Abdul Salam

الماء هو أهم مورد للحياة، سواء للبشر أو للمحاصيل التي نستهلكها. في جميع أنحاء العالم، تمثل الزراعة 70% من استخدام المياه العذبة. أدرس الكمبيوتر وتكنولوجيا المعلومات في معهد Purdue Polytechnic وأدير مختبر Purdue لتكنولوجيا الشبكات البيئية (ENT)، حيث نتصدى للتحديات البيئية والاستدامة من خلال البحوث المتعددة التخصصات في مجال الإنترنت الزراعي للأشياء، أو Ag-IoT. إنترنت الأشياء هو شبكة من الأجسام المزودة بمستشعرات بحيث يمكنها استقبال ونقل البيانات عبر الإنترنت. تشمل الأمثلة أجهزة اللياقة البدنية القابلة للارتداء، وأجهزة التحكم في درجة حرارة المنزل الذكية، والسيارات ذاتية القيادة.

في مجال الزراعة، يشمل ذلك تقنيات مثل الاتصالات اللاسلكية تحت الأرض، والاستشعار تحت السطحي، والهوائيات في التربة. تساعد هذه الأنظمة الفلاحين على تتبع الظروف على أراضيهم في الوقت الحقيقي، واستخدام المياه ومدخلات أخرى مثل الأسمدة بالضبط متى وأين تكون هناك حاجة إليها. على وجه الخصوص، يعد مراقبة الظروف في التربة واعدًا جدًا في مساعدة المزارعين على استخدام الماء بكفاءة أكبر. ويمكن الآن دمج المستشعرات لاسلكيًا في أنظمة الري لتوفير إدراك فوري لمستويات رطوبة التربة. تشير الدراسات إلى أن هذه الاستراتيجية يمكن أن تقلل الطلب على الماء للري بنسب تتراوح بين 20% إلى 72% دون التأثير على العمليات اليومية في حقول المحاصيل.

حتى في الأماكن الجافة مثل الشرق الأوسط وشمال إفريقيا، يمكن أن تكون الزراعة ممكنة مع إدارة فعالة للمياه. ولكن الأحداث الجوية القصوى التي يحركها تغير المناخ تجعل ذلك أكثر صعوبة. لقد تسبب الجفاف المتكرر في غرب الولايات المتحدة خلال العشرين عامًا الماضية، إلى جانب كوارث أخرى مثل حرائق الغابات، في خسائر بمليارات الدولارات في المحاصيل. قام خبراء المياه بقياس رطوبة التربة لتوجيه قرارات إدارة المياه والري لعقود من الزمن .لقد حلت التقنيات الآلية إلى حد كبير محل أدوات رطوبة التربة المحمولة لأنه من الصعب الحصول على قراءات يدوية لرطوبة التربة في حقول الإنتاج في المواقع النائية.

في العقد الماضي، بدأت تقنيات جمع البيانات اللاسلكية في توفير إمكانية الوصول في الوقت الفعلي إلى بيانات رطوبة التربة، مما يؤدي إلى اتخاذ قرارات أفضل في إدارة المياه. يمكن لهذه التقنيات أيضًا أن تكون لها العديد من التطبيقات المتقدمة في مجال إنترنت الأشياء في السلامة العامة، ومراقبة البنية التحتية الحضرية، وسلامة الغذاء. إنترنت الأشياء الزراعي (Ag-IoT) هو شبكة من الراديوهات والهوائيات والمستشعرات التي تجمع معلومات المحاصيل والتربة في الوقت الفعلي في الحقل. لتسهيل جمع البيانات، تكون هذه المستشعرات والهوائيات متصلة لاسلكيًا بمعدات المزرعة. إنترنت الأشياء الزراعي هو إطار عمل كامل يمكنه اكتشاف الظروف في الأراضي الزراعية، واقتراح الإجراءات ردًا على ذلك، وإرسال الأوامر إلى آلات المزرعة. توصيل الأجهزة مثل مستشعرات رطوبة وحرارة التربة في الحقل، يجعل من الممكن التحكم في أنظمة الري وتوفير الماء بشكل مستقل. يمكن للنظام جدولة الري، ومراقبة الظروف البيئية، والتحكم في آلات المزرعة، مثل آلات زراعة البذور وموزعات الأسمدة. تشمل التطبيقات الأخرى تقدير مستويات العناصر الغذائية في التربة وتحديد الآفات.

تحديات وضع الشبكات تحت الأرض

للتجميع اللاسلكي للبيانات إمكانية مساعدة المزارعين على استخدام الماء بكفاءة أكبر، لكن وضع هذه المكونات في الأرض يخلق تحديات. على سبيل المثال، في مختبر ENT بجامعة بيردو، وجدنا أنه عندما تُدفن الهوائيات التي تنقل بيانات المستشعر في التربة، تتغير خصائص تشغيلها بشكل جذري اعتمادًا على مدى رطوبة التربة. يستخدم المزارعون معدات ثقيلة في الحقول، لذا يجب دفن الهوائيات على عمق كافٍ لتجنب الضرر. عندما تصبح التربة رطبة، تؤثر على الاتصال بين شبكة المستشعر ونظام التحكم. الماء الموجود في التربة يمتص طاقة الإشارة، مما يضعف الإشارات التي يرسلها النظام. كما أن التربة الكثيفة تعيق انتقال الإشارة.

لقد طورنا نموذجًا نظريًا وهوائيًا يقلل من تأثير التربة على الاتصالات تحت الأرض عن طريق تغيير تردد التشغيل وعرض النطاق الترددي للنظام. بهذا الهوائي، يمكن للمستشعرات الموضوعة في الطبقات العليا من التربة، تقديم معلومات حالة التربة في الوقت الفعلي لأنظمة الري على مسافات تصل إلى 650 قدمًا (200 متر)، وهو أطول من ملعبي كرة قدم. حل آخر طورته لتحسين الاتصال اللاسلكي في التربة، هو استخدام هوائيات اتجاهية لتركيز طاقة الإشارة في الاتجاه المطلوب. يمكن أيضًا استخدام الهوائيات التي توجه الطاقة نحو الهواء للاتصالات اللاسلكية تحت الأرض على مدى طويل.

ما الذي ينتظر إنترنت الأشياء الزراعي (Ag-IoT)؟

يصبح الأمن السيبراني مهمًا بشكل متزايد لإنترنت الأشياء الزراعي (Ag-IoT) مع نضجه. تحتاج الشبكات في المزارع إلى أنظمة أمان متقدمة لحماية المعلومات التي تنقلها. هناك أيضًا حاجة إلى حلول تمكّن الباحثين ووكلاء الإرشاد الزراعي من دمج المعلومات من مزارع متعددة. سيؤدي تجميع البيانات بهذه الطريقة إلى اتخاذ قرارات أكثر دقة حول قضايا مثل استخدام المياه، مع الحفاظ على خصوصية المزارعين.

تحتاج هذه الشبكات أيضًا إلى التكيف مع الظروف المحلية المتغيرة، مثل درجة الحرارة والأمطار والرياح. يمكن أن تغير التغيرات الموسمية ودورات نمو المحاصيل، الظروف التشغيلية لمعدات إنترنت الأشياء الزراعي مؤقتًا. من خلال استخدام الحوسبة السحابية والتعلم الآلي، يمكن للعلماء مساعدة إنترنت الأشياء الزراعي على الاستجابة للتحولات في البيئة المحيطة به.

أخيرًا، لا يزال عدم وجود إمكانية الوصول إلى الإنترنت عالي السرعة، يمثل مشكلة في العديد من المجتمعات الريفية. على سبيل المثال، قام العديد من الباحثين بدمج مستشعرات تحت الأرض لاسلكية مع إنترنت الأشياء الزراعي في أنظمة الري المحورية، لكن المزارعين الذين لا يمتلكون إمكانية الوصول إلى الإنترنت عالي السرعة لا يستطيعون تركيب هذا النوع من التكنولوجيا.

دمج الاتصال الشبكي القائم على الأقمار الصناعية مع إنترنت الأشياء الزراعي، يمكن أن يساعد المزارع غير المتصلة، حيث لا تزال الاتصالات الواسعة النطاق غير متوفرة. يقوم الباحثون أيضًا بتطوير منصات إنترنت الأشياء الزراعي المحمولة والمركبة على المركبات التي تستخدم الطائرات بدون طيار. يمكن لأنظمة مثل هذه توفير اتصال مستمر في الميدان، مما يجعل التقنيات الرقمية متاحة لمزيد من المزارعين في كثير من الأماكن.

المصدر: The Conversation