IoT-For-Beginners/translations/ru/2-farm/lessons/1-predict-plant-growth

Прогнозирование роста растений с помощью IoT

Скетчноут от Nitya Narasimhan. Нажмите на изображение, чтобы увидеть его в большем размере.

Викторина перед лекцией

Викторина перед лекцией

Введение

Для роста растений необходимы определенные условия — вода, углекислый газ, питательные вещества, свет и тепло. В этом уроке вы узнаете, как рассчитать скорость роста и созревания растений, измеряя температуру воздуха.

В этом уроке мы рассмотрим:

• Цифровое сельское хозяйство
• Почему температура важна в сельском хозяйстве?
• Измерение температуры окружающей среды
• Сумма активных температур (GDD)
• Расчет GDD с использованием данных температурного датчика

Цифровое сельское хозяйство

Цифровое сельское хозяйство меняет подход к фермерству, используя инструменты для сбора, хранения и анализа данных. Мы живем в эпоху, которую Всемирный экономический форум называет "Четвертой промышленной революцией", а развитие цифрового сельского хозяйства называют "Четвертой сельскохозяйственной революцией" или "Сельское хозяйство 4.0".

🎓 Термин "Цифровое сельское хозяйство" также охватывает всю "цепочку ценности сельского хозяйства", то есть весь путь от фермы до стола. Это включает контроль качества продукции при транспортировке и переработке, системы складирования и электронной коммерции, а также приложения для аренды тракторов!

Эти изменения позволяют фермерам увеличивать урожайность, использовать меньше удобрений и пестицидов, а также более эффективно расходовать воду. Хотя такие технологии в основном используются в богатых странах, стоимость датчиков и других устройств постепенно снижается, что делает их более доступными для развивающихся стран.

Некоторые методы, которые стали возможны благодаря цифровому сельскому хозяйству:

• Измерение температуры — позволяет фермерам прогнозировать рост и созревание растений.
• Автоматический полив — измерение влажности почвы и включение систем орошения только тогда, когда почва слишком сухая, вместо полива по расписанию. Полив по расписанию может привести к недостаточному увлажнению в жаркую и сухую погоду или к избыточному поливу во время дождей. Поливая только тогда, когда это необходимо, фермеры могут оптимизировать использование воды.
• Контроль вредителей — фермеры могут использовать камеры на автоматизированных роботах или дронах для проверки на наличие вредителей, а затем применять пестициды только там, где это необходимо, уменьшая их использование и снижая загрязнение местных водоемов.

✅ Проведите исследование. Какие еще методы используются для повышения урожайности?

🎓 Термин "Точное сельское хозяйство" описывает наблюдение, измерение и реагирование на состояние посевов на уровне отдельных полей или даже их частей. Это включает измерение уровня воды, питательных веществ и вредителей и точное реагирование, например, полив только небольшой части поля.

Почему температура важна в сельском хозяйстве?

Изучая растения, большинство студентов узнают о необходимости воды, света, углекислого газа и питательных веществ. Но растениям также нужно тепло для роста — именно поэтому они начинают цвести весной, когда температура повышается, почему подснежники или нарциссы могут зацвести рано из-за кратковременного потепления, и почему теплицы так эффективны для выращивания растений.

🎓 Теплицы и оранжереи выполняют схожие функции, но с важным отличием. Оранжереи обогреваются искусственно, что позволяет фермерам более точно контролировать температуру, тогда как теплицы полагаются на солнечное тепло, и контроль обычно ограничивается окнами или другими отверстиями для выпуска тепла.

У растений есть базовая или минимальная температура, оптимальная температура и максимальная температура, все они основаны на среднесуточной температуре.

• Базовая температура — минимальная среднесуточная температура, необходимая для роста растения.
• Оптимальная температура — лучшая среднесуточная температура для максимального роста.
• Максимальная температура — максимальная температура, которую растение может выдержать. При превышении этого значения растение прекращает рост, чтобы сохранить воду и выжить.

💁 Это средние температуры, усредненные за день и ночь. Растениям также нужны разные температуры днем и ночью, чтобы более эффективно фотосинтезировать и экономить энергию ночью.

Каждый вид растений имеет свои значения базовой, оптимальной и максимальной температуры. Именно поэтому одни растения процветают в жарких странах, а другие — в холодных.

✅ Проведите исследование. Для любых растений в вашем саду, школе или местном парке попробуйте найти их базовую температуру.

На графике выше показана примерная зависимость скорости роста от температуры. До достижения базовой температуры роста нет. Скорость роста увеличивается до оптимальной температуры, а затем падает после достижения пика.

Форма этого графика варьируется от одного вида растений к другому. У некоторых растений резкое снижение после оптимума, у других — более плавное увеличение от базовой температуры до оптимальной.

💁 Чтобы добиться наилучшего роста, фермеру нужно знать три температурных значения и понимать форму графика для выращиваемых растений.

Если фермер может контролировать температуру, например, в коммерческой оранжерее, то он может оптимизировать условия для своих растений. Например, в коммерческой оранжерее для выращивания томатов температура днем устанавливается около 25°C, а ночью — около 20°C для достижения наибольшей скорости роста.

🍅 Сочетание этих температур с искусственным освещением, удобрениями и контролируемым уровнем CO Этот код открывает CSV-файл, затем добавляет новую строку в конец. Строка содержит текущую дату и время, отформатированные в удобочитаемом виде, а также температуру, полученную от IoT-устройства. Данные сохраняются в формате ISO 8601 с указанием часового пояса, но без микросекунд.

1. Запустите этот код так же, как и раньше, убедившись, что ваше IoT-устройство отправляет данные. В той же папке будет создан CSV-файл с именем temperature.csv. Если вы откроете его, то увидите даты/времена и измерения температуры:

   date,temperature
   2021-04-19T17:21:36-07:00,25
   2021-04-19T17:31:36-07:00,24
   2021-04-19T17:41:36-07:00,25
   

2. Запустите этот код на некоторое время, чтобы собрать данные. В идеале, его следует запускать в течение целого дня, чтобы собрать достаточно данных для расчета GDD.

💁 Если вы используете виртуальное IoT-устройство, выберите случайный флажок и установите диапазон, чтобы избежать получения одинаковой температуры каждый раз, когда возвращается значение температуры.

> 💁 Если вы хотите запускать это в течение целого дня, убедитесь, что компьютер, на котором работает ваш серверный код, не перейдет в спящий режим. Для этого можно изменить настройки питания или использовать что-то вроде [этого Python-скрипта для поддержания активности системы](https://github.com/jaqsparow/keep-system-active).

💁 Вы можете найти этот код в папке code-server/temperature-sensor-server.

Задача - рассчитать GDD, используя сохраненные данные

После того как сервер собрал данные о температуре, можно рассчитать GDD для растения.

Шаги для выполнения этого вручную:

1. Найдите базовую температуру для растения. Например, для клубники базовая температура составляет 10°C.

2. В файле temperature.csv найдите максимальную и минимальную температуры за день.

3. Используйте формулу расчета GDD, приведенную ранее, чтобы вычислить GDD.

Например, если максимальная температура за день составляет 25°C, а минимальная — 12°C:

• 25 + 12 = 37
• 37 / 2 = 18.5
• 18.5 - 10 = 8.5

Таким образом, клубника получила 8.5 GDD. Клубнике требуется около 250 GDD, чтобы начать плодоносить, так что еще нужно подождать.

---

🚀 Вызов

Растениям нужно больше, чем тепло, чтобы расти. Какие еще факторы необходимы?

Для этих факторов найдите, существуют ли датчики, которые могут их измерять. А как насчет актуаторов для управления этими уровнями? Как бы вы собрали одно или несколько IoT-устройств для оптимизации роста растений?

Викторина после лекции

Викторина после лекции

Обзор и самостоятельное изучение

• Узнайте больше о цифровом сельском хозяйстве на странице Википедии о цифровом сельском хозяйстве. Также прочитайте о точном земледелии на странице Википедии о точном земледелии.
• Полный расчет дней роста (Growing Degree Days) более сложный, чем упрощенный, приведенный здесь. Узнайте больше о более сложной формуле и о том, как учитывать температуры ниже базовой линии, на странице Википедии о днях роста.
• В будущем еда может стать дефицитом, если мы будем использовать те же методы земледелия. Узнайте больше о высокотехнологичных методах фермерства в этом видео о фермах будущего на YouTube.

Задание

Визуализируйте данные GDD с помощью Jupyter Notebook

---

Отказ от ответственности:
Этот документ был переведен с помощью сервиса автоматического перевода Co-op Translator. Хотя мы стремимся к точности, пожалуйста, учитывайте, что автоматические переводы могут содержать ошибки или неточности. Оригинальный документ на его исходном языке следует считать авторитетным источником. Для получения критически важной информации рекомендуется профессиональный перевод человеком. Мы не несем ответственности за любые недоразумения или неправильные интерпретации, возникшие в результате использования данного перевода.