Il caso della coltivazione localizzata e in ambienti chiusi
Prima di esplorare come sviluppare sistemi di coltivazione localizzati e connessi al cloud, è importante comprendere i potenziali vantaggi della coltivazione indoor. I tre principali vantaggi sono:
1. Maggiore disponibilità di prodotti:
la domanda globale di frutta, frutta secca, verdura e ortaggi non autoctoni di una specifica regione può essere soddisfatta più rapidamente ed efficacemente se questi prodotti vengono coltivati localmente in quella regione. Ciò contribuirà anche a ridurre le distanze percorse dal cibo: sebbene questo non renda necessariamente le operazioni meno intensive in termini di emissioni di carbonio, contribuirà certamente ad aumentare la sicurezza alimentare e la disponibilità di prodotti che altrimenti verrebbero trasportati per lunghe distanze da altre zone. Altri vantaggi secondari includono l'estensione della stagione di crescita, la disponibilità di una particolare coltura alimentare durante tutto l'anno e la capacità di mantenere un'efficiente produzione alimentare globale nonostante le imprevedibili condizioni meteorologiche terrestri.
2. Riduzione della distruzione degli habitat.
Un aumento delle colture in ambiente chiuso o di quelle non cerealicole potrebbe anche ridurre la distruzione degli habitat. Sebbene questo possa essere controverso, ci sono validi motivi per cui l'agricoltura viene spesso trascurata come minaccia per gli habitat e l'ambiente, con la maggior parte dell'attenzione concentrata sullo sviluppo del territorio e sulla deforestazione da parte dell'industria del legname. Secondo il WWF (World Wide Fund for Nature), "la Terra perde 18,7 milioni di acri di foresta ogni anno" a causa di questi tre fattori principali, e "circa il 50% della terra abitabile del mondo è stata convertita in terreno coltivabile". I principali usi del suolo includono il pascolo e il ricovero del bestiame, le grandi aziende agricole e la coltivazione di ortaggi e cereali per il consumo umano, con oltre un terzo dedicato alla produzione di colture per l'alimentazione del bestiame, come mais, orzo, avena, sorgo e soia. Sta diventando sempre più evidente che le tecniche agricole che consumano grandi quantità di terreno non sono sostenibili.
3. Diete più sane.
Oltre a ridurre la quantità di terreno necessaria per le tecniche agricole tradizionali, la sostenibilità ambientale (SE) e la coltivazione in ambienti chiusi possono contribuire a promuovere diete più sane. È un dato di fatto medico che, sebbene gli esseri umani siano onnivori, traggono maggiori benefici da una dieta che privilegia un mix di verdura, frutta e frutta secca, con un ridotto consumo di carne. L'adozione diffusa di questa dieta porterà a una significativa riduzione della produzione di mangimi per il bestiame e consentirà quindi un cambiamento fondamentale verso la creazione di uno stile di vita sostenibile per la popolazione mondiale. Inoltre, ciò potrebbe ridurre il numero di capi di bestiame allevati, diminuendo la necessità di trasporto alimentare e riducendo le emissioni di gas serra (GHG). Secondo l'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura (FAO), l'allevamento globale produce emissioni di gas serra che rappresentano il 14,5% di tutte le emissioni antropogeniche, ovvero indotte dall'uomo.
L'agricoltura verticale e l'agricoltura indoor su larga scala sono ancora agli albori. Sebbene l'approccio più comune preveda l'installazione di strutture al coperto, come le serre, su ampie superfici, si sta diffondendo la tendenza a costruire strutture per l'agricoltura verticale su misura, tra cui fabbriche o magazzini riadattati e disposti su più piani. Ciò consente un utilizzo più efficiente e pragmatico degli immobili e dei terreni per la coltivazione di colture non cerealicole. L'agricoltura verticale si presta inoltre bene all'allevamento di pollame, che potrebbe rappresentare una fonte di carne potenzialmente più redditizia.
Per condurre coltivazioni su larga scala, sia in ambienti interni che esterni, sono necessari diversi prerequisiti. Riprodurre e mantenere le condizioni naturali richiede al coltivatore di monitorare regolarmente parametri quali temperatura, illuminazione artificiale, umidità, umidità del suolo e, nel caso di idroponica/aeroponica, nutrienti presenti nell'acqua. I coltivatori più esperti dispongono di più edifici che ospitano ambienti chiusi, ognuno dei quali deve essere ottimizzato per queste specifiche condizioni di coltivazione. Ciò rende necessario l'utilizzo di sensori connessi al cloud per misurare continuamente le condizioni ambientali nel tempo e inviare i dati a una stazione di monitoraggio centrale.
Procedure ottimali per l'implementazione del sistema
Il primo passo consiste nel creare una documentazione delle condizioni esterne, sia native che non native, che servirà da punto di riferimento per apportare le necessarie modifiche ambientali, se necessario.
Successivamente, è necessario decidere il tipo di rete da implementare. Data la crescente disponibilità di soluzioni IoT per la connettività dei sensori, è opportuno implementare una rete gestita da un hub o gateway centrale che comunichi con un controller o computer locale (vedere Figura 1). Il controller viene utilizzato per caricare i dati sul cloud per ulteriori analisi. Il cloud può essere proprietario o offerto come servizio da un fornitore affermato o emergente.
Un agricoltore può decidere che reazioni immediate ai dati dei sensori non siano necessarie. In questi casi, il cloud può emettere comandi o azioni entro un lasso di tempo accettabile. Tuttavia, se è richiesta una latenza minima o nulla tra il momento in cui i dati del sensore vengono inviati e il computer centrale emette un'azione o un comando, l'agricoltore può adottare un passaggio intermedio, ovvero utilizzare un controller edge tra il gateway e il cloud, per accelerare il tempo che intercorre tra l'analisi e l'azione. In definitiva, maggiore è la precisione del controllo ambientale, migliore sarà la crescita del raccolto.
L'implementazione dell'edge computing può essere suddivisa in sezioni back-end e front-end, ognuna delle quali svolge un ruolo fondamentale nell'ottimizzazione della produzione agricola in ambienti chiusi. Il back-end comprende elementi di edge computing e cloud computing, mentre il front-end è costituito dalla rete di sensori e dal gateway. Emergerà un ecosistema di fornitori di hardware e integratori di sistemi per fornire tutti i componenti necessari a supportare questa architettura di soluzione per un numero crescente di implementazioni e casi d'uso IoT in diversi settori. La rete di sensori è particolarmente importante, poiché verrà posizionata il più vicino possibile alla coltura, monitorandone l'ambiente e raccogliendo dati da trasmettere al gateway. È inoltre fondamentale che ciascuno dei numerosi nodi sensore individuali sia semplice, affidabile, di facile manutenzione, funzioni con un consumo energetico minimo per prolungare la durata della batteria e comunichi con il gateway e, in definitiva, con il fornitore di servizi cloud tramite vari metodi di connettività wireless.
L'elemento di connettività wireless preferito sarà il Bluetooth® Low Energy (BLE) o il nuovo standard Wi-Fi® a basso consumo 802.11ah. Ciò garantirà che le soluzioni possano operare in bande non licenziate e comunicare su distanze tipiche della coltivazione indoor, da 10 a 100 metri (m). Lo standard 802.11ah ha la portata maggiore, fino a 1 chilometro (km). Le velocità di trasmissione dati di BLE e Wi-Fi 802.11ah sono rispettivamente da 10 kilobit al secondo (Kbps) a 10 Mbps e da 50 Kbps a 100 Kbps, fornendo una larghezza di banda sufficiente per i vari parametri di dati misurati.
È fondamentale che anche il nodo sensore disponga di una solida sicurezza. Come in qualsiasi settore, molti agricoltori o grandi gruppi industriali sono coinvolti nella coltivazione indoor o nell'industria su larga scala della CEA (Central Environment Agriculture). Qualsiasi informazione che possa aiutare un fornitore a ottenere un vantaggio competitivo rispetto alla concorrenza si traduce in maggiori ricavi e profitti. La volontà e la capacità di violare una rete wireless per acquisire dati che forniscano questo vantaggio sono ampiamente accettate, riconosciute e comprese. Il modo migliore per mitigare il rischio è una soluzione basata su hardware in grado di crittografare e autenticare sia i dati che il nodo. Gli approcci basati su firmware o software sono generalmente considerati vulnerabili agli attacchi degli hacker.
I progettisti e i produttori di nodi sensore baseranno le loro offerte su soluzioni in silicio che facilitino la progettazione di sistemi finiti intuitivi, modulari e aggiornabili, con basso consumo energetico, sicurezza robusta e la flessibilità necessaria per supportare le opzioni di connettività wireless richieste. Questi fornitori collaborano attivamente anche con i principali provider di servizi cloud. Se la soluzione deve essere indipendente dal cloud, il fornitore deve essere in grado di configurarla per comunicare con un cloud proprietario che offra tutte le funzionalità richieste.
Un esempio di questo tipo di soluzione è la piattaforma di sviluppo Google Cloud IoT Core offerta da Microchip Technology (vedere Figure 2 e 3). Le schede di sviluppo combinano un microcontrollore, un elemento di sicurezza e un controller di rete Wi-Fi completamente certificato per fornire il modo più semplice ed efficiente per connettere i nodi sensore alla piattaforma Google Cloud IoT Core. Gli utenti possono connettersi direttamente a Google Cloud, preconfigurato con un account sandbox gratuito, o a un ambiente sandbox virtuale per visualizzare i dati relativi a luce e temperatura. È possibile collegare sensori aggiuntivi utilizzando le schede di espansione MikroElektronika Click™, ampiamente disponibili, che facilitano l'integrazione di funzionalità aggiuntive in un progetto.
Un modo migliore per nutrire il pianeta:
gli ambienti a controllo ambientale (ECE) e l'agricoltura indoor promettono una produzione alimentare globale più sicura, affidabile ed efficiente, in un'area geografica significativamente più ridotta rispetto ai metodi agricoli tradizionali. Per realizzare questa promessa, è necessaria una tecnologia di controllo ambientale in grado di garantire, su larga scala, un ambiente di coltivazione indoor stabile per colture non autoctone. Tra le tecnologie più importanti vi è la rete di sensori che raccoglie e trasmette i dati dai sensori di monitoraggio ambientale al cloud per l'elaborazione e l'analisi. I principali fornitori di servizi cloud hanno introdotto soluzioni rapidamente implementabili per soddisfare questi requisiti, offrendo modalità semplici e flessibili per supportare una varietà di applicazioni e casi d'uso relativi agli ECE e all'agricoltura indoor.
Agricoltura in ambiente controllato (CEA): un approccio alla produzione alimentare basato sulla tecnologia. L'obiettivo della CEA è proteggere e mantenere condizioni di crescita ottimali per una coltura durante tutto il suo sviluppo. La produzione avviene in una struttura di coltivazione chiusa, come una serra o un edificio. Le piante vengono tipicamente coltivate utilizzando metodi idroponici per fornire le quantità appropriate di acqua e nutrienti alla zona radicale. La CEA ottimizza l'uso di risorse come acqua, energia, spazio, capitale e manodopera. Le tecnologie CEA includono idroponica, acquacoltura e acquaponica. Le variabili controllabili includono: temperatura (aria, soluzione nutritiva, zona radicale); umidità (%UR); anidride carbonica (CO2); luce (intensità, spettro, intervallo); concentrazione di nutrienti (parti per milione, o PPM, e conducibilità elettrica, o EC); fertilizzanti; e pH (acidità) dei nutrienti. Gli impianti CEA possono variare da serre completamente automatizzate con controlli computerizzati per irrigazione, illuminazione e ventilazione, a soluzioni a bassa tecnologia come pellicole o coperture di plastica, chiamate chiostri, che vengono posizionate sopra le colture in campo, e tunnel coperti di plastica.
