удобрений от немецкого разработчика – компании Fritzmeier, которая предлагает аграриям сенсор стеблестоя ISARIA. Благодаря активному, невидимому для человеческого глаза излучению датчик измеряет в режиме реального времени содержание азота в растениях. Принцип при этом довольно прост: чем больше азотосодержащих соединений в растениях, тем интенсивнее отражение. В результате определяется недостающее количество азота, что вместе с рекомендациями с прикладных карт – если таковые имеются – становится исходной точкой для назначения оптимальной нормы внесения.

Благодаря различным элементам крепления сенсор ISARIA может быть легко установлен на передней навеске трактора либо на штанге опрыскивателя для внесения жидких удобрений. Bluetooth-соединение обеспечивают быструю передачу данных, а сенсорным терминалом может управлять даже низкоквалифицированный персонал. Благодаря размещению сенсорики непосредственно над стеблестоем ISARIA определяет содержание азота во всем растении, вплоть до последнего нижнего листка. Четыре потока излучения служат для получения максимально точных данных, а картирование стеблестоя позволяет создать универсальную карту поля.

Понятно, что велик соблазн поставить «на колеса» и почвенные сенсоры. Но, как выяснилось, в данном вопросе есть свои трудности. Как известно, наиболее распространенные методы измерений при автоматическом отборе и анализе почвенных проб, так же как и при лабораторных исследованиях, можно разделить на три группы: геоэлектрические, гамма-спектрометрические, а также ИСЭ (ионоселективные электроды). Однако универсальный измерительный прибор до сих пор не разработан. Каждый из методов имеет свои сильные и слабые стороны.

Результаты геоэлектрических измерений, будь то электропроводность или электрическое сопротивление, зависят от довольно большого количества факторов: влажности, гранулометрического состава почвы, плотности, содержания солей и температуры. На гамма-спектрометрию, заключающуюся в измерении естественного излучения содержащихся в почве радио-нуклидов, влияют кислотность почвы, содержание в ней глины и степень обогащения ее питательными веществами. Самые точные и быстрые измерения pH почвы можно произвести с помощью ИСЭ.

С недавних пор для почвенного анализа стали использовать и оптические датчики. Принцип их работы во многом схож с принципом работы азотного сенсора. Однако в данном случае почвенный спектрометр определяет степень отражения света не от поверхности листа, а от частиц почвы. Поэтому сенсор располагается гораздо ближе к поверхности почвы — на высоте около 10 см. Заключение о составе почвы делается на основе регистрации отраженных световых волн как в видимом, так и в инфракрасном спектрах. Степень поглощения световых волн различными частицами почвы различается достаточно сильно. Скажем, почва, содержащая много железа, имеет красноватый оттенок, а много гумуса – черный.

Мобильные почвенные сенсоры для управления актуальной нормой внесения удобрений в режиме реального времени представлены продукцией американской компании Crop Technology. Для работы предлагаемой ею системы Soil Doctor System требуются предварительно собранные данные и подготовленные карты полей. И лишь при наличии этих составляющих можно будет приступить к дифференцированному внесению удобрений. Однако лаг между измерением и внесением имеет и свои преимущества. Во-первых, данные, полученные сенсорами, можно проверить на отсутствие в них ошибки. Вторым моментом является то, что можно провести калибровку сенсоров дополнительными почвенными пробами.

Подобного типа системы представлены в производственном портфеле другой американской компании – Veris Technologies. В данном случае системы устанавливаются на модульной платформе. Измерения выполняются на ходу, когда платформу буксируют по полю. За измерение электропроводности отвечают шесть заглубленных в почву дисков. Что же касается кислотности почвы, то для ее измерения на платформе закреплен перфорированный конус. Оттуда захваченные частицы почвы отправляются в накопитель. Последний периодически поднимается, и благодаря этому сурьмяные электроды оказываются погруженными в пробу. Опционально можно дооснастить указанную платформу почвенным спектрометром, чтобы измерять разные характеристики почвы, в частности содержание в ней гумуса, фосфора и азота.

Однако, как отмечают практики, минусом данной машины является низкая производительность (200 га в день) и ряд ограничений (замерзшее или сухое поле, осадки во время измерения, наличие на поверхности поля большого количества растительных остатков и т.д.), связанных с возможностью их использования. При этом метод дает информацию о неоднородности почвы и является хорошим инструментом, облегчающим принятие агрономических решений.

На сегодняшний день достаточно распространенной моделью почвенного сканера является EM 38 от канадской компании Geonics. Вместо дисковых электродов, которые прорезают пласт почвы, за измерение электропроводности отвечают две индукционные катушки. Они закреплены на специальных полозьях и буксируются по полю. При этом каждую секунду передающая катушка излучает электромагнитные волны в почву, которые при прохождении через различные структуры почвы индуцируют различные токи. Образуются вторичные волны, которые улавливает и преобразует приемная катушка.

Пять лет назад ученые из Университета Потсдама, Института овощеводства и декоративного садоводства (IGZ) им. Г. В. Лейбница (Гросберен и Эрфурт) разработали гибридный почвенный сенсор Geophilus electricus, в котором измерение электропроводности почвы скомбинировано с использованием гамма-зонда. Двенадцать изолированных и установленных попарно металлических дисков выполняют функции электродов. Первая пара дисков служит для почвы источником электрического заряда. Остальные пять пар – для регистрации электрического напряжения в пластах почвы на различной глубине. Чем больше расстояние от питающего электрода до снимающего показания электрода, тем на большую глубину работает эта пара. Ширина захвата такого сенсора составляет 18 метров. На основе значений электропроводности почвы, информации гамма-зонда, а также данных точного геопозиционирования создается трехмерная почвенная карта поля. Отдельные тематические карты полей могут быть объединены в общую информационную базу для создания атласа всех полей хозяйства. Наряду с получением информации о почвенных горизонтах, их конфигурации (уклоны, ровные участки и т. д.), способности почвы накапливать воду и питательные вещества вышеуказанная база позволяет сформировать массив данных о влиянии вышеупомянутых параметров на такие релевантные агрономические показатели, как влажность устойчивого завядания и эффективность влагоудерживающей способности, т. е. фактически получить картированные данные по влагоемкости и доступности влаги для растений.

— Подобная информация поможет понять причины колебаний электропроводности почвы. Ведь одно дело, когда высокая влажность почвы определяется тем, что здесь просто низина, а совсем другое – ее связь с составом почвы,– рассказывает один из разработчиков Geophilus electricus д-р Йерг Рюльман из IGZ. — Все это требует особого внимания в регионах с лимитированным количеством осадков: норма внесения удобрений должна соответствовать влагоемкости почвы. Конечно, мелкому фермеру подобная точность измерений и картирования может и не нужна. Но если говорить о крупном хозяйстве, то такой подход оправдан: во-первых, он способен полностью раскрыть в долгосрочной перспективе весь потенциал урожайности; а во-вторых, сэкономить за счет дифференцированного внесения минеральных удобрений.



Кроме этого, в Европе ведутся научные работы с применением ионоселективных электродов, которые могут определять не только pH почвы, но и содержание фосфатов, калия, нитратов. Совершенствуются и сами сенсоры. Необходимость в большей проникающей способности подталкивает исследователей к переходу на так называемые терагерцевые сенсоры. Однако повышенная проникающая способность – не единственное преимущество. Наряду с малой мощностью, соответственно меньшим энергопотреблением, а также отсутствием вреда для здоровья их излучение полностью поглощается водой и отражается металлом. Новые датчики определяют органические субстанции в почве.

При всем желании сделать датчики мобильными, у данной системы есть один минус — обладая немалой, по сравнению с метеостанциями и стационарными датчиками стоимостью, они не могут похвастаться высокой производительностью. В ряде случаев использование базовых метеостанций с комплектом необходимых датчиков, в комплексе с применением БПЛА и космической съемки могут быть на несколько порядков эффективнее. Как правило, на практике наиболее актуален тот подход, который обеспечивает наибольшую производительность при сохранении качества. Все зависит от конкретной задачи, для решения которой используются датчики.