Farm management information system of agricultural equipment

Abstract

Agriculture is a very complex system, where various factors affect crops and the final outcome of yields, costs and profit for the farmer. Up until now, farmers used to rely on their experience for their farms’ management. However, this process is about to change as it is required of the food production sector to increase its production by up to 70% in the coming decades in order to meet the future nutritional needs of the world's population, which is projected to increase to 9.6 billion by 2050. Additionally, climate change, competition for land use, soil degradation and the need to reduce negative environmental impacts will put additional pressure on agricultural production and food supply. In this regard, the adoption of Precision Agriculture technologies, which are related to the more efficient application of inputs (seeds, fertilizers, chemicals, water, fuel, and labour), the increased speed of work, the reduction of environmental impacts, as well as the better yields and quality of agricultural products is a one-way street. Today, technological innovations in agricultural tractor performance monitoring systems allow their status and data to be retrieved via the ISOBUS protocol (International Organization for Standardization, 1997) and provide useful information to optimize operations. Combined with the Global Navigation Satellite System (GNSS), they provide improved farm and operations management through the use of extensive databases to support decisions. Additionally, we are in the middle of the 4th Industrial Revolution (Industry 4.0 – IR4), where modern smart technologies are being developed and used in various sectors, including agriculture. Through these technologies, on-the-go sensors mounted on agricultural machinery and IoT field sensors provide detailed information about soil, crops and environmental conditions. Through existing technologies, today's farmers have many solutions at their disposal, but they cannot define the exact conditions of their crops, being confused by the plethora of information from uncooperative sources provided by various tools. Although this situation seems to be a result of rapid technological development of recent years, the need for data collection and data categorisation of farms was already foreseen. In 1976, the first Farm Management Information System (FMIS) was created and used by 10,000 Canadian farmers to record and plan agricultural operations, while the first FMIS with integrated decision support algorithms was presented in 1986. Between 2000 and 2015, the huge development in computers and the introduction of smartphones in everyday life led to the creation of many FMISs with an economic and technical orientation, while from 2015 until today, free access to high resolution satellite data has helped towards the creation of several FMIS that can produce crop condition maps (e.g. robustness - NDVI) as well as variable rate maps (e.g. fertilization). Regardless, 47 years after the first appearance and the assessment of FMIS, the fact is that the progress of FMISs has not kept pace with the overall technological development. Thus, no FMIS is capable of fully assisting farmers in every day operations. In this context, the aim of this thesis was to study the existing knowledge about FMIS and to develop ideas and applications that can complement the existing systems and meet the demands of farmers. Through this study, the current situation was analysed, future prospects were investigated and farmers’ needs were identified. The aforementioned points led to the design and implementation of an innovative Farm Machinery Management Information System (Farm Machinery Management Information System - FMMIS), which aims to cover every aspect of a farm's operations, at the level of decision support, techno-economic analysis, and visualization/analysis of data, able to offer complete automation or assistance on various operations. FMMIS was tested and validated for its effectiveness in three different use cases. The first case was the spatial analysis of tractor–implement draft forces for the reduction of fuel consumption and increase of tillage efficiency, the second was the creation of an autonomous vehicle for agricultural operations at orchards and vineyards, while the third was the design and creation of a low-cost precision agriculture Internet-of-Things (IoT) system. Current conditions in Greece factored greatly in the implementation of all use cases. As a result, all the implemented features of the FMMIS, both hardware and software, were developed in such a way as to overcome the factors that minimize the adoption of new agricultural technologies in the Greek agricultural community. More specifically, each implementation has a low cost of purchase and a very short payback time that leads to early profitability, while the systems are easy to use by supporting user-friendly functions as plug and play methodology to minimize complexity and training needs, and provide high accuracy with increased usability. In addition, the FMMIS features focus on minimizing the cost of agricultural operations, addressing two critical problems for the Greek farming community, namely fuel costs and irrigation costs. As these costs are quite high, the FMMIS has the potential to reduce the fuel and irrigation consumption to a considerable extent, achieving reduction in fuel consumption of up to 50% and reduction in irrigation water consumption of up to 30%, making the FMMIS a tool that can be easily adopted by the Greek farmers as they easily understand the importance of minimizing these costs. Finally, it proposes the use of low-cost unmanned vehicles that can help modernize the Greek agricultural sector, further minimize operating costs and reduce the labour required in farm management, as the Greek agricultural labour force follows a negative trend.

Η γεωργία είναι ένα πολυπαραγοντικό σύστημα, όπου διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν τις καλλιέργειες και το τελικό αποτέλεσμα των αποδόσεων, του κόστους και του κέρδους για τον αγρότη. Μέχρι σήμερα, οι αγρότες βασίζονται στην εμπειρία τους για τη διαχείριση των αγροκτημάτων τους. Αυτό όμως πρέπει να αλλάξει καθώς ο τομέας της παραγωγής τροφίμων καλείται να αυξήσει μέσα στις επόμενες δεκαετίες την παραγωγή του έως και 70% προκειμένου να καλυφθούν οι μελλοντικές διατροφικές ανάγκες του πληθυσμού της γης, ο οποίος προβλέπεται να αυξηθεί στα 9.6 δισεκατομμύρια μέχρι το 2050. Επιπρόσθετα, η αλλαγή του κλίματος, ο ανταγωνισμός για τη χρήση γης, η υποβάθμιση των εδαφών και η ανάγκη μείωσης των αρνητικών επιπτώσεων στο περιβάλλον, θα ασκήσουν επιπλέον πίεση στην αγροτική παραγωγή και στον εφοδιασμό του πληθυσμού με τρόφιμα. Κάτω από αυτό το πρίσμα η υιοθέτηση Τεχνολογιών Γεωργίας Ακριβείας, οι οποίες σχετίζονται με την αποτελεσματικότερη εφαρμογή των εισροών (σπόροι, λιπάσματα, χημικά προϊόντα, νερό, καύσιμα, εργασία), την αυξημένη ταχύτητα εργασίας, τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, καθώς και με τις καλύτερες αποδόσεις και ποιότητα των αγροτικών προϊόντων είναι μονόδρομος. Σήμερα, οι τεχνολογικές καινοτομίες των συστημάτων παρακολούθησης της απόδοσης των γεωργικών ελκυστήρων επιτρέπουν την ανάκτηση της κατάστασης και των δεδομένων τους μέσω του ISOBUS (Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης, 1997) και παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για τη βελτιστοποίηση των εργασιών. Σε συνδυασμό με το Παγκόσμιο Δορυφορικό Σύστημα Πλοήγησης (GNSS), παρέχουν βελτιωμένη διαχείριση αγροκτημάτων και λειτουργιών μέσω της χρήσης εκτεταμένων βάσεων δεδομένων για την υποστήριξη των αποφάσεων. Επιπρόσθετα, βρισκόμαστε στο μέσο της 4ης Βιομηχανικής Επανάστασης (Industry 4.0 – IR4), όπου αναπτύσσονται και χρησιμοποιούνται σύγχρονες έξυπνες τεχνολογίες σε διάφορους τομείς, συμπεριλαμβανομένης της γεωργίας. Μέσω αυτών των τεχνολογιών, οι εν κινήσει αισθητήρες τοποθετημένοι σε γεωργικά μηχανήματα και επιτόπιοι αισθητήρες IoT παρέχουν αναλυτικές πληροφορίες για το έδαφος, τις καλλιέργειες και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Μέσω των υπαρχουσών τεχνολογιών, ο σημερινός παραγωγός έχει στη διάθεση του πάρα πολλές λύσεις, δεν μπορεί όμως να κατανοήσει την ακριβή κατάσταση των καλλιεργειών του, όντας μπερδεμένος από τις πολλές και μη συνεργαζόμενες πηγές πληροφοριών που παρέχονται από διάφορα εργαλεία.Παρόλο που η κατάσταση αυτή, μοιάζει να είναι αποτέλεσμα των ραγδαίων εξελίξεων των τελευταίων ετών στον τομέα της τεχνολογίας, η ανάγκη για συλλογή και ομαδοποίηση των δεδομένων μιας φάρμας είχε προβλεφθεί και μάλιστα αρκετά νωρίς. Το 1976 δημιουργήθηκε το πρώτο Σύστημα Διαχείρισης Γεωργικών Εκμεταλλεύσεων (FMIS – Farm Management Information System), το οποίο χρησιμοποιήθηκε από 10.000 Καναδούς αγρότες, για την καταγραφή και τον προγραμματισμό των γεωργικών εργασιών, ενώ το πρώτο FMIS με ενσωματωμένους αλγορίθμους υποστήριξης αποφάσεων παρουσιάστηκε το 1986. Την δεκαπενταετία 2000-2015 η τεράστια εξέλιξη στους υπολογιστές και η εισαγωγή των έξυπνων τηλεφώνων στην ζωή του καθημερινού πολίτη οδήγησε στην δημιουργία πολλών FMIS οικονομοτεχνικού χαρακτήρα , ενώ από το 2015 έως και σήμερα η δυνατότητα που έχει δοθεί για δωρεάν πρόσβαση σε δορυφορικά δεδομένα μεγάλης ανάλυσης, έχουν βοηθήσει στη δημιουργία αρκετών FMIS που μπορούν να παράγουν χάρτες με την κατάσταση των καλλιεργειών (π.χ. ευρωστία - NDVI), καθώς και χάρτες μεταβλητής δόσης (π.χ. λίπανση). Όμως, 47 χρόνια μετά την πρώτη εμφάνιση των FMIS, και κάνοντας την αποτίμηση, μπορεί να αναφερθεί ότι η πρόοδος των FMIS δεν ακολούθησε σε ρυθμό τις τεχνολογικές εξελίξεις, με αποτέλεσμα να μην έχει δημιουργηθεί μέχρι στιγμής ένα FMIS ικανό να βοηθήσει πλήρως τους παραγωγούς στην διαχείριση των εκμεταλλεύσεων τους, καλύπτοντας κάθε πτυχή των καθημερινών καλλιεργητικών πρακτικών και φροντίδων που αυτοί επιτελούν.Στα πλαίσια αυτά, στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η μελέτη της υπάρχουσας γνώσης για το FMIS και η ανάπτυξη ιδεών και εφαρμογών που μπορούν να συμπληρώσουν τα υπάρχοντα συστήματα και να καλύψουν τις απαιτήσεις των αγροτών. Μέσω της μελέτης αυτής, αναλύθηκε η παρούσα κατάσταση, ερευνήθηκαν οι μελλοντικές προοπτικές και εντοπίστηκαν οι ανάγκες των παραγώγων. Τα παραπάνω οδήγησαν στο σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός πρωτοποριακού πληροφοριακού συστήματος διαχείρισης γεωργικού εξοπλισμού (Farm Machinery Management Information System – FMMIS), που στόχος του είναι να καλύπτει κάθε πτυχή των εργασιών ενός αγροκτήματος, σε επίπεδο υποστήριξης αποφάσεων, τεχνοοικονομικής ανάλυσης, και προβολής/ανάλυσης δεδομένων, ικανού να προσφέρει πλήρη αυτοματοποίηση ή υποβοήθηση των διάφορων καλλιεργητικών εργασιών. Το FMMIS δοκιμάστηκε και επικυρώθηκε για την αποτελεσματικότητα του σε τρεις διαφορετικές περιπτώσεις χρήσης. Η πρώτη περίπτωση, ήταν η χωρική ανάλυση των δυνάμεων κατεργασίας του εδάφους για μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και αυξημένη απόδοση της κατεργασίας, η δεύτερη ήταν η δημιουργία ενός αυτόνομου οχήματος για πραγματοποίηση γεωργικών εργασιών σε οπωρώνες και αμπελώνες, και η τρίτη ήταν ο σχεδιασμός και η δημιουργία ενός χαμηλού κόστους IoT κόμβου γεωργία ακριβείας.Όλες οι υλοποιήσεις έγιναν με γνώμονα την Ελληνική πραγματικότητα. Ως αποτέλεσμα, όλα τα υλοποιούμενα χαρακτηριστικά του FMMIS, τόσο σε υλικό (υλισμικό) όσο και σε λογισμικό, αναπτύχθηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να ξεπεραστούν οι παράγοντες που ελαχιστοποιούν την υιοθέτηση νέων γεωργικών τεχνολογιών στην ελληνική αγροτική κοινότητα. Πιο συγκεκριμένα, κάθε υλοποίηση έχει χαμηλό κόστος απόκτησης και πολύ μικρό χρόνο απόσβεσης που οδηγεί νωρίς στην κερδοφορία, τα συστήματα είναι εύχρηστα εφαρμόζοντας φιλικές προς το χρήστη λειτουργίες. π.χ. plug and play μεθοδολογία για την ελαχιστοποίηση της πολυπλοκότητας και των αναγκών εκπαίδευσης, και παρέχουν υψηλή ακρίβεια και ευχρηστία κατά τη χρήση τους στο αγρόκτημα. Επιπλέον, τα χαρακτηριστικά του FMMIS επικεντρώνονται στην ελαχιστοποίηση του κόστους των γεωργικών εργασιών, αντιμετωπίζοντας δύο προβλήματα που είναι κρίσιμα για την ελληνική αγροτική κοινότητα, δηλαδή το κόστος των καυσίμων και το κόστος της άρδευσης. Καθώς αυτά τα κόστη είναι αρκετά υψηλά, το FMMIS έχει τη δυνατότητα να μειώσει την κατανάλωσή τους σε αρκετά μεγάλο βαθμό, επιτυγχάνοντας μείωση κατανάλωσης καυσίμου έως 50% και μείωση κατανάλωσης αρδευτικού νερού έως 30%, καθιστώντας το FMMIS ένα εργαλείο που μπορεί να υιοθετηθεί εύκολα από τους Έλληνες αγρότες καθώς κατανοούν εύκολα τη χρησιμότητα της ελαχιστοποίησης αυτών των δαπανών. Τέλος, προτείνει τη χρήση μη επανδρωμένων οχημάτων χαμηλού κόστους που μπορούν να βοηθήσουν στον εκσυγχρονισμό του ελληνικού αγροτικού τομέα, στην περαιτέρω ελαχιστοποίηση του λειτουργικού κόστους και στη μείωση της εργασίας που απαιτείται για τη διαχείριση του αγροκτήματος, καθώς το ελληνικό αγροτικό δυναμικό ακολουθεί αρνητική τάση.