COS’È IL PRECISION FARMING? La crescente popolazione mondiale e l’aumento del tenore di vita dei consumatori richiedono sempre più cibo di alta qualità e sostenibile sotto tutti i punti di vista. L’agricoltura di precisione è una delle innovative vie per produrre di più, impiegando meno risorse, rispettando l’ambiente.
Nicolò Barbano Classe 5^F - Gestione dell’Ambiente e del Territorio Anno scolastico 2016/2017
Agricoltura 4.0 Perché “abbiamo sempre fatto così” non è più una scusa accettabile
Istituto di Istruzione Superiore per Periti Agrari “Virginio-Donadio”
Nicolò Barbano
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Tesi di maturità 2017
Sommario 0 - PREFAZIONE........................................................................................................................................................... 3 A - PERCHÉ L’AGRICOLTURA? ................................................................................................................................................ 3 B - PERCHÉ QUESTO ARGOMENTO? ........................................................................................................................................ 3 C - METODO DI TRATTAZIONE ................................................................................................................................................ 3 D - CONTENUTI .................................................................................................................................................................. 3 1 - PERCHÉ SI PARLA DI AGRICOLTURA 4.0? ................................................................................................................ 4 1.0 – L’UOMO SCOPRE L’AGRICOLTURA ................................................................................................................................... 4 2.0 – IL SISTEMA DI NORFOLK ............................................................................................................................................... 4 3.0 – LA MECCANICA E LE SCIENZE AGRARIE ............................................................................................................................. 4 4.0 – L’AGRICOLTURA DI PRECISIONE ...................................................................................................................................... 5 2 - QUAL È LA SITUAZIONE MONDIALE ATTUALE?....................................................................................................... 6 3 - IN ITALIA QUALI SONO LE MAGGIORI PROBLEMATICHE? ....................................................................................... 6 4 - COS’È L’AGRICOLTURA DI PRECISIONE? ................................................................................................................. 7 5 - OBBIETTIVI E TECNICHE.......................................................................................................................................... 7 A - L’UOMO E LE MACCHINE .................................................................................................................................................. 7 1 - Interfacce di comunicazione uomo-macchina e macchina-macchina .................................................................. 8 2 - Sistemi di guida anti-affaticamento ................................................................................................................... 10 B - TUTELA DEL SUOLO ....................................................................................................................................................... 11 1 - Traffico controllato............................................................................................................................................. 11 2 - Controllo della pressione dei pneumatici e gemellaggio .................................................................................... 14 C - TRACCIAMENTO DEI MEZZI ............................................................................................................................................. 16 1 - Antifurto ............................................................................................................................................................. 16 2 - Gestione aziendale con la telemetria ................................................................................................................. 17 D - RACCOLTA DATI ........................................................................................................................................................... 21 1 - Analisi del terreno .............................................................................................................................................. 21 2 - Rilevamento dei dati metereologici.................................................................................................................... 23 3 - Rilevamento dell’indice vegetazionale ............................................................................................................... 24 E - ANALISI DATI ............................................................................................................................................................... 31 F - SISTEMI DI GEOLOCALIZZAZIONE ...................................................................................................................................... 32 1 - EGNOS – European geostationary navigation overlay system ........................................................................... 32 2 - OmniSTAR ........................................................................................................................................................... 33 3 - RTX ..................................................................................................................................................................... 34 4 - RTK ..................................................................................................................................................................... 34 G - DOSAGGIO DINAMICO ................................................................................................................................................... 36 H - MEZZI SENZA CONDUCENTI A BORDO ............................................................................................................................... 37 1 - Droni per l’irroramento ...................................................................................................................................... 37 2 - Droni per il lancio di insetti utili .......................................................................................................................... 37 3 - Rover cingolati.................................................................................................................................................... 38 4 - Agro-Bots ........................................................................................................................................................... 39 5 - Trattori a guida autonoma ................................................................................................................................. 40
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I - ALLEVAMENTO.............................................................................................................................................................. 42 1 - Gestione della stalla ........................................................................................................................................... 42 2 - Robot di mungitura ............................................................................................................................................ 42 3 - Robot di alimentazione ...................................................................................................................................... 43 4 - Collari per il rilevamento dei parametri biometrici dei bovini ............................................................................ 43 5 - Virtual Fencing ................................................................................................................................................... 44 6 - COME APPLICARE L’AGRICOLTURA DI PRECISIONE ...............................................................................................46 A - SISTEMA FARMSTAR FRANCESE ....................................................................................................................................... 46 B - LA FIGURA DELL’AGRICOLTORE ........................................................................................................................................ 47 C - L’APPORTO DELLE MULTINAZIONALI ................................................................................................................................. 47 D - LA FIGURA DEL CONTOTERZISTA ...................................................................................................................................... 47 7 - PROSPETTIVE PER IL FUTURO – SMART FARMS.....................................................................................................48 8 - CONCLUSIONI .......................................................................................................................................................49 9 - BIBLIOGRAFIA E FONTI ..........................................................................................................................................50 IMMAGINI ....................................................................................................................................................................... 50 FONTI BIBLIOGRAFICHE E WEB.............................................................................................................................................. 50
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0 - Prefazione A - Perché l’agricoltura? La scelta di questo argomento come tesi da esporre al mio esame di maturità è stata dettata da diversi fattori, che mi hanno spronato ad approfondire, raccogliere e presentare ciò in cui credo. La mia iscrizione all’Istituto Tecnico Agrario “Virginio-Donadio” nel 2012 è stata frutto di quella che fin da piccolo è una delle mie più grandi passioni: l’agricoltura. Sono entrato in contatto con il settore già in tenera età grazie ad alcuni parenti e ciò mi ha sempre accompagnato e continua a farlo.
B - Perché questo argomento? Ciò che mi ha sempre interessato è la meccanizzazione agricola e la sua gestione, l’organizzazione e l’innovazione. I miei recenti trascorsi personali mi hanno portato ad avvicinarmi al tema della comunicazione digitale e dell’integrazione tecnologica nella vita di tutti i giorni: questo è stato il trampolino di lancio che mi ha stimolato per la trattazione di un argomento così attuale, in modo da poterlo divulgare organicamente. Il mio indirizzo di studi ambientale mi ha inoltre messo in contatto con problematiche che prima sottovalutavo e mi ha permesso di affrontare ampiamente il tema della tesi, cogliendo l’importanza di questo nuovo approccio al settore primario. Con il nuovo millennio ci stiamo approcciando a numerose sfide sul fronte della sostenibilità, della produttività e della qualità alimentare. Ciò che leggerete nelle prossime righe è la mia esposizione di quella che è la nuova agricoltura del terzo millennio. Spesso non ci si accorge delle rivoluzioni finché non sono finite: l’epoca che stiamo vivendo è davvero ricca di novità, anche sul fronte dell’agricoltura ed è giunto il momento di spogliarsi della fossilizzazione.
C - Metodo di trattazione Questa tesi è disponibile in diverse forme le quali si pongono obbiettivi diversi: -
Tesi scritta (corrente): divulgazione tecnica, organica ed approfondita dell’argomento Slide: divulgazione semplificata per neofiti, sommaria ed altamente comunicativa Video: divulgazione su vasta scala, sommaria ed altamente comunicativa (disponibile da luglio 2017)
D - Contenuti Tutti i diritti rispetto ai contenuti multimediali sono riservati ai rispettivi proprietari. L’utilizzo di tali supporti al fine di studio e divulgazione didattica è garantito dal Fair Use secondo la direttiva EC IPRED2 del 2007.
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1 - Perché si parla di Agricoltura 4.0? Il progresso agricolo nel corso della storia è racchiudibile in quattro fasi:
1.0 – L’uomo scopre l’agricoltura Il processo evolutivo dell’uomo è da sempre segnato dai mutamenti nelle tecniche di approccio al settore agricolo: in origine si trattava di individui nomadi che si cibavano di frutti spontanei e di selvaggina, poi divenuti sedentari scoperte le prime rudimentali modalità di allevamento e coltivazione: iniziava così l’agricoltura.
2.0 – Il sistema di Norfolk In seguito nel periodo compreso fra il diciottesimo ed il diciannovesimo secolo D.C., dapprima in Inghilterra ed a seguire nel resto del mondo occidentale, avvenne una seconda rivoluzione agricola (detta Sistema di Norfolk) caratterizzata dai seguenti aspetti: -
Maggiore cura nella selezione delle sementi e degli animali per la riproduzione Miglioramento dell’attrezzatura Sperimentazione di nuove colture Introduzione di un metodo di rotazione colturale continua, senza la presenza di maggese ma che tiene conto delle tre categorie di coltivazioni (miglioratrici, depauperanti e da rinnovo) L’utilizzo di cavalli per velocizzare le lavorazioni L’esbosco di foreste e la conseguente lavorazione del terreno, unita al crescente utilizzo di concime organico rendevano possibile l’estensione delle terre arabili
3.0 – La meccanica e le scienze agrarie Negli ultimi decenni del diciannovesimo secolo nasceva negli Stati Uniti d’America la trattrice agricola a testa calda: un mezzo meccanico capace di sostituire completamente la forza animale ed addirittura aprire nuovi orizzonti agli agricoltori di tutto il mondo. Era possibile utilizzare attrezzi di dimensioni nettamente superiori e progettarne di nuovi per incrementare sensibilmente la produttività generale. Gli animali passavano così da duplice o triplice attitudine (latte, carne, lavoro) a bestiame indirizzato solitamente ad un unico prodotto. Era richiesta molta meno manodopera e ciò risolveva parzialmente il problema generato dalla crescente migrazione verso la città in cerca di fortuna presso la fiorente industria.
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Inoltre avvenne una vera e propria rivoluzione nelle tecniche e nelle scienze: ci si approccia alla genetica per sementi migliorate, alla chimica per la difesa dalle patologie e per lo sviluppo di nuovi concimi sintetici, alla botanica per conoscere meglio le piante, all’ingegneria per progettare nuove attrezzature ed all’economia capitalista per la gestione aziendale. Questo passaggio è stato piuttosto repentino, data la concomitanza del progresso e dei due conflitti mondiali: le sovvenzioni al settore della ricerca da parte dei paesi impegnati nelle guerre e la tendenza all’autarchia dei vari stati funzionarono da catalizzatori del progresso agrario.
Una trattrice testa calda Landini (a sinistra) ed un cantiere di raccolta negli U.S.A. agli inizi degli anni ’70: le grandi aziende americane iniziavano a potersi permettere più macchinari per svolgere la stessa operazione ed iniziavano la loro egemonia nel mercato mondiale dei cereali (a destra)
4.0 – L’agricoltura di precisione Oggi stiamo invece vivendo un nuovo stage evolutivo: l’agricoltura di precisione. L’ingresso dell’informatica nella vita quotidiana non ha risparmiato il settore primario: oggi i mezzi agricoli possono vantare centraline elettroniche, è possibile rilevare dati in modi completamente nuovi ed elaborarli in poco tempo per ottenere supporti decisionali e database utili alle nuove tecniche di guida assistita, localizzazione e corretto dosaggio degli interventi ed automazione.
Un esempio di elaborazione dati rispetto alla presenza di nutrienti nel terreno, caricata sul terminale della trattrice che regolerà lo spandiconcime al fine di localizzare e dosare l’apporto.
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2 - Qual è la situazione mondiale attuale? Secondo lo studio di Global Perspective “World agriculture towards 2030/2050” redatto da Nikos Alexandratos e Jelle Bruinsma per FAO nel Giugno del 2013, l’agricoltura mondiale nel 2050 dovrà essere in grado di produrre il 60% in più rispetto al 2010. Ciò sarà necessario per due principali motivi: è previsto un aumento di popolazione del 30% ed in secondo luogo il tenore di vita sta crescendo esponenzialmente. Ciò significa banalmente una richiesta maggiore di materie prime ed un cambiamento nella domanda di cibo verso beni sempre più pregiati, come la carne ed i prodotti ortofrutticoli.
Andamento mondiale
Popolazione Terreno coltivato Produzione Resa
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
2030
2040
2050
2060
Grafico basato sui dati FAO 2014 e le prospettive di crescita demografica ONU: la popolazione (blu) è destinata ad un futuro aumento, ma al contempo i terreni disponibili per la coltivazione (arancione) risultano limitati. L’unico modo di intervenire al fine di ottenere una produzione (grigio) maggiore è lavorare sulla resa (giallo).
3 - In Italia quali sono le maggiori problematiche? Al contempo l’agricoltura italiana odierna si ritrova a combattere contro l’edificazione selvaggia che giorno dopo giorno limita la SAT, conta un numero sempre minore di impiegati ed è inserita in un mercato globalizzato che spesso poco tutela la qualità, prediligendo la quantità. Ne consegue una ricerca verso l’ottimizzazione di tutti i fattori che determinano il costo di produzione: tempistiche, dosaggi e modalità.
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4 - Cos’è l’agricoltura di precisione? L’agricoltura di precisione è stata definita nel 1997 come sistema gestionale, agricolo ed integrato di informazione e produzione atto all’aumento della produttività sito-specifica, dell’efficienza produttiva, della redditività aziendale e alla riduzione al minimo dell’impatto ambientale. Possiamo quindi definire 3 principi: -
Fare la cosa giusta Farla nel momento giusto Farla nel modo giusto
5 - Obbiettivi e tecniche Analizzeremo ora gli ambiti applicativi e le modalità di integrazione di questo nuovo approccio all’agricoltura.
A - L’uomo e le macchine La risorsa umana nell’agricoltura italiana è stata negli ultimi decenni sottoposta a cambiamenti radicali: l’avvento dei macchinari agricoli e la crescita dapprima del settore secondario ed in seguito del terziario, hanno contribuito ad una consistente diminuzione degli impiegati nel settore agrario. Tralasciando i risvolti socio-economici, ciò ha reso decisamente migliori le condizioni di lavoro degli agricoltori. Le macchine operatrici si sono evolute all’insegna dell’efficienza, del rispetto dell’ambiente (parametri Tier e Stage) e della sicurezza sul campo (cabine, archi di protezione, alberi cardanici protetti) e su strada (dispositivi di segnalazione luminosa, lampeggianti, cartelli di ingombro). E’ stato inoltre importante il miglioramento della connessione fra l’uomo e la macchina, dapprima con metodi di comunicazione semplificati ed innovativi, poi con la graduale automatizzazione delle operazioni.
Un trattore provvisto di arco di protezione anti-ribaltamento (sinistra) e un lampeggiante per la segnalazione del mezzo su strada (destra)
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L’agricoltura di precisione in questo ambito interviene nei seguenti casi:
1 - Interfacce di comunicazione uomo-macchina e macchina-macchina Se si vede un cantiere agricolo come una partita di calcio si potranno notare diversi membri all’interno della squadra: l’uomo che dirige le operazioni come un allenatore, la trattrice che recepisce i comandi e che come un capitano li trasmette ai rimanenti giocatori, cioè le attrezzature. Ovviamente questa squadra può essere più o meno allenata, può sottoporsi ad avversari più o meno ostili ma se la comunicazione fra i membri non è sufficiente si rischia di compromettere la prestazione fin dall’inizio. Lo standard ISOBUS si pone come soluzione: da diversi anni i produttori di macchinari agricoli stanno adottando lo standard internazionale ISO 11783 "Trattori e macchinari per agricoltura e silvicoltura – Comando seriale e reti dati per comunicazioni” come protocollo universale per la comunicazione tra attrezzi, trattori e terminali. In particolare esiste un flusso di dati bi-direzionale che permette, per esempio, di inviare input di dosaggio allo spandiconcime e ricevere risposte di output riguardanti l’effettiva esecuzione delle prescrizioni. Si tratta però non solo di software, ma anche di hardware: sono infatti utilizzati connettori plug & play standardizzati capaci di connettere una moltitudine di dispositivi con una unica porta madre. Potremmo definirlo l’attacco USB dei mezzi agricoli: uguale per tutti, rapido da inserire ed efficiente nel trasferimento.
Un esempio di connettore ISOBUS (sinistra) ed un esempio di situazione evitabile tramite ISOBUS (destra)
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Per quanto invece riguarda la comunicazione fra il conducente e la trattrice ci si affida a joystick, pulsantiere o terminali. Questi ultimi possono essere analogici o touchscreen, già presenti di serie o acquistati in seguito, e non solo vengono utilizzati per dare input al macchinario, ma anche per visualizzare informazioni sotto forma di testi, grafici o elementi multimediali.
Cabina equipaggiata di un terminale di serie per i parametri del trattore, un joystick per il movimento ed il comando totale ed un secondo terminale sulla destra per le informazioni GPS
Uno schema di esempio rappresentante il sistema ISOBUS durante il cantiere di semina: il motore, la trasmissione e gli attacchi del trattore fanno capo alla centralina del mezzo, il sistema GPS invia dati sulla posizione del mezzo al terminale, che informa il conducente. Il mezzo è comandato tramite il joystick e gli ordini riguardanti la seminatrice arrivano alla centralina ISOBUS dell’attrezzo, diramandosi verso i vari dosatori delle sementi.
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2 - Sistemi di guida anti-affaticamento Se con il tempo le rese delle colture sono via via aumentate, con esse sono anche cresciute le sensibilità delle piante. Al fine di realizzare una buona produzione è necessario quindi essere tempestivi, talvolta sottoponendosi a turni di lavoro lunghi e affaticanti. Tramite i sistemi di guida assistita il conducente può permettersi di lasciare temporaneamente il controllo della direzione del mezzo alla trattrice. Questi sistemi possono integrare la geolocalizzazione, ma ciò non è obbligatoriamente necessario. Per esempio l’utilizzo di laser ai lati degli attrezzi, sensori o archi tastatori digitali può migliorare notevolmente l’affaticamento da guida del mezzo, senza spendere però per costosi impianti GPS.
Esempio di sistema laser montato sulla testata di una mietitrebbiatrice: il dispositivo invia impulsi luminosi e determina la posizione del confine fra porzione trebbiata e porzione da trebbiare. I dati arrivano al mezzo che li elabora per determinare l’angolo di sterzata in modo autonomo.
Esempio di sistema con archi tastatori digitali sulla testata di una mietitrebbiatrice: gli archetti rilevano la posizione della fila del mais tramite il contatto diretto. I dati arrivano al mezzo che li elabora per determinare l’angolo di sterzata in modo autonomo.
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B - Tutela del suolo Nel secolo scorso l’agricoltura convenzionale ha fatto emergere importanti criticità riguardanti la salute dei nostri suoli. Se da un lato i sovesci e le letamazioni effettuati prima dei conflitti mondiali hanno lasciato un patrimonio in sostanza organica e struttura immenso, la corsa alla resa produttiva degli anni ‘60-’90 ha depauperato gran parte delle terre agricole italiane, che ora rischiano in alcuni casi di raggiungere la soglia critica dell’1%. L’agricoltura di precisione si pone in difesa e miglioramento della situazione, applicandosi come segue:
1 - Traffico controllato Similmente a ciò che abbiamo detto precedentemente per la guida assistita, l’ottimizzazione dei passaggi può giovare alla struttura del terreno, favorendo la vita edafica, l’accumulo di ossigeno ed acqua, lo sviluppo radicale delle coltivazioni e la portanza del suolo. Per traffico controllato si intende la gestione delle zone di calpestio dovute al passaggio dei macchinari agricoli. Ciò è attuabile costituendo carreggiate non seminate dedicate unicamente al passaggio dei mezzi agricoli. Questa tecnica relativamente vecchia (le prime sperimentazioni risalgono agli anni ’80) presenta però la necessità di adattare l’interasse di tutto il parco macchine ad un valore comune tramite distanziali.
Esempio di trattrice adattata tramite distanziali: è importante che tutti gli attrezzi abbiano simili larghezze di lavoro, comprese mietitrebbiatrici e relative testate.
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Questo metodo produce delle tare improduttive, la cui quantità dipende dal numero delle carreggiate: in aziende agricole che utilizzano attrezzature con una ridotta larghezza di lavoro è sconsigliabile utilizzare questa tecnica poiché si rischierebbe un eccessivo dispendio di terreno altrimenti coltivabile.
Esempio di carreggiate dedicate al traffico controllato: in questo caso lo spandiconcime ha un raggio di azione molto ampio, tale da giustificare l’utilizzo di questa tecnica
I sistemi di guida autonoma aiutano in questo senso a seguire le carreggiate con assoluta precisione, tramite sistemi laser o direttamente satellitari.
Un sensore ottico per l’individuazione automatica della corretta traiettoria di guida
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Secondo gli studi condotti dal Prof. Luigi Sartori dell’Università degli studi di Padova, una corretta gestione delle traiettorie in campo può portare anche a miglioramenti del 11-18% della produzione, giustificando ampiamente gli investimenti e le tare improduttive.
In metodi di coltivazione come lo Strip Tillage è molto importante che i passaggi vengano precisamente alternati anno dopo anno. Per questo è pressoché obbligatorio l’accoppiamento di tali tecniche al Precision Farming.
Esempio di campo coltivato con la tecnica dello Strip Tillage: le fasce di lavorazione sono larghe solitamente poche decine di centimetri, è importante quindi che la tolleranza del sistema di guida assistita non superi i 3 cm circa
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2 - Controllo della pressione dei pneumatici e gemellaggio Un altro metodo per ridurre l’impatto dei mezzi sulla struttura del terreno è l’aumento dell’area di appoggio dei pneumatici. Ciò può avvenire acquistando prodotti con battistrada più largo oppure utilizzando sistemi di gemellaggio per affiancarli fra loro. Questi sistemi risultano piuttosto efficienti, ma allo stesso tempo le svolte a fondo campo e la circolazione su strada risultano ostacolate.
Un trattore dotato di pneumatici larghi (a sinistra) ed evidenti problemi di ingombor della carreggiata per un trattore con ruote gemellate (a destra)
La soluzione proposta dall’innovazione agromeccanica è il controllo della pressione degli pneumatici: sistemi con il Vario Grip di Fendt permettono il gonfiaggio e lo sgonfiaggio delle gomme in modo automatico e rapidamente. Si può infatti passare da 0,8 bar (pressione da lavoro) a 1,8 bar (pressione da strada) in meno di 30 secondi.
Trattrice agricola dotata di sistema Vario Grip per il controllo della pressione degli pneumatici
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I benefici di questa tecnica sono ritrovabili non solo nella maggiore area di appoggio del mezzo, ma anche in minori consumi in gasolio ed una maggiore trazione del mezzo, che può così evitare lo slittamento.
Schema non in scala del potenziale di compattazione in funzione della pressione degli pneumatici: si evidenzia come con una pressione minore il peso venga scaricato su un’area più larga, ma meno profonda.
Comparazione empirica dell’area di appoggio di uno penumatico a due diverse pressioni: è evidente che la pressione bassa (sinistra) favorisce non solo un aumento in larghezza della base d’appoggio della trattrice, ma anche in lunghezza.
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C - Tracciamento dei mezzi 1 - Antifurto Uno dei problemi attuali, seppur marginalmente distante dalla stretta agricoltura, sono i furti di attrezzatura. Purtroppo nell’ultimo periodo non è difficile imbattersi a situazioni simili e si tratta sempre di una perdita ingente del capitale aziendale oltre che di un problema per lo svolgimento delle non posticipabili lavorazioni. A tale scopo si sta assistendo ad una vera e propria corsa ai Geo-Trackers, cioè a dispositivi di localizzazione GPS, che possono essere forniti dall’agenzia di assicurazione (in caso di polizza furto) o acquistati a modico prezzo dagli imprenditori agricoli. Si tratta di piccole scatole collegabili alla batteria del mezzo, alla centralina di avviamento ed agli sportelli. Ciò permette quindi di ricevere informazioni sulla posizione e sull’intrusione tramite SMS ed eventualmente attivare un blocco del motore a distanza.
VDO Easy: un esempio di antifurto per veicoli agricoli installabile aftermarket
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2 - Gestione aziendale con la telemetria Esistono sistemi informatici per il coordinamento dei mezzi che sfruttano la connettività per fornire dati sullo stato, la posizione e la produttività dei mezzi. Questo tipo di servizio si rivolge principalmente ad aziende con un gran numero di autisti e trattrici, con un occhio di riguardo per le attività di contoterzismo che possono effettivamente giovare in maniera consistente di questo tipo di innovazione gestionale.
Esempio di dashboard per la telemetria, in questo caso Claas Telematics
I mezzi aziendali dispongono di una centralina ISOBUS che viene integrata di un sistema UMTS o LTE per l’invio di informazioni ai server del servizio di telemetria tramite i normali ponti di telefonia.
Schema del processo di trasmissione dati telemetrici: un sistema satellitare invia i dati di posizione al mezzo (1); il mezzo invia tutti i dati alla cella di telefonia mobile più vicina (2); I dati arrivano al server (3) che provvederà a distribuirli all’azienda agricola ed al concessionario tramite un portale dedicato
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Le informazioni che possono essere gestite sono:
Analisi del tempo di utilizzo Utile per conoscere le ore di lavoro e la loro suddivisione.
Individuare tempi morti Utile per capire i punti critici e massimizzare la produttività. Per esempio durante la stagione della raccolta le mietitrebbie possono incorrere in tempi di fermo a causa del serbatoio pieno: grazie all’analisi telematica l’imprenditore agricolo può capire come suddividere gli addetti ai trasporti ed assegnare un carrista in più, riassegnarli in base alla capienza del rimorchio oppure decidere di affrontare altri percorsi.
Analisi consumo carburante Utile per prevedere i rifornimenti ed eventualmente modificare i parametri del mezzo o lo stile di guida dell’autista, oltre che per la redazione di una fattura per il cliente.
Esempio di schermata riassuntiva sui dati di un mezzo: sono evidenziati i tempi tramite istogrammi (verde lavoro, blu trasporto, arancione svolta), la posizione in tempo reale ed i settaggi correnti, otre ai dati sull’andatura e la produttività
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Telediagnosi Utile per il controllo dei parametri a distanza (regolazioni del battitore sulle mietitrebbiatrici, profondità di aratura, ecc…), la previsione di interventi meccanici o diagnosi a distanza. In alcuni sistemi infatti è possibile consentire l’accesso ai dati anche al concessionario di fiducia, il quale viene informato dei dati del parco macchine, questo porta a diversi vantaggi: -
E’ direttamente il concessionario a ricordare e pianificare le revisioni E’ possibile effettuare riparazioni a distanza: il meccanico analizza telematicamente la situazione e consiglia all’autista le modifiche da apportare Il meccanico conosce già i pezzi di ricambio necessari all’intervento, può così prenderli prima ancora di raggiungere il mezzo La localizzazione del mezzo, anche se in aperta campagna, è assicurata dai dati in tempo reale sulla sua posizione.
Analisi delle corsie e delle traiettorie E’ possibile analizzare il flusso di lavoro e verificare se i tempi di svolta a fondo campo sono eccessivi, se viene utilizzata appieno la larghezza di lavoro dell’attrezzatura e se l’organizzazione spaziale del cantiere risulta errata.
Resa ed umidità del raccolto Vengono raccolti i dati puntuali sul raccolto, utili per prevedere la necessità di essicazione dei cereali o per comparazioni.
Esempio di elaborazione dati sul raccolto: vengono elaborati grafici sull’andamento della produzione e sull’umidità del prodotto, interpolabili con tutte le altre metriche.
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Analystics sul cantiere Vengono registrati anche dati relativi ai singoli appezzamenti: tempi, consumi, area e tipo di coltura. Questi dati possono essere utilizzati sia come supporti decisionali (vedi p. -) oppure come report di lavorazione per i clienti in caso di contoterzismo.
Esempio di mappa contenente i dati sul cantiere di raccolta: sono evidenziati i confini degli appezzamenti, le traiettorie dei mezzi ed i punti di interesse (svolta, avvio, scarico)
Posizione E’ possibile conoscere la posizione in tempo reale di tutti i mezzi, ciò risulta efficace per il loro dispiegamento e l’assegnazione dei compiti successivi, oltre che per informare gli eventuali clienti.
Esempio di mappa sulla posizione attuale dei mezzi
Condivisione dati Esistono network di condivisione dati delle macchine. In questo modo l’imprenditore può conoscere la produttività di altri mezzi impiegati in simili condizioni e capire se si è competitivi o è necessario apportare modifiche al parco macchine, al personale o al tipo di servizi offerti. 20
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D - Raccolta dati Questo è forse il più importante degli aspetti dell’agricoltura di precisione. L’applicazione delle tecniche precedentemente descritte si basa infatti sull’elaborazione di dati puntuali, aggiornati e appartenenti a varie metriche. Analizziamo i seguenti campi di interesse:
1 - Analisi del terreno La conoscenza del terreno risulta molto importante. Una delle analisi preliminari necessarie alla buona interpolazione degli altri dati è lo studio della struttura del terreno e della sua composizione. Poiché è necessario un valore geolocalizzato il metodo di carotaggio varia rispetto all’approccio convenzionale per i seguenti aspetti:
Non è necessario che vengano escluse le zone marginali del campo Maggiore è il numero dei campionamenti, migliore è l’accuratezza della mappa elaborabile. Si consiglia un minimo di 5 camp./ha Essendo l’obbiettivo constatare le differenze tessiturali all’interno del campo e non valutare un parametro medio, non bisogna mischiare i campioni fra loro Ogni punto campionato deve essere registrato tramite un localizzatore GPS per l’inserimento nella mappa
L’analisi dovrà quindi determinare la tessitura (limo, sabbia, argilla), il pH, il quantitativo di elementi chimici assimilabili (N;P2O5; K2O) e la presenza di sostanza organica. Questo tipo di analisi va ripetuta ogni 3-4 anni. Un altro metodo per raggiungere una migliore analisi della tessitura del terreno è l’utilizzo di sistemi di analisi in movimento. A tale scopo vengono utilizzati sensori ad induzione elettromagnetica (ElettroMagnetic Induction) che sfruttano le proprietà di conducibilità elettrica per determinare un valore di resistività [Ohm/m]. Il terreno è però uno strato complesso composto da più componenti, le quali hanno valori di conducibilità elettrica (EC) diversi; per tale motivo il valore misurato sarà solamente un risultato medio sitospecifico detto EC apparente, che verrà in seguito interpretato per ottenerne una prospezione geofisica. Questo nuovo approccio, oltre a garantire una velocità maggiore, risulta interessante per la possibilità di conoscere il rapporto di saturazione dei pori nel terreno, individuando un nuovo importante parametro per le analisi dati.
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Utilizzo di queste tecnologie è reso possibile da diverse varianti di attrezzatura:
Slitte Un metodo semplice e rapido per lo svolgimento delle analisi è l’utilizzo di una slitta che sorregge a pochi centimetri da terra tutta la strumentazione EMI. Solitamente questo tipo di attrezzature vengono attaccate ad un ATV (Quad 4x4) che permette la scansione di circa 50 ettari al giorno.
Le slitte possono avere diverse forme: possono essere formate da pattini se si lavora su terreni pressoché livellati e privi di vegetazione ed ostacoli (sinistra) oppure dotate di ruote dentate con sospensioni indipendenti se risulta necessario lavorare su terreni declivi o con una ricca vegetazione (destra)
Attrezzi per trattrice portati Esistono in commercio sistemi compatti da applicare al sollevatore frontale del mezzo (o ad una zavorra) per svolgere le analisi durante la lavorazione. Ciò presenta due grandi vantaggi: -
-
Il passaggio del mezzo per l’analisi coincide con quello di una lavorazione, per cui si risparmia tempo, carburante, si impatta meno sulla struttura del suolo e si possono ripetere frequentemente le analisi per avere dati sempre aggiornati a costo 0. Sono in fase di sviluppo centraline che utilizzano all’istante i dati raccolti per variare parametri del mezzo, come la profondità di lavoro o la densità di semina (vedi capitoli successivi)
L’azienda GeoProspectors produce il Topsoil Mapper, un attrezzo portato di dimensioni ridotte che integra la tecnologia per la misura dell’EMI. Può essere utilizzato stand-alone a velocità elevate (fino a 40km/h) oppure durante le lavorazioni (vedi l’accoppiamento con un erpice a destra)
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Strumentazione a mano Infine è possibile utilizzare strumentazioni portate a mano, solitamente composte da una barra contenente i sensori ed uno zaino con la centralina e la strumentazione per la localizzazione GPS. Ovviamente in questo caso le velocità saranno decisamente ridotte e non è garantita l’uniformità nel rilevamento dei dati poiché anche piccole variazioni nella postura dell’operaio possono determinare cambiamenti nel dato finale.
Un esempio di strumentazione portata a mano (a sinistra) ed una trainata (a destra)
2 - Rilevamento dei dati metereologici L’agricoltura è il settore che più dipende dalle condizioni climatiche, a tale scopo è importante appoggiarsi a delle capannine o stazioni metereologiche per il rilevamento di importanti parametri quali: -
Precipitazioni (mm) Intensità del vento e direzione (m/s; °) Temperature (°C) Intensità luminosa (K Pressione atmosferica (bar) Umidità dell’aria (%) Radiazione solare (W*m-2)
Eventualmente si possono integrare anche ulteriori sensori per la misurazione di parametri il terreno, come la sua umidità, la temperatura e per quanto riguarda le piante sensori di bagnatura fogliare. Solitamente ci si affida a servizi di meteorologia a pagamento come RadarMeteo o pubblici come l’ARPA che dispongono di una rete capillare di stazioni di rilevamento. Ovviamente in questo caso si tratta di dati non riguardanti direttamente gli appezzamenti di proprietà per cui ci si può eventualmente dotare di una propria stazione.
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3 - Rilevamento dell’indice vegetazionale Uno dei più interessanti passi avanti degli ultimi anni è la misurazione della risposta vegetativa delle piante. Esistono infatti tecniche di fotografia multispettrale che riescono ad individuare l’indice vegetativo (VI) tramite l’analisi dei colori rilevati. Questo valore può poi essere corretto o analizzato per arrivare ad altre metriche.
Schematizzazione grafica della risposta dei vari canali a diverse situazioni di attività fotosintetica
Esistono diversi metodi di fotografia, vedremo ora i più importanti:
RGB – Onde visibili Questa tecnica prevede la sovrapposizione delle regioni visibili (RED+GREEN+BLUE), si tratta quindi di una normale fotografia rappresentante ciò che è visibile anche all’occhio umano. Risulta facilmente effettuabile poiché non richiede strumentazione specializzata dato che i canali RGB vengono catturati da una semplice fotocamera, non necessariamente multispettrale. La mappatura che ne deriva risulta di immediata lettura e può essere un supporto decisionale utile alle scelte di logistica, programmazione delle lavorazioni e localizzazione delle problematiche visibili ad occhio nudo.
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NDVI – Normalized Difference Vegetation Index Si tratta di un indicatore utilizzato per l’individuazione dell’attivitĂ fotosintetica tramite la sovrapposizione di fotografie secondo le regioni rosse (RED) e le regioni infrarosse (NIR) invisibili all’occhio umano. đ?‘ đ??źđ?‘…−đ?‘…đ??¸đ??ˇ
Viene definito come rapporto fra le due regioni secondo la formula đ?‘ đ??ˇđ?‘‰đ??ź = đ?‘ đ??źđ?‘…+đ?‘…đ??¸đ??ˇ In linea generale se la radiazione riflessa dagli infrarossi in un pixel risulta maggiore di quella VIS significa che la vegetazione è maggiormente densa se selvatica, oppure si evidenzia una maggiore attivitĂ fotosintetica se coltivata. Si tratta di un parametro di partenza che però dovrĂ essere in seguito processato con apposite formule per l’ottenimento di importanti valori riguardanti la biomassa, il Leaf Area Index e la concentrazione di clorofilla. La sua attitudine per le basse concentrazioni di clorofilla lo rendono molto importante per le fasi iniziali di coltivazione, fino alla levata o in alcuni casi alla traslocazione dei fotosintati.
NDRE – Normalized Difference Red Edge index A differenza del precedente NDVI, questo metodo di misurazione sfrutta i sensori multispettrali per đ?‘ đ??źđ?‘…−đ?‘…đ??¸đ??ˇ
il controllo dell’attivitĂ fotosintetica secondo la formula đ?‘ đ??ˇđ?‘…đ??¸ = đ?‘ đ??źđ?‘…+đ?‘…đ??¸đ??ˇ dove le regioni infrarosse (NIR) vengono rapportate alle lunghezze d’onda di transizione fra il rosso e l’infrarosso (RE). La particolaritĂ di questa tecnica sta nella possibilitĂ (attraverso il canale RE) di separare la quantitĂ di attivitĂ fotosintetica rilevata tramite il NIR da quella dovuta alla struttura fogliare delle piante. Si tratta di un valore molto sensibile, quindi utile per valutazioni qualitative che possono risultare utili per: -
Valutare lo stato di presenza zuccherina nelle coltivazioni arboree Verificare l’apertura di baccelli Misurare l’entità di danni da insetti
GNDVI – Green Normalized Difference Vegetation Index Si tratta di una specializzazione della tecnologia NDVI che sfrutta però una specifica banda dei Verdi al fine di ottenere nuove tipologie di dati. đ?‘ đ??źđ?‘…−đ??şđ?‘…đ??¸đ??¸đ?‘
Si calcola secondo la formula đ?‘ đ??ˇđ?‘…đ??¸ = đ?‘ đ??źđ?‘…+đ??şđ?‘…đ??¸đ??¸đ?‘ dove le regioni infrarosse (NIR) vengono rapportate al solo canale dei verdi (GREEN). Questo tipo di approccio risulta molto importante per determinare la distribuzione idrica all’interno dell’appezzamento, valutare l’efficienza dell’irrigazione ed eventualmente ottimizzarla.
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ENDVI – Enhanced Normalized Difference Vegetation Si tratta della tecnologia piĂš recente e consiste nell’evoluzione del NDVI, sfruttando un numero maggiore di regioni. (đ?‘ đ??źđ?‘…+đ??şđ?‘…đ??¸đ??¸đ?‘ )−(2Ă—đ??ľđ??żđ?‘ˆđ??¸)
Si calcola come đ??¸đ?‘ đ??ˇđ?‘‰đ??ź = (đ?‘ đ??źđ?‘…+đ??şđ?‘…đ??¸đ??¸đ?‘ )+(2Ă—đ??ľđ??żđ?‘ˆđ??¸) dove le regioni infrarosse (NIR) sommate a quelle verdi (GREEN) vengono rapportate al canale dei blu (BLUE). Il vantaggio conseguente all’utilizzo di piĂš regioni è una migliore adattabilitĂ ai rilievi a bassa quota, effettuati tramite droni.
SAVI – Soil Adjustment Vegetation Index Si tratta di una modifica del NDVI che risponde alla necessitĂ di correggere l’influenza della luminositĂ del terreno in caso di appezzamenti con copertura vegetativa bassa. đ?‘ đ??źđ?‘…−đ?‘…đ??¸đ??ˇ
La formula đ?‘†đ??´đ?‘‰đ??ź = đ?‘ đ??źđ?‘…+đ?‘…đ??¸đ??ˇ+đ??ż Ă— (1 + đ??ż) è simile a quella del NDVI, ma prevede l’utilizzo di un coefficiente di correzione della luminositĂ (L) che varia fra 0 (vegetazione fitta) e 1 (vegetazione pressochĂŠ assente), tipicamente in caso di una media copertura vegetazionale è consigliato l’utilizzo del coefficiente L=0,5
VARI – Visible Atmospherical Resistant Index Si tratta di un metodo di rilevamento minimamente sensibile agli eventi atmosferici con una soglia di errore massima del 10%. đ??şđ?‘…đ??¸đ??¸đ?‘ −đ?‘…đ??¸đ??ˇ
La formula đ?‘‰đ??´đ?‘…đ??ź = đ??şđ?‘…đ??¸đ??¸đ?‘ +đ?‘…đ??¸đ??ˇâˆ’đ??ľđ??żđ?‘ˆđ??¸ sfrutta la somiglianza dell’effetto atmosferico sui rossi (RED) e sui verdi (GREEN), con una correzione dei blu (BLUE) che vengono affetti per circa il doppio dell’influenza sui rossi. Si tratta di un parametro poco utilizzato, salvo casi di estrema necessitĂ .
Esempi di sovrapposizione dei canali spettrali: RGB visibile ad occhio nudo, RE cioè la gamma di transizione fra rossi visibili ed infrarossi, NRG per la localizzazione della vegetazione e l’NDVI per la quantificazione dell’indice vegetativo (blu=max VI; giallo=medio VI; rosso=min VI)
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Metodi di rilevamento: Lo stato dell’arte prevede diversi metodi di utilizzo della tecnologia di rilevamento multispettrale (MSI) che trovano ambiti di applicazione diversi in base alle necessità.
Satelliti Fino allo scorso decennio questo tipo di analisi erano possibili unicamente attraverso utilizzo di satelliti (remote sensing), con evidenti problematiche riguardanti i costi, le condizioni meteo e la tempestività. In questo senso l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) con il suo progetto Copernicus si è data disponibile a rendere pubblici i dati rilevati attraverso i satelliti Sentinel 2 (A e B), equipaggiati di telecamere multispettrali (fino a 13 canali diversi) di nuova generazione. Si tratta di un metodo utile ad analisi su vasta scala, ma poco adatto alle necessità sitospecifiche. Eventualmente ci si può appoggiare a servizi privati che ad un prezzo irrisorio consentono di monitorare gli appezzamenti con un livello di dettaglio nettamente maggiore.
Sentinel 2A: uno due satelliti dell’ESA lanciato nel 2015 per la raccolta di dati riguardanti la vegetazione mondiale, utili sia alla ricerca scientifica che ai professionisti
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Droni (APR) L’industria dei velivoli radiocomandati privi di pilota a bordo (APR) è cresciuta molto nell’ultimo decennio, forte di una grande spinta innovativa che li ha resi user-friendly ed accessibili a modici prezzi. Un drone è un velivolo composto da uno o più rotori ed eventualmente ali, che viene diretto da terra e che può svolgere diversi compiti. Nel caso del rilevamento dati può essere importante per la fotogrammetria, attraverso telecamere multispettrali montate a bordo. La forma dei droni può variare da concepts che richiamano gli aeroplani se è richiesta una maggiore velocità oppure multirotore (quadri/esa/otta-cotteri) se è necessario un maggiore controllo, una maggiore capacità di carico e se le rilevazioni devono avvenire in modo preciso o a basse velocità.
Un drone monoelica con due ali (a sinistra) ed un Drone DJI Phantom quadricottero, uno dei modelli meno costosi ed user-friendly ad oggi sul mercato (a destra)
L’argomento negli anni scorsi ha attirato l’attenzione dell’ENAC che ha emanato una serie di leggi tematiche in continuo aggiornamento. Al momento della scrittura di questo documento, esiste una fondamentale distinzione fra i velivoli amatoriali (limiti di peso ed utilizzo esclusivamente personale) e velivoli professionali (utilizzati per lavoro). Nel primo caso è necessario astenersi dalle No Fly Zone e rispettare le regolamentazioni, nel secondo è previsto un patentino da pilota di APR, è richiesta l’assicurazione del mezzo ed il rispetto di normative più stringenti. Rientrano in quest’ultimo tutte le attività al servizio dell’agricoltura.
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Sensori prossimali E’ inoltre possibile adottare strumentazioni a corto raggio (proximal sensing) per la mappatura del VI tramite foto NDVI. Questi strumenti possono essere montati su apposite barre nella parte frontale del mezzo, sulla barra dell’irroratrice o addirittura portate a mano. Il vantaggio derivante da questo sistema, similmente alla mappatura della resistività con attrezzatura portata dalla trattrice vista precedentemente, è la possibilità di utilizzare in modo istantaneo i dati rilevati per regolare il dosaggio dell’attrezzo in uso.
Esempi di sensori prossimali: Yara N-Sensor montato sulla cabina del trattore mappa la zona laterale al mezzo (a sinistra), Trimble GreenSeeker portato a mano (al centro) e Claas Isara agganciato al sollevatore frontale del trattore per mappare i 4 metri frontali al mezzo (a destra)
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Confronto fra i sistemi di rilevamento: Stato dell’arte (2016):
Tecnica agronomica
Satellite
Drone
Sensore prossimale
Fertilizzazione
Operativa
Operativa
Operativa
Trattamenti fitosanitari
Non praticabile
Sperimentale
Operativa
Diserbo
Non praticabile
Sperimentale
Operativa
Operativa
Non praticabile
Sperimentale
Semina
Sperimentale
Non utile
Sperimentale
Lavorazioni varie
Sperimentale
Non utile
Sperimentale
Satellite
Drone
Sensore prossimale
0.05 - 0.15 m
0.5 – 5 m
Rilievo: A richiesta
Rilievo: A richiesta
Consegna: 2 – 7 gg
Consegna: Immediata
2 – 4 bande
2 – 4 bande
Mosaicatura Ortorettifica Corr. Radiometrica Corr. Atmosfera
On the go
Satellite
Drone
Sensore prossimale
Sentinel 2: gratis RapidEye: 0.01 WorldView 2: 0.30
60 – 120
4 – 15
Irrigazione
Caratteristiche:
Parametro
Risoluzione spaziale
Frequenza
Risoluzione spettrale
Elaborazione
0.3-20 m A seconda del servizio (Sentinel, WorldView, RapidEye) Rilievo: 1 – 30 gg (In base al meteo) Consegna: 1 – 10 gg 4 – 10 bande Correzione atmosfera
Costi di esercizio:
Costo [€/ha]
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E - Analisi dati L’enorme mole di dati raccolti secondo le metodologie precedentemente approfonditi prendono il nome di Big Data, cioè un dataset così esteso in termini di volume, periodo e varietà da richiedere tecnologie e metodi analitici specifici per l’estrazione del valore. Questa è probabilmente la fase più complessa ed innovativa dell’agricoltura 4.0 poiché è proprio la possibilità di automatizzare la creazione di supporti decisionali a fare la differenza nell’ottimizzazione della gestione di una attività agricola. Le principali criticità con cui al momento ci si sta scontrando sono: -
L’allineamento dei dati Lo sviluppo di algoritmi efficienti non empirici La resa dell’elaborazione in forme di facile lettura La connessione fra le banche dati su scala inter-aziendale
I prodotti dell’elaborazione dati si possono presentare come: -
Mappe di prescrizione, cioè mappe che indicano gli input (dosaggi, profondità, ecc…) relativi a determinate aree Previsioni meteo a breve, medio e lungo termine Previsioni di mercato Bollettini di allerta
Al momento esistono programmi pc su scala aziendale, ma diverse nazioni si stanno muovendo per lo sviluppo di un sistema statale condiviso fra i cittadini agricoltori (vedi programma FarmStar francese).
Un esempio di mappa di prescrizione: i vari colori indicano diversi livelli di dosaggio (in questo caso un maggiore apporto di N corrisponde al rosso). Si noti come il terreno viene suddiviso secondo degli scaglioni ben precisi e non tramite sfumature. Ciò è dovuto alla necessità di rientrare nella gamma di dosaggi disponibili.
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F - Sistemi di geolocalizzazione Come visto precedentemente, l’agricoltura di precisione si basa sulla registrazione spazio-temporale dei dati. Ciò è reso possibile da diversi sistemi di geolocalizzazione (GNSS) che variano per precisione, costi e modalità operative. Ci si basa sul segnale GPS/GLONASS per una prima individuazione della posizione, poi corretta attraverso diversi sistemi di correzione. Analizziamo di seguito i principali attualmente in uso (2017):
Schema comparativo dei vari sistemi di correzione del segnale GNSS: (a partire da sinistra) autonomo cioè privo di correzione, OS VBS e RP RTX ormai in disuso poiché sostituiti dal gratuito EGNOS, Omnistar basati sul principio di EGNOS ma più precisi, RTX ed infine RTK ed RTK NET (o RTK CORS) cioè i più precisi.
1 - EGNOS – European geostationary navigation overlay system EGNOS, cioè il Sistema geostazionario europeo di navigazione con sovrapposizione è un progetto sviluppato dall’Unione Europea costituito da una rete di satelliti e basi terrestri per il miglioramento della ricezione del Sistema GPS. Le peculiarità di questo sistema sono: -
Compatibilità con gran parte dei ricevitori GNSS Possibilità di lavorare senza stazioni locali montate in campo o in azienda Migliore precisione rispetto al GPS (± 15-20 cm) Elevata reattività del segnale Servizio gratuito
Il funzionamento del sistema si basa su 40 stazioni dislocate in tutto il continente che ricevono il segnale dei 3 satelliti in orbita. I dati di posizione dei satelliti vengono analizzati e corretti da alterazioni dovute a disturbi atmosferici o elettromagnetici. Dopo di che vengono ri-inviati ai satelliti che vengono così ritarati e possono fornire agli utilizzatori finali la posizione esatta. Attualmente (2017) più del 25% delle trattrici agricole mondiali attuanti l’agricoltura di precisione utilizzano sistemi GNSS, ma le previsioni contano il raggiungimento del 50% entro il 2023.
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2 - OmniSTAR Omnistar è un’azienda privata del gruppo Trimble fornitrice di servizi per la localizzazione GNSS. Attualmente fornisce diversi livelli di precisione attraverso diversi servizi:
OmniSTAR XP -
Precisione ±12 cm Ideale per lavorazione del terreno o altre lavorazioni su appezzamenti estesi
OmniSTAR G2 -
Precisione simile a XP Segnale garantito h24 grazie all’integrazione fra satelliti GLONASS e GPS
OmniSTAR HP -
Precisione ±10 cm Ideale per semina e raccolta su grandi appezzamenti
Comparazione fra la disponibilità globale dei servizi OmniSTAR
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3 - RTX Si tratta di un sistema di correzione sviluppato da Trimble che sfrutta sia il principio dei satelliti corretti attraverso stazioni basate sul territorio, che la rete di telecomunicazione civile (UMTS ed LTE, utilizzati dai cellulari) per fornire una più rapida via di comunicazione dei dati di posizione, che si traduce in una maggiore reattività ed migliore precisione, che si attesta a ±4 cm.
Schema di funzionamento del sistema RTX: I satelliti GNSS localizzano la trattrice, i satelliti RTX correggono le loro informazioni di posizionamento che vengono poi trasmesse alla trattrice attraverso la rete mobile. La centralina della trattrice utilizza sia i dati GPS indicativi che quelli RTX per ottenere un’indicazione precisa della propria posizione
4 - RTK Il sistema di correzione RTK si basa sulle onde radio trasmessi fra una serie di stazioni poste entro i 15 km. Questo sistema è la vera rivoluzione per l’agricoltura di precisione poiché consente di raggiungere una precisione di ±2,5 cm utile per lavorazioni massima precisione come la semina e la raccolta. Il funzionamento si basa sull’acquisizione del segnale GPS, poi corretto con le informazioni derivanti dalla stazione RTK posta in campo o in sede aziendale.
Esempio di stazione RTK Claas posizionata in campo: il segnale può essere utilizzato da più mezzi contemporaneamente
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RTK Xfill Risulta però importante che non siano presenti ostacoli fra la stazione e la trattrice: per evitare tali problematiche Trimble ha sviluppato il sistema Xfill, che sostituisce momentaneamente il segnale RTK con l’RTX in caso di mancanza del primo.
Schema rappresentativo della tecnologia Xfill: in assenza di contatto diretto fra la stazione ed il mezzo entra in funzione il sistema Xfill per la copertura delle zone cieche.
RTK NET Detto anche RTK CORS, è un altro metodo sviluppato per compensare il limite dell’RTK o all’RTK NET cioè una tecnologia basata sulle celle di radiotelefonia mobile, che offrono comunque una precisione pari all’RTK standard.
Schema di funzionamento del sistema RTK NET: il satellite GPS localizza la posizione dei mezzi e la trasmette ad una stazione di ricezione (1); le celle di telefonia mobile localizzano i mezzi e trasmettono la posizione ai server (2); tutte le informazioni vengono inviate ai mezzi attraverso le celle di telefonia mobile (3); il terminale del mezzo elabora le informazioni per ottenere la propria posizione corretta (4)
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G - Dosaggio dinamico Una delle applicazioni più importanti dell’agricoltura di precisione risiede nella variazione dei parametri di dosaggio di seminatrici, spandiletame, botti spandiliquame, spandiconcime ed irroratrici. E’ necessaria una mappa di prescrizione elaborata sulla base dei dati raccolti, in seguito caricata sul terminale del mezzo adibito alla gestione del dosaggio. Il terminale si occuperà di variare la dose distribuita ed indicherà la traiettoria per eseguire la lavorazione. Il livello tecnologico dell’attrezzo influisce sull’efficienza nel realizzare la lavorazione secondo la mappa di prescrizione: più il macchinario è sensibile, cioè dispone di un gran numero di gamme di dosaggio intermedie ed ha più zone di distribuzione per differenziare le dosi nello spazio, più è efficiente nell’operazione.
Rappresentazione della differenza fra i vari livelli di sensibilità: il mezzo si trova in un punto del campo in cui ha già parzialmente concimato in un giro precedente (parte verde) è quindi necessario che spanda unicamente dove necessario (parte bianca), sono presenti diversi esempi di sensibilità (partendo dal fondo) il sistema a 128 parti segue perfettamente la linea di demarcazione, il 64 ed il 32 sono sostenibili, il 16 è accettabile, mentre il sistema a 8 parti si ritrova costretto a limitare unicamente metà dell’area di lavoro.
I vantaggi derivanti dall’utilizzo di questa tecnica sono: -
Risparmio del carburante per evitare passaggi inutili Riduzione del terreno calpestato Risparmio di concime, semi e prodotti fitosanitari Annullamento dei surplus di NPK e prodotti fitosanitari Annullamento sovrasemine Rese maggiori Rispetto dell’ambiente
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H - Mezzi senza conducenti a bordo L’agricoltura è in Italia uno dei settori più colpiti dalle morti bianche, spesso per inosservanza delle buone pratiche o per contesti di lavoro pericolosi. Si stanno sviluppando in questo senso mezzi radiocomandati a distanza per il lavoro in ambienti eroici o dissestati.
1 - Droni per l’irroramento Sono in commercio a prezzi accessibili alcuni droni dotati di cisterna e nebulizzatore in grado di svolgere interventi mirati nei filari in pendenza o in caso di elevata dispersione dei punti di intervento. Si tratta di mezzi a rateo variabile, in grado di rispondere alle mappe di prescrizione elaborate ed opportunamente modificati per sopportare la polvere, evitare ostacoli.
Il DJI Agrar MG-1S, uno dei droni agricoli più avanzati a livello tecnologico (a sinistra) ed un drone mono-rotore in azione nei vigneti californiani.
2 - Droni per il lancio di insetti utili La diffusione di pratiche compatibili alla lotta integrata come l’utilizzo di insetti utili ha trovato nei droni un valido alleato. Gli APR possono infatti sorvolare appezzamenti anche di grandi dimensioni e rilasciare biglie contenenti le uova degli insetti. Ne sono esempi i numerosi lanci di Trichogramma Brassicae per la lotta alla piralide nelle coltivazioni di mais. Ciò è reso possibile da un apposito scomparto montato sotto al drone e deputato al rilascio delle biglie ad intervalli preimpostati.
Un contenitore con le biglie contenenti le uova di Trichogramma (a sinistra) ed un drone provvisto del dispenser per il lancio degli insetti utili (a destra)
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3 - Rover cingolati Sono in costante diffusione mezzi cingolati radiocomandati a distanza che operano su terreni declivi. Questo tipo di mezzi trovano l’utilizzo sia nel mantenimento del verde pubblico che nel lavoro in alta quota. I rover sono infatti dotati di attacco polivalente che li rende compatibili con una moltitudine di applicazioni diverse.
Esempi di applicazioni diverse dei mezzi radiocomandati: (da sinistra in alto) atomizzatore, potatrice a dischi, trincia foresta, turbofresa per neve, trinciatrice, vibroscuotitore
Un rover al lavoro per la trinciatura di un bordo stradale in pendenza (a sinistra) ed uno attrezzato con un atomizzatore fra i filari di un vigneto (a destra)
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4 - Agro-Bots Sono in fase di sviluppo alcuni robot in grado di eseguire autonomamente lavorazioni che fino ad oggi erano prettamente deputate all’uomo. Questi mezzi si muovo autonomamente all’interno del campo sopra le file e si occupano di varie operazioni quali il diserbo meccanico mirato, la scansione dello stato di salute delle piante e l’irroramento di prodotti fitosanitari o concimi localizzato.
Agro-bots al lavoro (a sinistra) ed il sistema di rimozione meccanica delle infestanti (a destra)
Schema operativo di utilizzo degli agro-bots in campo: il bot scansiona l’appezzamento ed effettua fotografie multispettrali, un computer analizza le immagini e redige un piano d’azione da sottoporre all’agricoltore, il bot cambia l’equipaggiamento autonomamente in base alla strategia di lotta scelta e torna in campo per irrorare/rimuovere meccanicamente l’infestante.
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5 - Trattori a guida autonoma A fine agosto 2016 il gruppo CNH Agriculture ha presentato due concept di mezzi agricoli completamente autonomi. Si tratta di mezzi derivanti da trattori attualmente in commercio adattati con la tecnologia più avanzata attualmente disponibile nel campo dell’agricoltura di precisione.
NH Drive: il mezzo di New Holland sia a guida tradizionale che autonoma all’evenienza
Il primo concept, denominato NHDrive e derivante dal modello New Holland t8.410 Blue Power, si presenta come un normale trattore di alta potenza ed è proprio questa la sua particolarità: è possibile utilizzare il mezzo sia in modalità guida autonoma che tradizionalmente.
Case IH Magnum ASI: il trattore senza cabina completamente autonomo
Il secondo concept, denominato Magnum ASI e derivante dal miscuglio fra il modello Case IH Optum ed il vecchio Case IH Magnum, non presenta la cabina poiché unicamente dotato di guida autonoma.
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Le capacità di questi mezzi sono sorprendenti:
-
Guida autonoma dall’azienda al campo (solo su strade interpoderali private per il momento)
-
L’autonomia dei mezzi li rende capaci di lavorare anche h24
-
Sono connessi e controllabili ovunque
Riconoscimento degli ostacoli e del traffico aziendale Possibilità di guida parallela in campo Sono supportate tutte le lavorazioni del terreno, la semina, l’irrorazione, la concimazione ed il traino di rimorchi L’utilizzo dei bigdata permette di ottimizzare tutti i parametri (come visto nei precedenti capitoli) e prevedere il meteo
I benefici che ciò può apportare all’agricoltura sono:
-
Riduzione dell’affaticamento degli autisti
-
L’autista non è sottoposto a contatto con i prodotti fitosanitari durante la distribuzione
Rispetto delle tabelle di marcia: se necessario i mezzi lavorano senza sosta h24 per rispettare le migliori condizioni, come ad esempio se sono previsti temporali Completa implementazione delle mappe di prescrizione
Sono stati sviluppati apposti programmi per il controllo dei mezzi sia da casa che da smartphone (sopra); è possibile affiancare anche più di 4 mezzi in contemporanea nello stesso campo per il lavoro in serie (sotto)
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I - Allevamento Le tecniche precedentemente descritte si concentravano pressoché esclusivamente sulle coltivazioni erbacee ed arboree, ma l’agricoltura di precisione si sviluppa anche nel settore dell’allevamento e prende il nome di Precision Livestock Farming.
1 - Gestione della stalla Da diversi anni esistono sistemi autonomi di arieggiamento e regolazione della temperatura delle stalle, che funzionano tramite sonde termiche in grado di inviare segnali all’impianto di ventilazione e nebulizzazione della stalla.
Dei ventoloni montati al di sopra dei box in un allevamento bovino
2 - Robot di mungitura L’automatizzazione della mungitura consente un notevole risparmio di ore lavorative, la possibilità di raccogliere dati riguardanti la produzione e lo stato di salute degli animali, un ottimale livello di igiene ed una razione bonus personalizzata per l’animale.
Un robot di mungitura Lely astronaut in fase di mungitura di una bovina di razza Frisona
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3 - Robot di alimentazione Sono in fase di sperimentazione i primi sistemi completamente automatizzati per la razione mista: si tratta di impianti che di occupano in autonomia di prelevare dalle zone di stoccaggio il foraggio, di mixarlo ed in seguito distribuirlo.
Un robot di alimentazione Lely Vector al lavoro nella corsia di alimentazione di un allevamento bovino (a sinistra) ed il sistema di carico del foraggio (a destra)
4 - Collari per il rilevamento dei parametri biometrici dei bovini Il rilievo di informazioni all’interno dell’allevamento può avvenire anche attraverso appositi collari posizionati sul collo degli animali. Le principalità funzionalità che caratterizzano questi dispositivi sono la possibilità di conoscere l’entrata in calore della bovina, il numero di passi effettuati durante la stabulazione e la possibilità di limitare l’accesso a zone dell’azienda. Inoltre è importante che essi vengano utilizzati se nell’azienda è presente un robot di mungitura al fine di riconoscere l’animale.
Un esempio di collare Lely Qwes
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5 - Virtual Fencing Un’altra importante novità apportata con l’utilizzo dei collari smart è il Virtual Fencing, cioè la creazione di un limite oltre il quale gli animali al pascolo ricevono stimoli sonori ed elettrici che li invitano a tornare nell’area di pascolo. I limiti possono essere definiti semplicemente attraverso l’apposita applicazione per smartphone tramite una visione satellitare dell’appezzamento. Il collare indossato dall’animale è dotato di un ricevitore GPS che ne identifica la posizione e lo stimola in caso di oltrepasso del confine.
Schema di casistiche e relativi comportamenti del collare (sopra); Un altro metodo di virtual fencing è quello di sfruttare un pilone principale come punto centrale di pascolo, dal quale si estende un’area circolare oltre la quale vengono attivati gli stimoli (sotto).
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Ciò rappresenta un importante aiuto per gli allevatori che possono così evitare di spendere molto tempo nel modificare le cinte di pascolo. Inoltre il rispetto dei piani di pascolamento risulta di più facile gestione, poiché basterà accedere al proprio smartphone per estendere in pochi secondi la zona di pascolamento e consentire quindi un migliore pascolamento.
Durante le fasi di sperimentazione (sinistra) i collari risultavano piuttosto ingombranti, ma sono già in commercio collari di dimensioni ridotte.
Inoltre ciò permette, nel caso di un allevamento allo stato brado, di delimitare confini molto estesi ed intersezioni con strade o sentieri. Non bisogna inoltre sottovalutare i benefici, soprattutto in ambienti ad alta quota, derivanti dalla conoscenza esatta della posizione degli animali: i sistemi collegati agli smartphone ed ai pc avvisano immediatamente l’allevatore nel caso in cui l’animale venga rubato o attaccato dalla fauna selvatica, rendendo possibile un rapido recupero.
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6 - Come applicare l’agricoltura di precisione L’agricoltura di precisione può contribuire sensibilmente al miglioramento della sostenibilità ambientale ed economica delle aziende del settore primario, ma poiché questo sistema gestionale è ancora in fase di sviluppo e diffusione non tutti i mezzi risultano accessibili alle attività di medie-piccole dimensioni. Vediamo di seguito alcuni buoni esempi di applicazione del Precision Farming:
A - Sistema FarmStar francese Gli ottimi rapporti fra il settore agricolo e quello della ricerca, hanno dato alla luce nel 2001 al progetto FarmStar. Si tratta di un pacchetto di servizi agronomici erogati dalla collaborazione fra AirBus (azienda aerospaziale), Arvalis (istituto di ricerca agrotecnico) e Terres Inovia (Istituto di ricerca agronomica specializzato sulle colture da olio, tessuto e proteiche). A fronte di un pagamento annuale, gli agricoltori possono godere di un’assistenza agronomica totale che prevede: -
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Campionamenti e rilevamento indici vegetativi Analisi dati Redazione di mappe di prescrizione personalizzate in base al parco macchine. Se non si dispone di attrezzatura a rateo variabile le mappe di prescrizione vengono infatti semplificate in modo da essere facilmente applicate manualmente dall’autista del mezzo Agrometereologia Avvisi preventivi in caso di predisposizioni climatiche a determinate malattie Assistenza tecnica in campo
Al momento sono supportate solamente 4 colture (grano, orzo, colza e triticale), ma sono previste implementazioni per il futuro riguardanti altre coltivazioni come il mais e le colture foraggere. Inoltre l’azienda, attualmente operante solo in Francia, intende espandersi nei prossimi anni a livello internazionale diventando una valida opzione per il territorio cuneese oltrefrontiera. I risultati ottenuti negli ultimi anni dimostrano un risparmio medio di 37€/ha per anno attraverso l’agricoltura di precisione, un risparmio di circa 15 kg/ha di azoto ed un aumento dello 0,4% delle proteine nel frumento. Inoltre ciò dà accesso a parte dei fondi predisposti nella Politica Agricola Comune.
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B - La figura dell’agricoltore Questa nuova ondata rivoluzionaria definisce ancora una volta la figura dell’agricoltore: un lavoratore che tutela le tradizioni ed ora più che mai deve essere istruito tecnicamente sul suo settore. Se lo stereotipo del contadino prevedeva una zappa in mano e le mani sporche di terra, oggi è necessario che oltre a sporcarsi le mani, l’imprenditore agricolo sappia anche leggere grafici, interpretare i dati raccolti e prendere decisioni agronomiche di alto rilievo, tutelando ambiente e tradizioni.
Un agricoltore che consulta una mappa di prescrizione sul proprio laptop
C - L’apporto delle multinazionali La GDO e le grandi multinazionali agroalimentari hanno un ruolo importante nello sviluppo dell’agricoltura di precisione. Ne è un esempio la Barilla, che sta progettando un sistema di supporto ai suoi fornitori di materie prime per aumentare la loro resa. Il frumento duro infatti è molto poco coltivato a livello mondiale e le ambizioni di espansione dell’azienda richiedono una produzione ancora maggiore del cereale, per questo la via dell’agricoltura di precisione rappresenta la via per coniugare l’immagine dell’azienda nei confronti della sostenibilità ed al contempo aumentare la produzione.
D - La figura del contoterzista Il contoterzismo è un’attività caratterizzante del sistema agricolo italiano: rappresenta un modo per l’abbattimento dei costi per chi punta alla qualità e non alla quantità, un ottimo mercato per la meccanizzazione agraria ed anche una delle punte di diamante per promuovere il Precision Farming. La necessità di rinnovo del parco macchine e la ricerca dell’abbattimento dei costi sprona infatti i contoterzisti ad adottare nuove tecnologie. Il problema però è quanto il cliente abbia bisogno di ciò. Sono diffusi i casi in cui le mappe di produzione redatte in modo automatico dalle mietitrebbie risultino inutili nelle mani di un cliente poco interessato o non istruito alla lettura. E’ quindi necessario che siano direttamente gli agricoltori a richiedere ai terzisti l’innovazione per diffondere l’agricoltura di precisione. Un drone infatti ha un costo pressoché abbordabile (varia dai 10000 ai 50000€ in base alle funzionalità installate) ed un suo utilizzo condiviso contribuirebbe ad un abbattimento notevole dei costi di reintegrazione. 47
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7 - Prospettive per il futuro – Smart farms L’agricoltura di precisione di avvicina a quello che potrebbe un possibile futuro: la smart farm.
Rappresentazione della SMART farm
Si tratta di un’azienda di una qualsiasi dimensione che presenta le seguenti caratteristiche: -
Il volo di un drone e numerose stazioni raccolgono i dati necessari al tracciamento del profilo aziendale aggiornato giorno dopo giorno I collari smart degli animali forniscono le informazioni al servizio cloud aziendale I dati vengono analizzati da computer che li trasformano in supporti decisionali per l’agricoltore Una flotta di agri-bots si occupa della rimozione meccanica delle erbe infestanti e dei trattamenti mirati Uno o più trattori autonomi si occupano delle lavorazioni “pesanti” La stalla si autogestisce tramite robot di mungitura, di alimentazione e virtual fencing L’energia necessaria al sostentamento dei mezzi e dell’infrastruttura viene prodotta da fonti di energia rinnovabili, come i pannelli solari sugli edifici e pale eoliche.
Probabilmente tutto ciò non sarà ancora disponibile fra pochi anni, ma ciò che l’agricoltura di precisione sta proponendo al settore agricolo ci fa confidare in un futuro sostenibile ed innovativo, dove la difesa delle tradizioni passa proprio dalla tecnologia. 48
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8 - Conclusioni L’indubbio apporto positivo dell’agricoltura di precisione sta cambiando e cambierà radicalmente il settore primario. Ciò che si propone all’intera umanità non è una nuova crisi del lavoro, come avvenuto per l’arrivo dell’automazione in fabbrica, ma un modo per dare la possibilità di rispettare le richieste della crescente popolazione mondiale, rispettando l’ambiente e migliorando la qualità dei prodotti agroalimentari. La figura del contadino non è destinata a scomparire, ma ad evolversi e diventare un vero e proprio esperto del proprio lavoro, facendo da ponte fra tradizione ed innovazione. Personalmente credo molto in questo nuovo stage dell’agricoltura che potrà sia aumentare la produzione globale, ma anche tutelare quelle specialità tipicamente italiane che potrebbero scomparire a causa dei costi di produzione troppo elevati per il mercato.
Per questo motivo l’avvento dell’agricoltura 4.0 segna definitivamente la fine della scusa “abbiamo sempre fatto così”
Nicolò Barbano Cuneo, Giugno 2017 Tesi di Maturità Istituto di Istruzione Superiore “Virginio-Donadio”
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9 - Bibliografia e fonti Immagini Trattrice a testa calda Landini – Wikimedia Flotta di mietitrebbiatrici Claas Mega – Claas Esempio di elaborazione dati - Claas Trattrice provvista di arco di protezione – Branson Lampeggiante per mezzi agricoli - Grillo Connettore ISOBUS – Agricultural Industry Electronics Foundation Situazione senza ISOBUS – Web Esempio di terminali in cabina – Claas Schema ISOBUS cantiere di semina – EPEC Sensore ottico traiettoria – Claas Trattore con distanziali – Rusty1 – Forum www.thecombineforum.com Esempio di carreggiata – Claas Lavorazione Strip Till – Il Nuovo Agricoltore Sistema Vario Grip e comparazioni – Fendt Sistemi di telemetria – Claas
Fonti bibliografiche e web Convegno Agricoltura 4.0 – Prof. Amedeo Reyneri [DISAFA] – Candiolo (TO) 04/05/2017 ISOBUS: vantaggi per utilizzatori e costruttori di macchine agricole – www.agronotizie.imagelinenetwork.com Su ISOBUS – www.aef-online.org Linee guida sull’Agricoltura di precisione – Ministero delle Politiche Agricole Alimentari e Forestali Sistemi di guida automatica – www.claas.it La rivoluzione industriale in Inghilterra – Wikipedia 1000 trattori – Udo Paulitz – Giunti Editore 2008 Sostanza organica del suolo, un’eredità dei nostri nonni – Graziano Alderighi 15/11/2003 www.teatronaturale.it Controlled Traffic Farming Alberta – www.controlledtrafficfarming.org Traffico controllato, perché riabilitarlo – www.novagricoltura.com Con il traffico controllato si riduce il compattamento – Roberto Bartolini – www.ilnuovoagricoltore.it 14/09/2016 Sistema Vario Grip e comparazioni – www.fendt.it Antifurto – www.antifurtotrattore.com Telemetria – www.claas.it
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Rilevamento pedologico tramite l’utilizzo di sensori basati sull’EMI – Simone Priori Strumentazioni per il rilevamento EMI – www.geonics.com Attrezzi per il rilevamento EMI da trattrice – www.geoprospectors.com NDVI – Wikipedia RGB; NDVI; GNDVI; NDRE – www.aerialagimagery.com Droni per l’agricoltura di precisione – www.dronebee.it Sentinel 2 (programma Copernicus) – www.esa.int Satelliti, droni e sensori prossimali – Prof. Raffaele Casa – Fieragricola di Verona 04/02/2016 Correction services for Agriculture Applications – www.agriculture.trimble.com Agricoltura di precision PLM – www.agriculture1.newholland.com Segnali di correzione disponibili – www.claas.it Egnos for agriculture – www.egnos-portal.gsa.europa.eu Virtual Fencing – eShepherd Agro-bots – www.agriseek.com BoniRob – www.deepfield-robotics.com Trattore a guida autonoma – www.repubblica.it NHDrive – www.newholland.com Progetto FarmStar – www.farmstar.conseil.fr Agricoltura di precisione, i casi di Barilla e Antinori – www.foodweb.it
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