물은 인간과 우리가 소비하는 작물 모두에게 생명에 가장 필수적인 자원이다. 전 세계적으로 농업은 모든 담수 사용량의 70%를 차지한다.

 

나는 퍼듀 폴리테크닉 인스티튜트(Purdue Polytechnic Institute)에서 컴퓨터와 정보 기술을 연구하고 퍼듀의 ENT(환경 네트워킹 기술 Environmental Networking Technology) 연구소를 이끌고 있다. 이곳에서 농업 사물인터넷(Ag-IoT)에 대한 학제간 연구를 통해 지속 가능성과 환경 문제를 해결한다.

 

사물인터넷은 센서가 장착된 사물 네트워크로 인터넷을 통해 데이터를 송수신할 수 있다. 예를 들면 웨어러블 피트니스 장치, 스마트 홈 온도 조절 장치 및 자율 주행 자동차가 있다.

 

농업에서는 무선 지하 통신, 지하 감지 및 토양 안테나와 같은 기술이 포함된다. 이러한 시스템은 농부들이 실시간으로 토지의 상태를 추적하고 물과 비료와 같은 기타 투입물을 필요한 시간과 장소에 정확히 적용하는 데 도움이 된다.

 

특히 토양의 상태를 모니터링하는 것은 농부들이 물을 보다 효율적으로 사용하는 데 큰 도움이 될 것이다. 센서는 이제 무선으로 관개 시스템에 통합되어 토양 수분 수준에 대한 실시간 인식을 제공할 수 있다. 연구에 따르면 이 전략은 경작지에서의 일상적인 작업을 방해하지 않고 관개용 물 수요를 20%에서 72%까지 줄일 수 있다.

 

농업용 사물인터넷이란 무엇인가?

 

중동, 북아프리카 등 건조한 곳에서도 효율적인 물관리로 농사가 가능하다. 그러나 기후 변화로 인한 극단적인 기상 현상은 이를 더욱 어렵게 만들고 있다. 지난 20년 동안 미국 서부에서 반복되는 가뭄과 산불과 같은 다른 재난으로 인해 수십억 달러의 농작물 손실이 발생했다.

 

물 전문가는 수십 년 동안 물 관리 및 관개 결정에 정보를 제공하기 위해 토양 수분을 측정했다. 자동화 기술은 원격 위치의 생산 현장에서 수동 토양 수분 판독을 수행하기 어렵기 때문에 휴대용 토양 수분 도구를 크게 대체했다.

 

지난 10년 동안 무선 데이터 수집 기술은 토양 수분 데이터에 대한 실시간 액세스를 제공하기 시작했으며, 이를 통해 더 나은 물 관리 결정을 내릴 수 있다. 이러한 기술은 또한 공공 안전, 도시 인프라 모니터링 및 식품 안전 분야에서 많은 고급 IoT 애플리케이션을 가질 수 있다.

 

농업용 사물인터넷은 현장에서 실시간 작물 및 토양 정보를 수집하는 라디오, 안테나 및 센서 네트워크이다. 데이터 수집을 용이하게 하기 위해 이러한 센서와 안테나는 농장 장비와 무선으로 상호 연결된다. 농업용 사물인터넷(Ag-IoT)은 농지의 상태를 감지하고 대응 조치를 제안하며 농기계에 명령을 보낼 수 있는 완전한 프레임워크이다.

 

 

현장의 토양 수분 및 온도 센서와 같은 상호 연결 장치를 통해 관개 시스템을 제어하고 물을 자율적으로 절약할 수 있다. 이 시스템은 관개 일정을 잡고 환경 조건을 모니터링하며 종자 파종기 및 비료 살포기와 같은 농장 기계를 제어할 수 있다. 다른 응용 프로그램에는 토양 영양소 수준 추정 및 해충 식별이 포함된다.

 

네트워크를 지하에 두는 문제

 

무선 데이터 수집은 농부들이 물을 훨씬 더 효율적으로 사용하는 데 도움이 될 수 있지만 이러한 구성 요소를 땅에 놓는 것은 문제를 야기한다. 예를 들어 퍼듀 ENT 랩에서는 센서 데이터를 전송하는 안테나가 토양에 묻혀 있을 때 토양이 얼마나 습한지에 따라 작동 특성이 크게 변한다는 것을 발견했다. 나의 새 책 "토양의 신호"는 이것이 어떻게 일어나는지 설명한다.

 

 

Abdul Salam은 퍼듀 대학교의 테스트 베드에서 측정하여 지하 안테나의 최적 작동 주파수를 결정한다.(Abdul Salam / CC BY-ND)

 

농부들은 들판에서 중장비를 사용하므로 안테나가 손상되지 않도록 충분히 깊이 묻혀야 한다. 토양이 젖으면 수분이 센서 네트워크와 제어 시스템 간의 통신에 영향을 미친다. 토양의 물은 신호 에너지를 흡수하여 시스템이 보내는 신호를 약화시킨다. 밀도가 높은 토양은 또한 신호 전송을 차단한다.

 

우리는 작동 주파수와 시스템 대역폭을 변경하여 지하 통신에 대한 토양의 영향을 줄이는 이론적인 모델과 안테나를 개발했다. 이 안테나를 사용하면 토양의 최상층에 배치된 센서가 축구장 두 개보다 긴 최대 200미터 거리의 관개 시스템에 실시간 토양 상태 정보를 제공할 수 있다.

 

내가 토양에서 무선 통신을 개선하기 위해 개발한 또 다른 솔루션은 지향성 안테나를 사용하여 원하는 방향으로 신호 에너지를 집중시키는 것이다. 공기를 향해 에너지를 전달하는 안테나는 장거리 무선 지하 통신에도 사용할 수 있다.

 

 

소프트웨어 정의 라디오를 사용하여 토양 측정 신호를 감지한다. 이 라디오는 토양 수분 변화에 따라 작동 주파수를 조정할 수 있다. 실제 작동에서 라디오는 토양에 묻혀 있다. (Abdul Salam / CC BY-ND)

 

Ag-IoT의 다음 단계

 

사이버 보안은 Ag-IoT가 성숙함에 따라 점점 더 중요해지고 있다. 팜의 네트워크에는 전송하는 정보를 보호하기 위한 고급 보안 시스템이 필요하다. 또한 연구원과 농업 확장 에이전트가 여러 농장의 정보를 병합할 수 있는 솔루션이 필요하다. 이러한 방식으로 데이터를 집계하면 재배자의 개인 정보를 보호하면서 물 사용과 같은 문제에 대해 보다 정확한 결정을 내릴 수 있다.

 

또한 이러한 네트워크는 온도, 강우량 및 바람과 같은 변화하는 지역 조건에 적응해야 한다. 계절 변화와 작물 성장 주기는 Ag-IoT 장비의 작동 조건을 일시적으로 변경할 수 있다. 과학자들은 클라우드 컴퓨팅과 기계 학습을 사용하여 Ag-IoT가 주변 환경의 변화에 대응하도록 도울 수 있다.

 

마지막으로, 고속 인터넷 접속의 부족은 많은 시골 지역 사회에서 여전히 문제이다. 예를 들어, 많은 연구원들이 중앙 피벗 관개 시스템에 Ag-IoT와 무선 지하 센서를 통합했지만 고속 인터넷 액세스가 없는 농부는 이러한 종류의 기술을 설치할 수 없다.

 

위성 기반 네트워크 연결을 Ag-IoT와 통합하면 광대역 연결을 여전히 사용할 수 없는 연결되지 않은 농장을 지원할 수 있다. 연구원들은 또한 드론을 사용하는 차량 탑재 및 모바일 Ag-IoT 플랫폼을 개발하고 있다. 이와 같은 시스템은 현장에서 지속적인 연결을 제공하여 더 많은 장소에서 더 많은 농부가 디지털 기술에 액세스할 수 있도록 한다.

 

글쓴이: Abdul Salam

 

이 기사는 Creative Commons 라이선스에 따라 The Conversation에서 다시 게시된다. 원본 기사는 여기original article.서 읽을 수 있다.