L’importanza dell’ambiente e la sua sostenibilità sono diventati temi centrali in moltissimi scenari di Industria 4.0 e non solo, indirizzando le nuove tecnologie e le nuove scelte progettuali a limitare, azzerare o addirittura migliorare l’impatto sulle risorse della nostra terra.

L’agricoltura è sicuramente un settore tra i più interessati dall’innovazione e, grazie all’unione con le tecnologie IoT, sta evolvendo con approcci più smart dedicati all’ottimizzazione delle risorse, alla precisione delle colture e alla qualità del prodotto.

Riuscire a risparmiare risorse, soprattutto quelle naturali, sta diventando l’obiettivo principale dell’innovazione in tutti i settori e con l’aiuto delle tecnologie IoT è possibile raggiungere ottimi risultati e benefici nei rispettivi contesti.

Nell’agricoltura, ad esempio, risparmiare risorse significa ridurre al minimo gli sprechi massimizzando il “raccolto”, non solo in termini di energia consumata, ma anche migliorando la qualità dei prodotti.

Nurset: Agricoltura 4.0 con la piattaforma IoT di  Zerynth 

La piattaforma IoT di Zerynth, in questo contesto, è riuscita a dare un forte contributo all’analisi dello stato di salute delle piante e nel monitoraggio del sistema di irrigazione delle stesse, grazie al progetto Nurset sviluppato per Pierucci Agricoltura.

Nello specifico, il progetto Nurset ha preso in considerazione colture in vaso e sistemi per irrigazione standard (a goccia oppure a pioggia) comandati tramite aperture/chiusure di elettrovalvole. I suoi sviluppi e tutto l’ecosistema in generale possono essere estesi e adattati ad altre tipologie di colture o altre modalità di irrigazione.

Quali sono le grandezze da monitorare e con quali sensori?

Molto spesso, è possibile dedurre la salute di una pianta dall’aspetto (colore delle foglie, robustezza dei rami, ecc.) derivante direttamente dalla sua “alimentazione” ovvero dalle condizioni del terreno nel quale è coltivata e sta crescendo.

Traducendo in termini compatibili con il mondo IoT, la salute della pianta risulta direttamente proporzionale alle seguenti grandezze prelevabili dal terreno:

  • Temperatura
  • Umidità
  • Conducibilità Elettrica (proporzionale alla percentuale di fertilizzante)

Tra i sensori capaci di prelevare queste grandezze, all’interno del progetto Nurset, sono stati selezionati sensori “intelligenti” capaci di misurare i 3 dati e renderli disponibili tramite protocollo industriale Modbus RTU su seriale RS485.

Sfruttando i 2 canali differenziali della seriale RS485, il prelevamento dati risulta molto robusto ai disturbi legati al rumore analogico derivabile dalla lunghezza dei cavi – il punto di installazione del setup hardware, infatti, può distare decine di metri dalla pianta sotto osservazione.

Agricoltura 4.0

Figura 1. Sensore compatto in acciaio inossidabile installabile nella superficie del terreno

Per quanto riguarda il monitoraggio dell’impianto di irrigazione, invece, i punti critici riguardano il consumo delle risorse (acqua e fertilizzante), lo stato delle tubazioni, e il consumo elettrico del sistema di pompaggio.

Per verificare, quindi, il corretto utilizzo e funzionamento del sistema di irrigazione sono stati installati appositi sensori al fine di:

  • Misurare il consumo di acqua →nell’impianto è stato installato un contatore idrico con apposito reed switch per il conteggio dei litri prelevati dalla tubazione principale e utilizzati per l‘approvvigionamento di acqua per l’intero vivaio
  • Controllare il consumo di fertilizzante → nella cisterna dedicata al fertilizzante è stato inserito un sensore di livello con apposita notifica di allarme per il monitoraggio della quantità ancora disponibile ed il rispettivo consumo durante le fasi di fertirrigazione.
  • Tenere sotto controllo il buono stato della tubatura → nella tubatura principale è stato inserito un sensore per misurare la pressione all’interno e notificare eventuali sovrapressioni che potrebbero portare a rotture della tubazione. Se l’impianto lo permette, installando un secondo sensore di pressione in modo che i 2 risultino a valle e a monte di un filtro, sarà possibile anche verificare lo stato del filtro e notificare l’eventuale necessità di una pulizia.
  • Monitorare i consumi elettrici → tramite una pinza amperometrica di corrente posta su una delle fasi principali di alimentazione dell’impianto, è possibile controllare il consumo energetico ed eventualmente notificare eventuali picchi di corrente corrispondenti ad anomalie nei motori di pompaggio.

Strategia di posizionamento dei sensori per un’analisi a campione

Ogni vivaio è organizzato in porzioni di aree chiamate stive nelle quali vengono posizionate in file sfalsate le piante in vaso. Il numero di piante per ogni stiva dipende dalle dimensioni delle stesse e di conseguenza dalla dimensione dei vasi – si passa da alcune decine per le piante a vaso grande (per esempio con diametro di 37 cm o maggiore) a centinaia per le piante a vaso piccolo (diametro di 18 cm o minore).

Agricoltura 4.0 Zerynth

Figura 2. Vivaio standard visto dall’alto organizzato in stive

Risulta evidente che all’interno di una stiva, a prescindere dalla dimensione delle piante al suo interno, il numero di vasi da monitorare sia troppo elevato per poter pensare di inserire un sensore in ognuno di essi; di conseguenza la strategia di acquisizione dovrà svilupparsi in analisi statistiche con prelevamento su piante campione che rappresentino la stima migliore per le condizioni dell’intera stiva.

In questo modo le considerazioni sullo stato di salute delle piante campione potranno essere estese con un errore trascurabile anche alle piante non monitorate direttamente.

Dalle interviste alle varie aziende vivaistiche nel pistoiese, è emerso che, mediamente, all’interno di una stiva, il perimetro esterno (circa 2 file di piante) è composto da piante di inferiore qualità rispetto alle piante stanti al centro della stiva. Le piante sul perimetro esterno infatti sono più soggette agli agenti atmosferici come il vento che potrebbe rompere alcuni rami o il sole che potrebbe seccare più velocemente il terreno nel vaso rispetto a quelle più adombrate a centro stiva.

Sulla base di queste considerazioni si possono derivare 2 scenari principali per la selezione delle piante da monitorare all’interno di una stiva:

  • Scelta a campione di 3 piante “centrali” → in questo modo si riuscirà a monitorare le piante nella zona migliore; la scelta di 3 piante deriva dalla necessità di avere una media su più campioni. La singola pianta infatti potrebbe essere malata o non conforme agli standard e un monitoraggio puntuale potrebbe portare ad un’informazione errata sul monitoraggio dell’intera stiva; il contro di questa soluzione è che non saranno presenti dati relativi alla zona esterna con le piante di qualità inferiore.
  • Scelta a campione di 2 piante “centrali” e 2 piante sul perimetro esterno → in questo modo si riuscirà a monitorare tutta la stiva in maniera più uniforme (considerando anche la zona peggiore) con il contro di avere una complessità maggiore in termini di cablaggio e di materiale da utilizzare.

Figura 3. Strategie di monitoraggio per la stima dello stato delle piante

Il sistema, come si evince dallo schema in Figura 3, viene installato in modo da essere il meno invasivo possibile sia in termini di impedimento alla crescita delle piante (creazione di zone d’ombra o oscuramento) sia in termini di impedimento alle normali operazioni all’interno del vivaio (pratiche agronomiche) con la possibilità di essere alimentato anche con pannello solare e batteria.

Nurset Zerynth smart agricoltura 4.0

Figura 4. Sistema Nurset alimentato con pannello solare e batteria

Come utilizzare i dati estratti dal monitoraggio

Oltre ad offrire questi servizi, Nurset ha l’ambizione di evolversi in futuro per salvaguardare ancora di più ambiente e risorse. Il primo passo, già diventato realtà in 2 installazioni pilota, riguarda la possibilità di attivare in automatico l’impianto di irrigazione in funzione dello stato di salute delle piante.

Inserendo i dati prelevati dai sensori in vaso, correlandoli con dati atmosferici e integrandoli in funzione della tipologia di pianta e di substrato di coltivazione, è possibile derivare le soglie superiore e inferiore della capacità di campo e di conseguenza impostare delle soglie sull’umidità relativa della pianta per guidare l’attivazione o la disattivazione delle elettrovalvole di irrigazione.

Figura 5. Evoluzione del sistema Nurset per attuazione automatica sulle elettrovalvole

Una volta attivate queste nuove funzionalità, un sistema di smart agriculture come Nurset, potrà scalare e integrare su un ampio ventaglio di opportunità, da un lato seguendo le nuove tecniche o sistemi di irrigazione con integrazione della comunicazione digitale verso inverters o PLC nell’ottica industria 4.0, dall’altro scendendo sempre più in profondità e dettaglio per lo stato di salute delle piante e l’analisi di eventuali malattie e/o parassiti.

Il caso Nurset è soltanto un esempio delle molteplici applicazioni delle tecnologie IoT nel campo dello Smart Agriculture e della crescita di interesse verso le potenzialità dell’Industria 4.0, anche in ottica di sostenibilità ambientale.

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About the Author: Matteo Cipriani

Matteo è Technical Sales Strategist a Zerynth, ha conseguito un Master in Ingegneria Elettronica e si è sempre interessato al mondo IoT e a tutte le sue applicazioni. Oggi Matteo è un esperto dei prodotti hardware attuali e futuri di Zerynth, oltre ad essere un assiduo frequentatore di campi da calcio e birrerie!

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