Tecnologie IoT e nuovi sensori per l’agricoltura di precisione

Una rete wireless consentirà il monitoraggio e il controllo in continuo delle colture

La rete di sensori sviluppate durante il progetto E-crops.

I cambiamenti climatici hanno esasperato la necessità di incrementare le rese produttive per far fronte al fabbisogno alimentare dei 10 milioni di persone che abiteranno il pianeta entro il 2050.

Il comparto agricolo è posto pertanto di fronte alla necessità di aumentare le produzioni agricole del 16% a fronte di una continua riduzione delle superfici coltivabili e della scarsa disponibilità di risorse idriche. L’impatto negativo dei cambiamenti climatici sul comparto agricolo internazionale è allarmante soprattutto nei paesi del Sud Europa, dove la produzione di colture non irrigue ha visto il dimezzamento delle produzioni in seguito a fenomeni ambientali estremi e di conseguenza allo spostamento degli areali di vita di molte specie di insetti patogeni e patologie.

Aumentare la sostenibilità del modello agricolo attraverso l'innovazione è, quindi, una delle sfide più importanti del prossimo futuro, per consentire al comparto agricolo italiano, e non solo, di incrementare le produzioni agricole di qualità e allo stesso tempo tutelare l’ambiente. 

L’impiego delle nuove tecnologie contribuisce ad ottenere una serie di benefici economici risultanti dall'ottimizzazione degli input, nonché dalla riduzione della pressione esercitata dai sistemi agricoli sull'ambiente. Questo è il principale focus dell’agricoltura di precisione, volta all’ottimizzazione delle strategie di gestione aziendale per migliorare la resa e la sostenibilità delle coltivazioni e la qualità produttiva.

L'agricoltura di precisione comprende tecniche di rilevamento prossimale e remoto che utilizzano principalmente sensori IoT, per monitorare gli stati delle colture a diversi livelli di crescita e necessita dell’acquisizione e dell’elaborazione di una grande quantità di dati relativi alla salute delle colture tra cui il livello dell'acqua, la temperatura e i parametri pedologici, la disposizione dei nutrienti del suolo, la presenza di parassiti ed erbe infestanti. L’analisi di tutte i dati raccolti è poi finalizzata alla produzione di consigli agronomici per agricoltori e tecnici del settore per mezzo di c.d. Sistemi di Supporto alle Decisioni (Decision Support System – DSS) in grado di estrarre informazioni e conoscenza dai dati.

L’agricoltura 4.0 si basa principalmente sull’applicazione di sensori WSN (wireless sensor networks) ovvero una rete di sensori  collegati insieme con un approccio di Internet of Things (Internet delle cose) che, attraverso l’analisi incrociata di fattori ambientali, climatici e colturali, consente di stabilire il fabbisogno irriguo e nutritivo delle coltivazioni, di prevenire patologie, di identificare gli infestanti prima che proliferino, e pertanto di intervenire quando serve e quanto serve, ad esempio con interventi fitosanitari mirati e irrigazioni ad hoc.

Affinché, tutto ciò sia possibile l’innovazione tecnologica è fondamentale e lo sviluppo di nuova sensoristica in grado di osservare in tempo reale durante la coltivazione ciò che accade a livello morfologico e fisiologico nella pianta, è prioritario.

Il progetto E-crops risponde alle necessità dell’agricoltura 4.0 avendo tra i suoi principali obiettivi lo sviluppo di sensori innovativi che spaziano dall’identificazione precoce dell’insorgenza di attacchi patogeni, all’ottimizzazione dell’uso delle risorse idriche, all’ottimizzazione della difesa integrata e alla definizione di standard qualitativi della produzione durante la coltivazione.

E-crops affronta la sfida tecnologica dell’agricoltura di precisione sviluppando e mettendo in campo sensoristica innovativa.

• Trappole Smart “Eye-Trap” al fine di controllare e monitorare in modo intelligente e tempestivo la lotta fitosanitaria basate su un sistema di visione automatico, cui sarà affiancato un sistema di rilevazione delle condizioni “microclimatiche” intorno alla posizione della trappola, così da integrare i dati di visione con dati di temperatura, umidità, umidità e temperatura del terreno, permettendo così l’individuazione delle condizioni climatiche determinanti il volo e/o la comparsa di determinati fitofagi;
• Sensori innovativi spettrali -imaging che combinano tecnologie di imaging nel visibile e spettrale non-imaging nel vicino infrarosso applicabili a vari scopi come l’identificazione precoce dell’insorgenza di attacchi patogeni e la misurazione del grado di maturazione di prodotti orto-frutticoli;
• Sensori per composti volatile (VOC) che combinano tecnologie ottiche e chimiche innovative per la misura di composto organici volatili, che se ritrovati anche in minima quantità in traccia in vicinanza della coltura è riconducibile alla insorgenza di condizioni di stress di natura abiotica e biotica. Lo sviluppo di questi sensori seguirà due approcci tecnologici, uno basato su spettroscopia laser ed uno basato su approccio biotecnologico;
• Sensori in vivo (chiamati bioristor da bio- transistor) sono dei transistor elettrochimici biocompatibili che, essendo inseriti direttamente nel fusto delle piante sono in grado di monitorare in tempo reale, in continuo lo stato di salute della pianta ed in particolare di determinare in tempi precoci l’insorgenza di stati di stress idrico consentendo di ottimizzare le ricette irrigue delle colture;
• Sensori per residui di fitofarmaci sonde biosensoristiche basate su organismi come alghe e lieviti per il monitoraggio dei livelli di sostanze bioattive potenzialmente nocive come fitofarmaci (erbicidi e fungicidi) nelle acque di irrigazione, a partire dal campo (produzione primaria), per la diagnostica precoce di anomalie della produzione agricola e per l’autocontrollo.

Il tutto sarà abbracciato dallo sviluppo di una rete innovativa di sensori wireless (WSN) basata sulle tecnologie IoT (Internet Of Things) e di trasmissione Ultra Narrow Band che consenta il monitoraggio e il controllo in continuo delle colture e applicata a differenti tipologie di sensori sviluppati in E-crops quali sensori microclimatici e sensori montati su piattaforme autonome terresti (Unmanned Ground Vehicle – UGV) e aeree (Unmanned Aerial Vehicle - UAV).

La presente pubblicazione è stata realizzata con il cofinanziamento dell’Unione Europea, PON Ricerca e Innovazione 2014-2020. Info: www.e-crops.it.