У статті розкриті особливості автоматизованого управління вирощуванням сільськогосподарської продукції з використанням штучного інтелекту на базі мікроконтролера MAX78000 .
В. Романов
На сьогодні 80% сільських господарств у багатьох країнах, що розвиваються, залежать від продуктивності виробництва сільськогосподарської продукції. Населення цих регіонів найбільше піддається ризику голоду та відсутності продовольчої безпеки, спричинених зміною клімату. Особливо вразливі жінки та діти. Відсутність продовольчої безпеки є для таких країн глобальною проблемою. 822 мільйони людей у цих країнах недоїдають, 149 мільйонів з них — діти, які відстають у розвитку через недоїдання. Таким чином, відсутність продовольчої безпеки, що викликана перш за все зміною клімату, становить життєвий виклик для мільярда людей на планеті. За заявою Міжнародного валютного фонду (МВФ), «в інтересах усього світу забезпечити, щоб зміна клімату не загрожувала розвитку та стабільності в бідніших країнах. Інвестиції в кліматичну стійкість… можуть бути дешевшими, ніж гуманітарна допомога та відновлення після катастрофи». Різниця економік розвинутих країн і країн, що розвиваються, відображена на рис. 1, з якого випливає що країни, які розвиваються, стикаються з більшими економічними ризиками через зміну клімату та менш здатні до них адаптуватися.
Рис. 1 Індекс адаптивної здатності країн з різними економіками до зміні клімату
Вищі температури, дефіцит води, посухи, повені та більші концентрації CO2 в атмосфері суттєво впливають на вирощування сільськогосподарських культур. Як наслідок, виробництво їжі в світі скорочується. Багаторічні дослідження, проведені Міжнародним дослідницьким центром продовольчої політики, показали, що Гватемала та Коста-Ріка втратять по 17% урожаю богарної кукурудзи до 2050 року через зміну клімату. Гондурас втратить 12% свого врожаю, а Колумбія, Перу, Сальвадор і Нікарагуа втратять приблизно 8%. Мало що можна зробити, щоб захистити рослини від частих на сьогодні ураганів або підвищення рівня моря, викликаних зміною клімату.
Однак поява та поширення технологій штучного інтелекту (Intelligent Edge) дозволяє як великим, так і малим господарствам краще управляти та підвищувати врожайність сільськогосподарських культур в умовах довготривалих змін погоди. Відзначимо, що термін Intelligent Edge (інтелект на межі) означає, що елементи штучного інтелекту використовують обчислювальні потужності інтелектуальних пристроїв у точці використання на межі традиційних обчислювальних мереж.
Традиційні мережі будуються за принципом віддалених сенсорів, які надсилають дані до віддалених центрів обробки даних для аналізу та прийняття рішень. Переміщення обчислювальної потужності до джерел даних забезпечує більшу швидкість реагування та ефективність управлінських рішень, особливо в сільськогосподарських країнах, що розвиваються. Сьогодні фахівці провідних компаній в тому числі і компанії Analog Devices працюють у такій країні як Філіппіни із дрібними фермерами, щоб створити замкнуті рішення Intelligent Edge для моніторингу та реагування на потреби в зрошенні та добривах їхніх посівів кави в реальному часі.
Потенційні переваги включають більш ефективне використання обмежених ресурсів фермерів, значне підвищення врожайності кавових культур, а на національному рівні — потенційне повернення Філіппін на місце одного з провідних світових експортерів кави. Виробництво кави на Філіппінах скоротилося з 68 800 тонн у 2016 році до 60 600 тонн у 2020 році, що становить 12% падіння лише за чотири роки. Рушійними силами падіння виробництва кави стали зміни клімату і відсутність сільськогосподарської технології для боротьби з невизначеністю цих змін.
Чому Філіппіни вибрані як приклад впровадження нових інформаційних технологій і штучного інтелекту? Тому що у 2017 році уряд Філіппін оголосив про 5-річну дорожню карту для відновлення перш за все кавового сектора у сільському господарстві країни. Цей план призвів до партнерства між компанією Analog Devices і кооперативною кавовою фермою Amadeo. Разом вони створили замкнуту автоматизовану систему яка виявляє, аналізує та визначає оптимальні рівні зволоження та добрив. Система забезпечує подачу води та необхідної кількості поживних речовин у потрібний час для забезпечення максимальної врожайності. Зусилля уряду країни зупинити падіння рівня виробництва кави на Філіппінах зробили країну ідеальним місцем для випробувань технологій штучного інтелекту безпосередньо у сільському господарстві. На рис. 2 показана структура запровадженої технології вирощування кави.
Сучасні технології землеробства, які можуть відчувати місцеві зміни погоди та мікроклімату та миттєво реагувати на них, дозволяють фермерам контролювати технологічні процеси і мати гарантію, що посіви належним чином поливаються та удобрюються незалежно від погодних умов. Система, що наведена на рис. 2, використовує сонячну енергію для збору та аналізу інформації про стан ґрунту та стан кавових рослин, забезпечуючи бездротову передачу команд до систем поливу та внесення добрив у режимі реального часу. Використовуючи штучний інтелект мікроконтролера MAX78000, система не тільки оптимально управляє цими процесами, але й навчається і вдосконалює свою здатність оп- тимізувати рівень води для штучного поливу, кількість вносимих макроелементів та рівень pH грунту у відповідь на найменші впливи навколишнього середовища. Три дні сильної вологої спеки, а потім два дні сильного дощу, не є чимось незвичайним на Філіппінах, і така технологія здатна відчути всі зміни через короткий проміжок часу, підтримуючи оптимальний розвиток рослин.
Макет такої системи спочатку було випробувано на рівні одного квіткового горщику під освітленням, і це показало обнадійливі результати. Змінювалися умови посухи та сильних дощів, дані збиралися в режимі реального часу під час коригування рівня води та кількості добрив. Виявилося, що рішення штучного інтелекту може кардинально змінити роботу ферми. Система Intelligent Edge призвела до значного збільшення здорового росту та продуктивності досліджуваних у горщику рослин.
Рис. 2. Структура нової технології вирощування кави, де 1 – сонячні батареї, 2 – сенсорний вузол з вбудованим мікроконтролером MAX78000, 3 – іригаційний насос, 4 – підсистема фертигації (підсистема введення добрив або пестицидів у зрошувальну систему іригації)
Наступним кроком було повторне проведення випробувань на фермі з однією рослиною, які незабаром були розширені до десяти рослин (рис. 3). Кооперативна кавова ферма Amadeo отримала вражаючі результати під час семимісячного випробування нової технології з використанням цих десяти дослідних рослин, а саме підвищення врожайності було зафіксовано на рівні 120%, зниження витрат на добрива — на рівні 50%, зниження трудовитрат — на 14%, збільшення прибутку — на 64%.
Рис. 3. Фотографії з дослідами вирощування кавових рослин під управлінням штучного інтелекту
Зараз триває друга фаза тестування штучного інтелекту Intelligent Edge на трьох великих фермах у трьох різних регіонах країни, кожна зі своїм унікальним мікрокліматом. Усі вони використовують більш масштабні системи та аналізують стійкість сільськогосподарських культур до змін тропічних погодних умов.
Оскільки зміна клімату прогресує, важливо розробляти та впроваджувати інтелектуальні технології, які послаблює її вплив. Технологія Intelligent Edge обіцяє оптимізувати врожайність в умовах неперед- бачуваних погодних умов. Таким чином, нова технологія може значно підвищити врожайність, знизити витрати та підвищити продовольчу безпеку в країнах третього світу та в усьому світі в цілому. Хоча переважна більшість голодуючих у світі живе в країнах, що розвиваються, слід відмітити, що голод існує також і в більш розвинених країнах, включаючи Сполучені Штати, де 30 мільйонів дітей страждають від недоїдання.
ВИСНОВКИ
Виходячи з того, що методи ведення сільського господарства продовжуватимуть розвиватися, оскільки світ стає більш заселеним і урбанізованим, існує можливість масштабування подібних інтелектуальних систем на базі штучного інтелекту, щоб задовольнити потреби, починаючи від великих фермерських хазяйств до окремих теплиць і присадибних ділянок. Крім кави, практично всі сільськогосподарські хазяйства з виробництва продуктів харчування можуть отримати вигоду від «розумних» систем фертигації або штучного зрошування, що мають змогу самонавчатися та адаптуватися до зміни клімату.
Впровадження штучного інтелекту в сільське господарство України дозволить не тільки підвищити його продуктивність, але знизити навантаження на енергогенеруючі компанії, на постачальників добрив, пестицидів та біодобавок, зекономити водні ресурси.