Progettazione di un sistema di irrigazione intelligente efficiente: caratteristiche principali e strategie per il successo

Sapete che ben il 70% di utilizzo dell'acqua a livello mondiale è usato per l'irrigazione? Purtroppo, è qui che si verifica anche la maggior parte degli sprechi idrici, con circa il 60% dell'acqua di irrigazione persa a causa dell'evapotraspirazione, del ruscellamento del terreno e di metodi di utilizzo inefficienti. Data la crescita della popolazione mondiale e la diminuzione delle risorse di acqua dolce, è necessario intervenire con urgenza per migliorare le modalità di raccolta, utilizzo e stoccaggio dell'acqua su scala globale. Ciò evidenzia la necessità critica di gestire le nostre risorse in modo più intelligente ed efficiente, soprattutto nei settori emergenti guidati da Internet delle cose (IoT). Oggi esploreremo il regno dell'irrigazione intelligente e come questa possa svolgere un ruolo significativo nell'alleviare i crescenti livelli di stress idrico che interessano tutto il pianeta.

Figura 1. Sistema di irrigazione sprinkler. (Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

In questo post esploreremo i fattori chiave che determinano il mercato dell'irrigazione intelligente, identificheremo le sfide specifiche da affrontare e presenteremo Radiocrafts Industrial IP Mesh (RIIM), una soluzione promettente per i sistemi di irrigazione intelligente.

Quali sono i fattori trainanti nel mercato dell'irrigazione intelligente?

La richiesta di sistemi ecocompatibili e di una gestione sostenibile delle risorse è diventata una forza trainante nel mercato dell'irrigazione intelligente. C'è una crescente necessità di sviluppare architetture efficienti e responsabili dal punto di vista ambientale, che riducano al minimo la nostra impronta ecologica. Inoltre, viene sempre più richiesto di raggiungere questi obiettivi in modo economicamente vantaggioso, per rendere lo sviluppo di queste infrastrutture più accessibile e fattibile.

L'irrigazione intelligente ha l'incredibile capacità di consentire lo sviluppo di sistemi di irrigazione e di produzione alimentare in luoghi precedentemente inospitali, compresi quelli desertici. Potrebbe essere controintuitivo, ma con l'irrigazione intelligente possiamo rivoluzionare il nostro modo di vedere i deserti: non più come terre desolate e sterili, ma come terreni fertili per la produzione di cibo. Questa tecnologia può trasformare i paesaggi aridi in paradisi lussureggianti di produzione alimentare, consentendoci di soddisfare la crescente domanda di cibo da parte di una popolazione mondiale che continua ad aumentare. Inoltre, l'irrigazione intelligente è particolarmente importante nelle regioni impoverite, come quella sahariana in Africa, dove la produzione alimentare locale può svolgere un ruolo vitale per sfamare la popolazione e migliorare la sicurezza alimentare.

Figura 2. Agricoltura avanzata in ambienti desertici. (Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

Tuttavia, il mercato dell'irrigazione intelligente deve affrontare alcune difficoltà, come le limitazioni nell'accesso all'acqua, la disponibilità di terreni coltivabili e di manodopera adeguata per gestire in modo efficace il sistema di irrigazione.

Quali sono i problemi specifici da risolvere nell'irrigazione intelligente?

La costruzione di un sistema di irrigazione intelligente efficiente presenta diverse sfide di comunicazione wireless. Fra i requisiti principali vi sono:

• Connettività affidabile: garantire una bassa perdita di pacchetti e raggiungere un'elevata velocità di ricezione dei pacchetti del 99,99% per assicurare una comunicazione robusta e affidabile.
• Bassa latenza: raggiungere una bassa latenza di circa 10 ms per le applicazioni in tempo reale in cui i ritardi sono inaccettabili, tenendo conto anche delle applicazioni che possono tollerare ritardi leggermente maggiori, ad esempio in processi a movimento lento come quelli di monitoraggio e supervisione della manutenzione.
• Portata e copertura sufficienti: fornire un'estesa portata e copertura in ambienti rurali ampi e semi-aperti, per garantire una connettività ininterrotta nell'intero sistema di irrigazione.
• Comunicazione bidirezionale: consentire la comunicazione bidirezionale per raccogliere i dati non solo dai sensori ma anche da dispositivi di controllo come le valvole, consentendo il funzionamento e il controllo a distanza del sistema di irrigazione.
• Implementazione semplice: garantire un'implementazione semplice, soprattutto in ambienti difficili come i deserti, dove il sistema deve resistere a condizioni estreme.
• Elevata affidabilità: assicurare una lunga durata delle batterie per un funzionamento affidabile e ridurre la necessità di sostituirle spesso in luoghi remoti.
• Installazione semplice: facilitare l'installazione senza dover aggiungere altri cavi di alimentazione, semplificando l'installazione del sistema in vari luoghi.
• Aggiornamenti via etere (OTA): consentire aggiornamenti OTA del firmware per permettere aggiornamenti touchless, soprattutto in luoghi remoti e difficili da raggiungere, dove l'accesso fisico potrebbe essere problematico.

Affrontare queste sfide di comunicazione wireless è fondamentale se si vuole sviluppare un sistema di irrigazione intelligente, robusto ed efficiente, in grado di funzionare in modo affidabile in ambienti diversi e di ottimizzare efficacemente l'uso dell'acqua per le esigenze dell'agricoltura.

Figura 3. Monitoraggio dei dati dei sensori. (Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

La soluzione con rete a maglie a lungo raggio di Radiocrafts come soluzione efficiente per i sistemi di irrigazione intelligente

La soluzione RIIM (Radiocrafts Industrial IP Mesh) di Radiocrafts è un modulo per reti a maglie Industrial IoT totalmente embedded dotato di tutti i componenti essenziali per una rete wireless completa, senza costi di licenza o di abbonamento. Quando si acquista il modulo RIIM, si ottiene una soluzione pronta all'uso per il proprio sistema di irrigazione intelligente. Inoltre, l'architettura della rete a maglie di RIIM le consente di formarsi, ripararsi e ottimizzarsi da sola, semplificando quindi moltissimo l'installazione e l'implementazione del sistema di irrigazione intelligente.

(Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

RIIM di Radiocrafts offre un'ottima copertura di circa 80 x 80 km² in un ambiente rurale semi-aperto. Supporta distanze fino a 1400 metri tra i dispositivi e può distribuire i dati attraverso la rete collegandoli da un dispositivo all'altro fino a 28 volte (28 salti di rete a maglie). RIIM può anche accogliere fino a 1000 nodi per un singolo router di confine (gateway), cosa che aiuta a ridurre i costi di installazione dal momento che sono richiesti meno gateway per distribuzioni su larga scala. Inoltre, per coprire un'area ancora più ampia, è possibile aggiungere facilmente un altro router di confine.

Una delle caratteristiche particolari di RIIM è il suo framework ICI (Intelligent C-Programmable I/O), che consente di personalizzare il comportamento del modulo in funzione dei requisiti specifici di ciascun cliente. L'applicazione ICI è sempre in esecuzione nel modulo e consente di configurare la rete radio, le interfacce hardware e le operazioni di lettura/scrittura su queste interfacce. Ciò significa che è possibile interfacciarsi direttamente con un'ampia serie di sensori e attuatori, come quelli di umidità del suolo, UV, di pioggia/gelo, del vento, i controlli delle valvole dell'acqua e altri ancora, senza che sia richiesto un circuito esterno.

RIIM supporta inoltre il mist computing, che riduce i requisiti di larghezza di banda e permette di rispondere rapidamente a eventi locali. Ne conseguono un'efficiente elaborazione dei dati e un processo decisionale sull'edge, riducendo al minimo la necessità di trasmettere i dati al cloud e consentendo azioni in tempo reale basate sui dati dei sensori locali. Il framework ICI e le capacità di mist computing di RIIM ne fanno una soluzione potente e flessibile per sistemi di irrigazione intelligente, dalle prestazioni affidabili e dai costi contenuti.

Figura 4. Framework ICI di Radiocrafts. (Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

Fra i vantaggi fondamentali di RIIM vi è il suo supporto di comunicazioni simmetriche bidirezionali, un fattore cruciale per il controllo delle valvole in sistemi di irrigazione intelligente. Diversamente da molte altre soluzioni di connettività IoT che si concentrano sulla comunicazione unidirezionale dei dati dei sensori, RIIM è stato progettato per gestire sia la comunicazione uplink che quella downlink. Ciò significa che, oltre a raccogliere le letture dei sensori, RIIM può anche controllare in modo efficace dispositivi come le valvole, che richiedono una comunicazione downlink. Questo fa di RIIM una soluzione totalmente simmetrica, che permette una comunicazione continua in entrambe le direzioni.

È particolarmente importante per i sistemi di irrigazione intelligente, dove il controllo delle valvole svolge un ruolo cruciale nella gestione del flusso d'acqua e nell'ottimizzazione dei programmi di irrigazione. Molte delle più diffuse tecnologie LPWAN (connettività di rete WAN a bassa potenza) hanno difficoltà a gestire una comunicazione downlink scalabile, ma RIIM è stato creato appositamente per gestire questo requisito in modo efficiente. Mentre molte altre soluzioni LPWAN possono impiegare circa 1 minuto o più per aprire e chiudere una valvola, RIIM può farlo in un paio di secondi. Con RIIM è possibile gestire con sicurezza sia la raccolta dei dati dei sensori che il controllo dei dispositivi, a dimostrazione che si tratta di una soluzione completa e affidabile per applicazioni di irrigazione intelligente.

Figura 5. Controllo delle valvole. (Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

Inoltre, l'approccio di comunicazione completamente simmetrica di RIIM permette aggiornamenti via etere (OTA). Ciò significa che è possibile aggiornare il firmware ICI definito dall'utente anche quando la rete è installata e pienamente operativa, per la perfetta integrazione di nuovi sensori o controller, se necessario. Questo è particolarmente utile nei sistemi di irrigazione intelligente dove potrebbe essere difficile accedere a molte posizioni, che potrebbero essere in funzione per lunghi periodi di tempo. Gli aggiornamenti OTA del firmware assicurano che il sistema sia sempre aggiornato senza interromperne il funzionamento e offrono un modo comodo ed efficiente per aggiungere nuove funzionalità o migliorare le prestazioni.

RIIM è famoso anche per la sua eccezionale affidabilità, grazie al supporto del collegamento a salto di canale sincronizzato (TSCH). TSCH è una tecnica di rete a maglie studiata per ridurre al minimo la collisione dei pacchetti e incrementare l'affidabilità complessiva della rete. È stato infatti dimostrato che le reti basate su TSCH raggiungono livelli di affidabilità fino al 99,99%, il che fa di RIIM una soluzione robusta e affidabile per le applicazioni di irrigazione intelligente.

RIIM dà inoltre la priorità alla sicurezza. È dotato di crittografia tramite una chiave pre-condivisa e supporta la sicurezza end-to-end DTLS, per garantire la protezione del sistema di irrigazione intelligente da potenziali hacker. RIIM garantisce tranquillità e fiducia nell'integrità del sistema di irrigazione intelligente e la sicurezza che i suoi dati e i processi di irrigazione siano al sicuro.

Figura 6. Sensore del vento. (Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

RIIM è stato studiato appositamente per operare con bassi consumi ed è pertanto ideale per progetti di lunga durata che si affidano alle batterie. Ad esempio, RIIM supporta una durata della batteria di 7 anni con solo 2 batterie stilo (AA). Come? Incorporando varie funzioni che interagiscono per ridurre al minimo il consumo energetico, tra cui:

• Componenti elettronici a basso consumo energetico: RIIM utilizza componenti elettronici ad alta efficienza energetica, assicurando un consumo energetico complessivo ridotto al minimo fin dall'inizio.
• Modalità di sospensione per nodi foglia della rete: RIIM consente di mettere i nodi foglia della rete in una modalità di sospensione a basso consumo, riducendo il consumo di corrente a soli 4,7 uA, il che contribuisce a prolungare la durata della batteria.
• Potenza di uscita configurabile: la potenza di uscita del modulo può essere regolata, evitando di consumare inutilmente energia durante le operazioni di trasmissione e garantendo che venga utilizzata solo quella necessaria.
• Salto di canale sincronizzato (TSCH): RIIM utilizza TSCH, che consente ai router della rete a maglie di entrare in modalità di sospensione quando non ci sono slot temporali per pacchetti di dati RF in entrata o in uscita, risparmiando ulteriormente energia.
• Elaborazione dati con ICI: RIIM supporta l'elaborazione dati tramite il firmware ICI definito dall'utente, che può ridurre in modo significativo il consumo energetico. Ciò consente il cloud computing, dove al cloud vengono inviati solo i dati rilevanti, come gli allarmi attivati dal superamento delle soglie, riducendo al minimo il trasferimento dei dati non necessari e preservando energia.

La straordinaria durata della batteria fa di RIIM una scelta eccellente per i progetti che richiedono un funzionamento a lungo termine e a basso consumo senza frequenti sostituzioni della batteria.

Che insegnamento trarne?

Mentre la popolazione mondiale continua a crescere a un ritmo senza precedenti, le nostre risorse limitate, in particolare le fonti d'acqua naturali, stanno diventando sempre più scarse. Questa pressante realtà sottolinea l'urgenza di utilizzare le nostre limitate risorse nel modo più efficiente possibile. Internet delle cose (IoT), nonostante sia un concetto relativamente nuovo, ha fatto notevoli passi avanti verso questo obiettivo. Un settore in cui il settore IoT ha contribuito in modo significativo a massimizzare l'efficienza e a rispettare l'ambiente è quello dell'irrigazione intelligente. Per creare un sistema di irrigazione intelligente efficace è necessario soddisfare diversi requisiti, fra cui moduli RF a lungo raggio, copertura estesa, comunicazione bidirezionale e basso consumo energetico. La soluzione Radiocrafts Industrial IP Mesh eccelle nel soddisfare tutti questi requisiti e altri ancora, per cui risulta ideale per l'irrigazione intelligente. Sfruttando la potenza di IoT, possiamo fare passi da gigante verso l'uso e la conservazione sostenibili dell'acqua, contribuendo a un futuro più ecologico ed efficiente.