Para 2050, la población mundial llegará a los 10 mil millones, según Naciones Unidas. Con una enorme cantidad de personas ya desnutridas, las estimaciones del aumento de la producción de alimentos requerido para mediados de siglo varían enormemente: algunos piden una duplicación de la producción , mientras que otras estimaciones sugieren que pueden ser suficientes aumentos tan bajos como el 25% .
Una cosa que pocos discuten es que si vamos a exprimir cada vez más alimentos de las limitadas tierras agrícolas del mundo, deberíamos hacerlo de manera sostenible o, en última instancia, corremos el riesgo de una calamidad humanitaria. Es un desafío global inminente. «Cultivar la tierra cultivable del mundo a una pulgada de su vida no es la solución», dice Julie McCann , profesora de sistemas informáticos en el Imperial College de Londres y líder estratégica del Gran Desafío de ‘infraestructura resistente y robusta’ del programa de Turing. en Ingeniería centrada en datos . “Por un lado, necesitamos proteger el suelo para asegurar su longevidad. Por otro lado, necesitamos sacarle más provecho «. Por eso, en 2017, Turing financió el trabajo de McCann para desarrollar tecnología de agricultura de precisión.
“Por un lado, necesitamos proteger el suelo para asegurar su longevidad. Por otro lado, necesitamos sacarle más provecho «.
Profesora Julie McCann, líder estratégica de ingeniería centrada en datos, Instituto Alan Turing
La agricultura de precisión requiere que los agricultores utilicen redes de sensores para familiarizarse íntimamente con el estado de sus cultivos y suelo en cualquier momento y lugar de sus campos. Al comprender lo que está sucediendo con todo lujo de detalles, los insumos como fertilizantes y agua se pueden adaptar y se pueden identificar rápidamente los brotes de enfermedades. De esta manera, se optimizan los insumos y se maximizan los rendimientos de los cultivos. Y mediante un uso más juicioso de los plaguicidas se minimizan los daños al suelo y la biodiversidad.
Pero ejecutar infraestructura cableada en toda una granja no es práctico y costoso, por lo que los sensores deben tener poca potencia y funcionar con baterías o energías renovables como la solar. Las redes modernas de área amplia de baja potencia funcionan bien para aplicaciones agrícolas, pero están diseñadas para tráfico unidireccional, es decir, enviar datos de detección a la computadora de un agricultor para su análisis. McCann y su equipo han diseñado un sistema único capaz de transformar una red de detección pasiva en una red de control, una innovación crucial para la agricultura de precisión.
Escuche a Julie McCann hablando con Farming Today de BBC Radio 4 sobre el trabajo de su equipo.
¿Cómo comenzó?
McCann ya tenía una relación de investigación con la bodega Ridgeview en South Downs en Sussex. “El equipo de Julie había trabajado con nosotros antes. monitoreando el uso de energía, temperatura y agua dentro del edificio de la bodega ”, dice el gerente de viñedo Matthew Strugnell. «Estábamos emocionados de ver cómo los sensores remotos podrían ayudarnos a ver más de cerca lo que está sucediendo en nuestro viñedo, proporcionando una imagen de ‘mayor resolución'».
Los investigadores colocaron sensores cada 50 metros en toda la finca vinícola y dentro del edificio de la bodega. Esta configuración permite medir cómo cambia el aire alrededor del viñedo en términos de humedad y temperatura. Pronto también será posible la capacidad de medir el contenido de humedad del suelo tanto a nivel micro como macro en los campos de vides.
Vid
La red de sensores permite detectar cambios de humedad y temperatura en áreas específicas del viñedo.
¿Que pasó?
El estado de los campos
El objetivo inicial es modelar, lo más cerca posible del tiempo real, el estado de los campos. El desafío de la investigación es cómo dar sentido a los datos que llegan de potencialmente cientos de sensores, en diferentes momentos. El truco consiste en procesar los datos de tal manera que sigan siendo robustos, incluso si partes de la red se comportan mal, como siempre lo harán «en la naturaleza», para poder hacer una predicción precisa del estado actual del campo.
“Somos capaces de comprender los pequeños cambios en diferentes áreas del viñedo. Esto puede ayudarnos a identificar posibles focos de enfermedades «.
Matthew Strugnell, gerente de bodega, Ridgeview
“Recibimos datos de sensores. Podemos ver si algunas plantas se ven afectadas por ciertas condiciones localizadas, ese tipo de cosas”, dice McCann. Strugnell está de acuerdo: “Somos capaces de comprender los pequeños cambios en diferentes áreas del viñedo. Esto puede ayudarnos a identificar posibles focos de enfermedades, por ejemplo «. El equipo también está explorando tendencias dentro de los microclimas con la esperanza de obtener información valiosa sobre las condiciones óptimas de crecimiento.
El objetivo del control
El desarrollo de redes de sensores para leer el estado de una granja en alta resolución facilitará las prácticas sostenibles, que es el enfoque principal de Ridgeview. Para la agricultura en general, la tecnología de sensores es solo la mitad del desafío. La otra mitad es tomar la información recopilada por una red de sensores, usarla para decidir qué necesitan los cultivos en varias partes de una granja y luego usar LoRa, una tecnología de transmisión de largo alcance y baja potencia, para controlar los procesos agrícolas. como el uso de actuadores para agregar fertilizante o agua en las cantidades y ubicaciones adecuadas. Crear una granja que no solo pueda sentirse a sí misma, sino que también pueda alimentarse.
“Los protocolos utilizados para la detección, que son de bajo costo, lentos y de larga distancia, no fueron diseñados para el control”, explica McCann. “Hemos tomado algo que no estaba diseñado para ser un sistema de control y hemos construido un sistema de control a partir de él. Hasta donde yo sé, somos los primeros en el mundo en hacerlo «.
Distancia del sensor de medición
Los investigadores midieron la distancia entre el dispositivo sensor y la antena para explorar la relación entre las frecuencias de radio y la distancia en el campo.
Los científicos de datos suelen tener mucho código y capacidad de procesamiento para jugar; no es así para los sistemas de sensores de McCann. “Para hacer que nuestros sistemas sean inteligentes, tenemos que tomar una gran cantidad de inteligencia informática y reducirla a un código superligero. Tenemos que tomar los poderosos recursos que espera de un centro de datos y, de alguna manera, reducirlos a dispositivos diminutos y permitirles desarrollar su propia inteligencia como una red, un poco como enjambres de hormigas y abejas «.
Esta parte de control del sistema de McCann se ha probado en Londres, pero no en Ridgeview. “La bodega está muy contenta de que leamos el viñedo”, explica McCann, “pero es comprensible que se sientan menos cómodos dejando que un grupo de académicos con su equipo de investigación de última generación alimenten su viñedo, por lo que no estamos haciendo nada disruptivo viñedo.» Eso no ha impedido que McCann simule su protocolo de control. “Hemos demostrado que nuestro sistema puede brindar las garantías de tiempo y confiabilidad que se esperan de tales sistemas, tanto para esta aplicación como para otras aplicaciones. La siguiente etapa es ver hasta dónde podemos llegar con la actuación práctica «.
¿Qué depara el futuro?
Cada vez más, las granjas utilizan sistemas de sensores, técnicas de imágenes, vehículos autónomos, robots y drones para hacer que la agricultura sea más eficiente, rentable y productiva. La capacidad de las granjas no solo para detectar sus campos de varios kilómetros, sino también para utilizar esa transmisión de datos para regularse en tiempo real ofrece la esperanza de un futuro más eficiente y sostenible para la agricultura.
Pero el potencial de los protocolos de control desarrollados por mi McCann y su equipo tiene potencial más allá de la agricultura. “Podría usarse para redes de agua, que son mucho más complicadas”, dice McCann. En el futuro, predice que las redes de tuberías de agua podrían autorregularse en gran medida. Eso requeriría que los sensores se distribuyan alrededor de las redes existentes y que se agreguen más puntos de conmutación (válvulas) a la infraestructura. “En última instancia, el objetivo es hacer que las redes de agua sean tan resistentes como Internet, en el sentido de que el agua pueda enrutarse alrededor de fallas o fugas y adaptarse mejor a la demanda. Hemos simulado tales redes en el laboratorio y hemos demostrado que tal sistema es muy viable «.
Esta investigación sobre protocolos de detección y control podría, por lo tanto, ayudar a cumplir con el desafío de la ingeniería centrada en datos de Turing de ‘infraestructura resistente y robusta’, con respecto a dos recursos fundamentales que serán cada vez más importantes en un mundo densamente poblado y en calentamiento: los alimentos y el agua. .