Die Bevölkerung der Erde hat bereits die 7,3-Milliarden-Marke überschritten und wird dort nicht aufhören. Bis 2050 werden voraussichtlich 9,7 Milliarden Menschen auf dem Planeten leben. In dieser Situation tritt das Thema Ernährung in den Vordergrund, denn um eine so große Bevölkerung zu ernähren, muss die Lebensmittelproduktion um ein Vielfaches gesteigert werden. Landwirte und Ingenieure arbeiten bereits an dieser Aufgabe und planen, sie durch die Entwicklung und den Bau „intelligenter“ Farmen zu erreichen.
An der Schwelle zur vierten industriellen Revolution, an der sich die Menschheit befindet, werden sich auch in der Landwirtschaft gravierende Veränderungen ergeben, in denen Technologien für cyberphysikalische Systeme, das Internet der Dinge (IoT) und Cloud Computing systematisch eingeführt werden.
Der technologische Fortschritt kann in fast allen Phasen der Landwirtschaft angewendet werden, und bereits implementierte Technologien können in drei Hauptkategorien unterteilt werden, die die Grundlage für eine „intelligente“ Landwirtschaft bilden - autonome Roboter, unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) oder Drohnen sowie verschiedene IoT-Sensoren. Im Folgenden werden wir mehr über jeden von ihnen sprechen.
Roboter
Roboter haben gesagt, dass Menschen für viele Jahre ersetzt werden, und nach und nach werden diese Vorhersagen wahr. Die Landwirtschaft ist keine Ausnahme, und angesichts der Tatsache, dass die Landwirtschaft häufig eine mühsame Aufgabe mit einer bestimmten Häufigkeit sich wiederholender Aktionen beinhaltet, ist dies eine ideale Umgebung für die Robotik.
Betriebe setzen landwirtschaftliche Roboter bereits für verschiedene Aufgaben ein - Säen, Gießen, Ernten und Sortieren von Pflanzen. Die „intelligente“ Technologie wird weiter verbessert und wird in Zukunft das Volumen landwirtschaftlicher Produkte erhöhen und deren Qualität bei geringerem Einsatz von Humanressourcen verbessern.
Drohnen-Traktor
Traktoren sind die Basis jeder Farm und es ist klar, dass mit der Tendenz zur Entwicklung unbemannter Fahrzeuge in der Welt Traktorfahrer auch die ersten sind, die ihre Kabinen verlassen. Sie müssen entweder nach Hause gehen oder sich an Spezialisten weiterbilden, die kartografische Daten eingeben und die Grenzen der Felder festlegen, sowie lernen, wie der Bewegungspfad mit speziellen Programmen programmiert und andere Parameter für den Betrieb unbemannter Traktoren festgelegt werden.
Mit der Zeit werden jedoch die Fähigkeiten unbemannter Traktoren erweitert und sie werden autonomer. Dazu gehören zusätzliche Kameras, Computer-Vision-Systeme, GPS-Navigation, eine Internetverbindung zur Fernüberwachung und -steuerung sowie die LIDAR-Laserscanning-Technologie zur Erkennung von Hindernissen und zur Verhinderung von Kollisionen.
Nach den Prognosen von CNH Industrial, die 2016 das Konzept eines unbemannten Traktors einführten, können solche Geräte künftig unabhängig von Betriebsbefehlen von meteorologischen Satelliten automatisch die besten Arbeitsbedingungen ermitteln, unabhängig von menschlichen Befehlen und Tageszeiten.
Aussaat
Das Erscheinen von Sämaschinen ersetzte die schwere Handarbeit des Menschen, hinterließ jedoch einige ungelöste Probleme. Beispielsweise werden die Felder mit ihrer Hilfe häufig streuend ausgesät, was Ungenauigkeit und hohen Saatgutverbrauch impliziert. Für ein optimales Wachstum sollten die Samen in der richtigen Tiefe und im richtigen Abstand voneinander ausgesät werden.
Um diese Bedingungen zu erfüllen, wird die Präzisionssaattechnologie verwendet, die eine Geokartierungstechnologie in Kombination mit Sensordaten zur Bodenqualität, ihrer Dichte, ihrem Feuchtigkeitsgehalt und ihrer Fruchtbarkeit umfasst, um den Zufallsfaktor zu negieren. Mit ihrer Hilfe haben Samen die besten Chancen auf Keimung, Wachstum und damit Ertrag.
In Zukunft werden Präzisionssämaschinen in Verbindung mit unbemannten Traktoren und IoT-Systemen eingesetzt, die dem Landwirt Informationen über den Fortschritt der Aussaat übermitteln. Somit kann nur eine Person ganze Felder säen und die Arbeit zahlreicher Maschinen mithilfe von Videoübertragungen oder einem digitalen Bedienfeld auf einem Computer oder Tablet beobachten.
Automatische Bewässerung und Bewässerung
Die weit verbreitete Tropfbewässerung im Untergrund ermöglicht es den Landwirten bereits zu kontrollieren, wann und wie viel Wasserpflanzen erhalten. Durch das Hinzufügen von IoT-Sensoren zur Überwachung von Bewässerungssystemen zur Überwachung der Bodenfeuchtigkeit und der Pflanzengesundheit werden die Landwirte nahezu autonom. Ein Eingreifen in den Prozess ist nur bei Problemen erforderlich.
Unkrautbekämpfung
Dieser Teil der einstigen Handarbeit wird jetzt Robotern anvertraut. Richtig, bisher nur als Experiment. Zum Beispiel ein BoniRob-Feldroboter. Er bewegt sich mit einem Satelliten und Laserortungsgeräten auf dem Feld, während er Kameras und maschinelle Lerntechnologien einsetzt. Der Roboter bewertet Sämlinge und entfernt Unkraut.
Auch der automatisierte Farmkultivator Smart Farm hat seinen Platz auf der Farm gefunden. Er bewegt sich mit Hilfe eines Traktors, der mit einem Visualisierungssystem ausgestattet ist. Es erkennt den fluoreszierenden Farbstoff auf Sämlingen und unterscheidet somit Pflanzen von Unkräutern. Unkraut ohne Marker wird zerstört.
Betriebe, die mit diesen und anderen Robotern, unbemannten Traktoren und IoT-Systemen ausgestattet sind, können fast alleine arbeiten.
Ernten
Aktualität, gutes Wetter und Effizienz sind wichtig für die Ernte. Landwirte verwenden eine Vielzahl von Erntemaschinen, von denen viele automatisiert werden können. Es ist lediglich erforderlich, die Technologie unbemannter Traktoren anzupassen und Mähdrescher und andere Erntemaschinen mit fortschrittlichen Sensoren sowie mit dem Internet verbundenen IoT-Sensoren auszustatten. Die Maschinen können automatisch mit der Arbeit beginnen, sobald die idealen Bedingungen für die Ernte vorliegen.
Technologische Fortschritte sind besonders nützlich für die Ernte von empfindlichem Obst und Gemüse, die einen empfindlicheren Ansatz erfordern. Ingenieure arbeiten bereits an solchen Systemen. Zum Beispiel hat Panasonic einen Prototyp-Roboter für die automatisierte Tomatenernte entwickelt. Mit Kameras und einem Algorithmus zur Analyse von Farbe und Form kann er die Früchte erkennen und reife Tomaten identifizieren.
Der Panasonic-Roboter pflückt Tomaten, indem er sie vom Stiel abschneidet. Die Ingenieure versuchen jedoch auch, Roboter zu entwickeln, die Obst und Gemüse sanft greifen können, ohne ihre empfindliche Haut zu beschädigen.
Abundant Robotics hat einen anderen Weg gewählt: Der in den USA getestete Prototyp eines Roboter-Apfelpflückers arbeitet nach dem Prinzip eines Staubsaugers, saugt reife Früchte und findet sie mithilfe von Computer Vision.
Dies sind nur einige Beispiele von Dutzenden vielversprechender Roboter, die bald die Ernte übernehmen und die Menschen von der harten Arbeit befreien werden.
Unbemannte Luftfahrzeuge
Welcher Landwirt möchte seine Felder nicht aus der Luft sehen? Wenn früher für die Luftaufnahme von Ackerland auf die Dienste eines Hubschraubers oder eines kleinen Flugzeugs zurückgegriffen werden musste, können Sie dies jetzt mit Hilfe von mit Kameras ausgestatteten Drohnen tun. Und dafür wird viel weniger Geld benötigt.
Bildverarbeitungstechnologien stehen nicht still, und heutzutage sind UAV-Systeme mit einer Vielzahl von Kameras auf dem Markt erhältlich - vom Standard bis zum fortschrittlichsten, mit Unterstützung für ultrahohe Auflösung, der Fähigkeit, im Infrarot- oder Ultraviolett-Spektrum und sogar im Hyperspektralmodus aufzunehmen.
Die mit Hilfe von Drohnen gewonnenen Daten ermöglichen es, den Zustand landwirtschaftlicher Nutzpflanzen und die Bodenqualität zu beurteilen, Aussaatflächen zu planen und die Nutzung von Ressourcen und Land zu optimieren. Regelmäßige Felduntersuchungen helfen auch bei der Auswahl von Pflanz- und Bewässerungssystemen, der Kartierung landwirtschaftlicher Flächen und anderen Aspekten der Landwirtschaft.
Drohnen sind jedoch nicht nur für ihre Foto- und Videofunktionen nützlich. Andere Anwendungsfälle sind das Säen und Sprühen.
Mehrere Unternehmen und Gruppen von Wissenschaftlern arbeiten an UAVs, die mit Hilfe von Druckluft Kapseln mit Samen und Düngemitteln zerstreuen können. Insbesondere werden solche Projekte mit Drohnen von DroneSeed und BioCarbon umgesetzt. Ihr Ziel ist die Wiederaufforstung, aber diese Methode ist nicht schwer für den Anbau verschiedener Kulturen anzupassen. Eine Drohnenflotte unter der Kontrolle von IoT-Sensoren und -Software für autonomes Arbeiten könnte Pflanzen an Orten pflanzen, die für sie ideal geeignet sind und die besten Bedingungen für ein schnelleres Wachstum und hohe Erträge bieten.
Drohnen können auch zum Sprühen von Pflanzen verwendet werden. Mithilfe von GPS, Lasermesssystemen und Ultraschallpositionierung können UAVs die Höhe und die Flugzone unter Berücksichtigung von Parametern wie Windgeschwindigkeit, Topographie und Geographie einfach anpassen. Dadurch können Drohnen effizienter, genauer und verlustärmer sprühen.
So hat das chinesische Unternehmen DJI das UAV-System Agras MG-1 speziell zum Sprühen von Pflanzen entwickelt. In der Drohne ist ein Fassungsvermögen von 10 Litern enthalten, das mit flüssigen Pestiziden, Herbiziden oder Düngemitteln gefüllt werden kann. Die maximale Fluggeschwindigkeit des Agras MG-1 beträgt 40 km / h, die maximale Reichweite und Höhe 1 km und 150 m. Das Mikrowellenradar ermöglicht es der Drohne, den richtigen Abstand zu den Feldfrüchten einzuhalten und ein gleichmäßiges Sprühen sicherzustellen. Laut Hersteller kann Agras MG-1 im eigenständigen, halbautonomen oder manuellen Modus arbeiten.
Drohnen zur Echtzeitüberwachung und -analyse
Eine weitere nützliche Funktion von Drohnen ist die Fähigkeit, mit ihnen eine Fernüberwachung durchzuführen und den Zustand der auf ihnen wachsenden Felder und Pflanzen zu analysieren. Mehrere Drohnen können eine ganze Armee von Arbeitern ersetzen. Die Menschen müssen nicht ständig auf den Feldern herumreisen, um den Zustand der Sämlinge visuell beurteilen zu können.
Durch den Empfang solcher Daten im Internet können Landwirte nur aus dringenden Gründen auf die Felder gehen, die wirklich Aufmerksamkeit erfordern, und verlieren keine Zeit, gesunde Pflanzen zu untersuchen.
Landwirtschaftliche Drohnen sind jedoch alles andere als perfekt. Reichweite und Flugzeit sind für die meisten Modelle geringer als von den Landwirten benötigt. Selbst die „robustesten“ UAVs können nur etwa eine Stunde in der Luft verbringen und müssen dann die Batterien aufladen.
Außerdem beißen immer noch landwirtschaftliche Drohnen. Zum Beispiel kostet der Kauf eines der fortschrittlichsten Precision Hawk Lancaster-Modelle heute 25.000 US-Dollar. Natürlich gibt es weniger teure UAVs, aber ihre Ausrüstung ist oft bescheiden und enthält keine fortschrittlichen Foto- und Videogeräte oder Sprühgeräte, die für Landwirte erforderlich sind.
Connected Farm: Sensoren und das Internet der Dinge
Autonome landwirtschaftliche Roboter und Drohnen werden den Landwirten viele Vorteile bringen, aber IoT-Technologien werden eine wirklich „intelligente“ Farm der Zukunft sein.
Der Begriff „Internet der Dinge“ bezieht sich auf das Konzept eines Computernetzwerks aus physischen Objekten („Dingen“), die mit integrierten Technologien für die Interaktion und den Austausch von Daten untereinander und mit der externen Umgebung ausgestattet sind. In der Praxis werden bereits IoT-Technologien in Form von intelligenten Heimgeräten implementiert, die digitale Sprachassistenten, intelligente medizinische Geräte und Industrieausrüstungen unterstützen.
In intelligenten Farmen werden Sensoren in jeder Phase der Siloproduktion und in allen Arten von Geräten eingeführt. Feldsensoren erfassen Daten zu Beleuchtungsstärken, Bodenbedingungen, Bewässerung, Luftqualität und Wetterbedingungen. Informationen werden an den Landwirt oder direkt an landwirtschaftliche Roboter auf den Feldern gesendet. Robotergruppen, die mit eigenen Sensoren und Navigationsgeräten ausgestattet sind, bewegen sich durch die Felder und reagieren auf Signale, die sie über die Notwendigkeit des Unkrauts, Bewässerns, Beschneidens oder Erntens erhalten. Darüber hinaus werden Drohnen den Feldern aus der Luft folgen und Karten erstellen, die als Leitfaden für Roboter dienen und den Landwirten bei der Planung weiterer landwirtschaftlicher Arbeiten helfen. All diese Innovationen werden die landwirtschaftliche Produktion und die Lebensmittelqualität steigern.
Das BI Intelligence Analytics-Unternehmen prognostiziert, dass die Anzahl der in der Landwirtschaft verwendeten IoT-Geräte von 30 Millionen Einheiten im Jahr 2015 auf 75 Millionen im Jahr 2020 steigen wird. Es wird auch erwartet, dass Smart Farms bis 2050 täglich 4,1 Millionen Messungen durchführen werden, verglichen mit nur 190.000 im Jahr 2014.
Mit wachsenden Datenmengen von intelligenten Geräten und Sensoren sowie Netzwerktechnologien für den Informationsaustausch können Landwirte alle Aspekte ihrer landwirtschaftlichen Betriebe sehen, verstehen, welche Pflanzen gesund sind, welche Aufmerksamkeit benötigen, welche Felder bewässert werden müssen und wo sie gesammelt werden müssen die Ernte.
Bei diesem Material ist nur die Spitze des Eisbergs betroffen - der Anbau von Pflanzen. Nicht weniger Möglichkeiten für fortschrittliche Technologien im Bereich der Tierhaltung. Wenn jede Farm zu einer intelligenten wird, wird das Ziel einer Steigerung der Lebensmittelproduktion um 70 Prozent realisierbar.