Quali sono le principali tecnologie e applicazioni dell’agricoltura di precisione?

Principali costellazioni satellitari, sistemi di correzione e georeferenziazione

Alla base dei sistemi di agricoltura di precisione in campo vi è il GNSS (Global Navigation Satellite System) costituito da una rete di satelliti geostazionari tra loro in comunicazione. Le nazioni più importanti possiedono una rete da loro sviluppata, per esempio: GPS degli Stati Uniti (31 satelliti), Galileo dell’Unione Europea (24 satelliti), GLONASS della Federazione Russa (24 satelliti) e BeiDou della Cina (35 satelliti). La determinazione della posizione fornita dal solo GNSS è limitata al numero di satelliti disponibili in un dato momento ed è soggetta all’accumulo di un errore di ±30 cm.

Essi sono coadiuvati da una serie di costellazioni minori funzionali alla correzione del segnale dette DGPS (Differential Global Positioning System). L’Unione Europea ha in orbita la rete di satelliti geostazionari EGNOS che offre un servizio di correzione completamente gratuito che riduce l’errore a ±10 cm.

Per le operazioni che richiedono una precisione centimetrica (±2 cm) come semina e trapianto, sono impiegati ulteriori sistemi di correzione detti RTK (Real Time Kinematic). In pratica, il segnale viene inviato alla macchina in movimento (rover) tramite onde radio o segnale UMTS (rete cellulare mobile) da una serie di trasmettitori a terra o da un antenna radio installata in azienda. La precisione dell’RTK consente di memorizzare e riutilizzare le linee di guida per le operazioni successive con estrema accuratezza e conseguente risparmio di tempo e carburante.

Sistemi di guida GPS

Tra le principali innovazioni introdotte in agricoltura, spiccano senz’altro le soluzioni di guida assistita. Vi sono numerose aziende produttrici di questi sistemi ma utilizzano tutte il medesimo principio: un’antenna ricevitrice posta sulla macchina agricola collegata al sistema di sterzo, corredata da sensori angolari montati sulle ruote e da un apposito terminale installato in cabina.

I sistemi di guida satellitare si distinguono in:

• Guida assistita, la più semplice ed economica, è basata sulla guida manuale coadiuvata da un display di bordo che fornisce all’operatore una visualizzazione grafica della propria posizione e la traiettoria da seguire osservando gli indicatori luminosi presenti sulla barra led del display;
• Guida semi-automatica (o parallela), più tecnologicamente avanzata e costosa rispetto alla precedente, può essere governata da un volante elettrico o direttamente da un’elettrovalvola inserita nel sistema idraulico ed è comandata dal computer di bordo guidata dal segnale RTK;
• Guida autonoma, che non richiede alcun tipo di intervento umano. Infatti, il trattore è guidato dal GPS e da una serie di sensori in grado di rilevare ostacoli di varia natura ed è in grado di gestire le svolte a fine campo e le attrezzature in completa autonomia;

Il miglioramento delle prestazioni dei sistemi di guida GPS e la ripetibilità nel tempo delle operazioni lungo stessa linea guida, hanno portato alla nascita del Controlled Traffic Farming (CTF). che consiste nel confinare il passaggio dei macchinari in traffic lanes o tram lines (binari).

I vantaggi sono molteplici: riduzione del calpestio, mantenimento della struttura del suolo, risparmio di carburante e di tempo; purtroppo non ancora giustificati a fronte dei requisiti necessari per applicare il CTF. Infatti, ad agricoltori ed operatori è richiesta un’approfondita conoscenza tecnica dei sistemi di guida satellitare, sono necessari l’acquisto di sistemi di guida in RTK e l’adattamento di macchinari e attrezzature alle traffic lanes e difficilmente è possibile adattare la carreggiata delle macchine da raccolta.

Trattandosi di una pratica relativamente recente che necessita di ulteriori perfezionamenti di natura tecnica e operativa non è ancora largamente diffusa. Tuttavia, si sta diffondendo una variazione del CTF basata sul concetto di veicoli porta-attrezzi  a carreggiata larga (10 m o più), ne è un esempio il NEXAT (trovate un approfondimento al sito: https://www.nexat.de/en/).

ISOBUS standard

Nel corso degli anni, i principali costruttori di macchine agricole hanno iniziato a sviluppare attrezzature sempre più tecnologiche e complesse che necessitavano di un elevato numero di centraline e pulsantiere per operarle causando un aumento della complessità delle operazioni e dello stress durante il lavoro.

Nel 2008, per semplificare le operazioni e migliorare il benessere dell’operatore consentendo la gestione degli attrezzi da un unico terminale, un gruppo formato dai maggiori produttori di attrezzature ha fondato l’AEF (Agricultural Industry Electronic Foundation) seguendo le linee guida del pre-esistente standard SAE-J1939 tipico del settore automobilistico, introducendo la norma ISO-11783 e adeguando gli standard alle esigenze del settore agricolo. L’idea fondante del progetto ISOBUS è racchiusa nel concetto del “plug & play”, ovvero la connessione e interoperabilità tra i macchinari con il semplice uso di una presa dedicata.

Lo schema di funzionamento del sistema ISOBUS è lineare e può essere schematizzato nel seguente modo: a bordo di un’attrezzatura è presente una centralina, l’implement ECU, che attraverso la porta ISOBUS presente sul trattore comunica in concomitanza al computer del trattore (T-ECU), con l’Universal Terminal (UT) integrato nel display di bordo del trattore, da cui è possibile controllare direttamente l’attrezzo o con l’ausilio di dispositivi dedicati.

Le principali funzionalità offerte dal sistema ISOBUS sono:

• UT (Universal Terminal): gestione delle funzionalità dell’attrezzo su un qualsiasi terminale ISOBUS
• AUX-N (Comando Ausiliario): consente la gestione di terminali aggiuntivi come joystick e pulsantiere, utili a semplificare le operazioni di gestione degli attrezzi ISOBUS;
• TECU (Tractor Electronic Computer Unit): funge da piattaforma per tutte le altre funzionalità ISOBUS mettendo a disposizione i dati operativi del trattore;
• ISB (ISOBUS Shortcut Button): permette di disattivare le funzioni di un attrezzo attivate tramite terminale ISOBUS;
• TIM (Tractor Implement Management): soluzione ISOBUS multiprodotto e multiproduttore che consente all’attrezzo di controllare alcune funzioni del trattore come direzione, velocità di avanzamento, giri motore e idraulica del trattore;
• FS (File Server): funge da centrale per la memorizzazione o il recupero dei dati e permette lo scambio di dati con dispositivi ISOBUS ed esterni (USB o cloud);
• TC-BAS (Task Controller-Basic): registra e scambia i valori dell’attività svolta forniti dall’attrezzo ISOBUS;
• TC-GEO (Task Controller GEO-Based): gestione o pianificazione delle operazioni in base alla posizione GPS, per esempio nel caso delle applicazioni a rateo variabile;
• TC-SC (Task Controller Section Control): gestione automatica delle sezioni a seconda della posizione GPS e del grado di sovrapposizione desiderato, utile per il controllo delle sezioni di irroratrici e seminatrici;

Ulteriori informazioni riguardanti l’AEF disponibili al seguente link: https://www.aef-online.org/it/home.html

Monitoraggio in campo: proximal e remote sensing

Caratteristica fondamentale dell’agricoltura di precisione è sicuramente il monitoraggio continuo e puntuale delle condizioni ambientali e delle colture, reso possibile dalla moltitudine di sensori disponibili sul mercato.

A seconda delle specifiche dei sensori e del metodo di rilevamento dei parametri ambientali e colturali, è possibile distinguere due tipi di monitoraggio:

• Proximal sensing o monitoraggio di prossimità: in cui la rilevazione dei dati avviene grazie a sensori collocati nelle immediate vicinanze della coltura. Tra i sensori più comuni in campo vi sono stazioni meteo, fotocamere e videocamere fisse, sensori di umidità e temperatura del suolo, sensori di bagnatura fogliare e trappole per insetti. Inoltre, è possibile installare a bordo dei trattori diverse tipologie di sensori: a infrarossi in grado di rilevare il grado di vigoria della coltura ed effettuare la concimazione più adeguata alle sue esigenze, di conducibilità elettrica per la caratterizzazione dei suoli e del loro contenuto di sostanza organica e nutrienti o di compattamento del suolo per lavorare a profondità variabile.

I vantaggi del proximal sensing risiedono nella economicità dei sensori e nella raccolta continua dei e dati indirizzati a piattaforme dedicate alla loro interpretazione e utilizzo (FMIS), di contro, nel caso di sensori installati in campo, restituisce solo una stima delle condizioni generali degli appezzamenti;

• Remote sensing o monitoraggio da remoto: reso possibile da droni, elicotteri, areoplani o satelliti equipaggiati con apposite fotocamere (RGB, multispettrali ecc.) in grado di catturare immagini all’interno dello spettro visibile e non visibile all’occhio umano. Il remote sensing permette di operare in areali estesi e di difficile accesso in brevi periodi di tempo e con un’elevata risoluzione e precisione del dato. Purtroppo, l’impiego di mezzi quali areoplani ed elicotteri richiede personale specializzato, tecnologie sofisticate e costose e presenta costi operativi non indifferenti, motivo per cui sono impiegati a scopi di ricerca o militare. Diversamente, i satelliti forniscono immagini di qualità e spesso disponibili gratuitamente come nel caso della rete satellitare europea per il monitoraggio ambientale Copernicuss, la quale ha in orbita diversi satelliti, tra cui due dedicati all’agricoltura, i Sentinel-2 (disponibili sul sito: https://apps.sentinel-hub.com/eo-browser/). Gli svantaggi del rilevamento satellitare sono di natura operativa in quanto forniscono immagini ogni 3-5 giorni e di natura climatica dovuti a interferenze come nubi e precipitazioni.

Il rilevamento aereo effettuato con camere di vario genere fornisce indici utili alla valutazione dello stato della coltura e del suolo. Eccone alcuni tra i più comuni, distinti per categorie:

• Vigoria

1. NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) descrive lo stato di vigoria della coltura;
2. SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) è la versione dell’NDVI a cui viene applicato un fattore di correzione per escludere i disturbi causati dalla riflettanza del suolo;
3. LAI (Lead Area Index) misura la superficie occupata dalla vegetazione in relazione alla superficie interessata;

• Clorofilla

1. TCARI (Transformed Chlorophyll Absorption Reflectance Index) che misura il contenuto di clorofilla nei tessuti;
2. OSAVI (Optimized Soil Adjusted Vegetation Index) che aggregato al TCARI corregge l’errore causato dalla riflettanza del suolo;
3. NDRE (Normalized Difference Red Edge Index) anch’esso misura il contenuto di clorofilla ed è utile per stimare il fabbisogno di azoto o lo stress causato dalla sua carenza;

• Stress idrico

1. NDMI (Normalized Difference Moisture Index) indica il contenuto idrico nei tessuti della coltura ed evidenzia potenziali stress;

Droni o UAS (Unmanned Aircraft Systems)

Nell’ottica di un preciso monitoraggio delle colture, i droni rappresentano il giusto compromesso tra costi di acquisto ed esercizio, i dati raccolti e le informazioni estrapolabili e costituiscono una delle più rilevanti e promettenti innovazioni in campo agricolo e già da alcuni anni trovano impieghi variegati dal monitoraggio alla difesa delle colture.

Innanzitutto, è bene chiarire il significato di Unmanned Aircraft Systems. Come suggerisce la parola sistema (system) non si riferisce esclusivamente al drone in sé, bensì al complesso costituito dal drone, la stazione di controllo (operatore) e il collegamento tra i due (radiocomando) e per regolamento è necessario che l’operatore sia sempre in grado di mantenere il contatto visivo con il drone. Il termine UAS è spesso indicato come SAPR (Sistema Aereo a Pilotaggio Remoto) dalle principali agenzie di controllo del traffico aereo.

I droni presentano caratteristiche variabili a seconda del tipo di organi di volo (ala fissa o elica), presenza e tipologia di fotocamere e strumenti installabili. In commercio sono presenti droni equipaggiati con microgranulatori per la distribuzione di granuli, pellet o addirittura polline per l’impollinazione assistita, serbatoi  abbinati a ugelli per la distribuzione di prodotti liquidi come prodotti fitosanitari o concimi liquidi o distributori per il rilascio di insetti utili o antagonisti.

Se siete interessati ad approcciarvi al mondo degli UAS, vi consigliamo di conseguire gratuitamente l’attestato di Categoria OPEN A1-A3 valido per l’Unione Europea al seguente link: https://learningzone.eurocontrol.int/ilp/pages/description.jsf#/users/@self/catalogues/8264768/courses/15839595/description

FMIS e DSS integrati

La mole di dati generati da sensori e macchinari richiede strumenti informatici dedicati: i Farm Management Information Systems (FMIS). Essi sono sistemi informativi utilizzati per assistere gli agricoltori nella registrazione di attività,

Le funzioni tipiche degli FMIS sono: la possibilità di localizzare la propria azienda definire appezzamenti e confini, impostare il ciclo colturale e le rotazioni, registrare le operazioni (lavorazioni, semina, nutrizione, irrigazione, difesa e raccolta), monitorare il parco macchine tramite telemetria, parametri operativi e consumi, alla manutenzione programmata e il rilevamento dei guasti tramite allerte. E ancora, gestire l’aspetto economico e amministrativo aziendale; raccogliere i dati provenienti dalla sensoristica e ricevere  consigli utili a indirizzare le scelte, forniti dai Decision Support Systems (DSS) integrati.

I DSS sono un valido alleato per pianificare ed eseguire al meglio le operazioni colturali. Essi sono governati da algoritmi specifici in grado di elaborare grandi quantità di dati e restituire consigli specifici a seconda delle esigenze dell’agricoltore: periodo di sviluppo delle malattie, prodotti ed epoca più idonei all’intervento, momento ottimale per la semina  delle diverse colture, tempistiche e volumi di acqua necessari a soddisfare il fabbisogno idrico della coltura ecc.

Inoltre, nelle piattaforme FMIS è possibile importare, visionare ed elaborare tutte la mappe generate dai macchinari o dai satelliti al fine di creare apposite mappe di prescrizione, mappe georeferenziate in cui è possibile designare zone specifiche di un campo e assegnarvi valori specifici di applicazione per la distribuzione mirata di semente, fertilizzanti, agrofarmaci o altri tipi di prodotti. Una volta realizzata una mappa di prescrizione è possibile inviarla tramite cloud o dispositivi USB direttamente al trattore connesso a un attrezzatura in grado di effettuare la distribuzione a rateo variabile.

La nascita di una visione incentrata sulla tempestività, la precisione di intervento e l’uso di strumenti di previsione, non legata semplicemente ai dati importati o generati dai macchinari, bensì alla gestione complessiva dell’azienda agricola, unita all’ausilio di strumenti di interpretazione dei dati sempre più performanti, ha segnato il passaggio dall’agricoltura di precisione all’era dello smart farming e del digital farming basati sull’uso intelligente del dato e dalla creazione di valore a partire da esso.

Prospettive future

Cosa riserva il futuro? Le strade percorribili sono numerose e in fase di esplorazione. Possiamo solo provare a stilare un elenco delle più conosciute ed esplorate fino a ora che promettono di rivoluzionare nuovamente il modo in cui l’agricoltura è concepita.

Parlando di un futuro prossimo, l’automazione è al primo posto. Il mercato offre robot autonomi in grado di seminare o trapiantare, effettuare il diserbo meccanico, chimico o laser tramite sensori ottici e algoritmi di riconoscimento delle infestanti, motrici autonome in grado di effettuare le lavorazioni del terreno, droni terrestri in grado di rilevare stato di salute delle colture o la presenza di parassiti e robot autonomi per la raccolta.

Strettamente legata all’automazione è l’impiego dell’intelligenza artificiale, già impiegata su alcuni macchinari per il riconoscimento delle infestanti o delle malattie e che in futuro sarà parte integrante dei DSS e fornirà consigli tecnici agli agricoltori.

I consumatori, sempre più attenti alla provenienza e alla qualità del cibo, chiedono a gran voce di conoscere i processi legati ai prodotti che acquistano. La blockchain giocherà un ruolo fondamentale nel garantire la genuinità della filiera, consentendo di tracciare l’intero ciclo di vita di un prodotto dal campo alla tavola in modo trasparente e soprattutto inalterabile.

In generale, lo smart farming e le tecnologie di precision farming contribuiranno a tracciare i processi produttivi e dimostrarne l’effettiva sostenibilità tramite pratiche dedicate come il carbon farming o mediante appositi indici in grado di stimare o calcolare carbon footprint, water footprint ed emissioni di gas serra (GHG).