Sensori di gas, la precisione può essere anche low cost

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Il progetto Positive ha testato l’utilità di una tecnologia semplice per la gestione delle risorse idriche e della fertirrigazione sul pomodoro da industria

Utilizzo di tecnologia a basso costo e di facile implementazione al servizio dei sistemi di supporto decisionale per l’agricoltura. Questo uno degli obiettivi del progetto “Positive – Protocolli operativi scalabili per l’agricoltura di precisione”, finanziato dal Bando Por-Fesr 2014-2020. Positive nasce dalla convinzione che la gestione ottimizzata e integrata della produzione agricola sia imprescindibile dall’esperienza sul campo, ma al contempo sia occasione di sviluppo tecnologico. Lo scopo è rendere disponibili su scala regionale indici di interesse agronomico ricavabili dalle immagini satellitari, affiancati dalle informazioni prodotte da una rete di sensori a terra e predisporre un’infrastruttura informatica che renda concretamente fruibile su tutto il territorio regionale irrigazione e fertirrigazione di precisione.

Tecnologia per gestire l’acqua

La gestione delle risorse idriche è diventata uno strumento importante che influenza in modo significativo la crescita, lo sviluppo e la produzione di colture, specialmente in regioni caratterizzate da lunghi periodi di siccità e con una forte variabilità interannuale della quantità e della distribuzione delle piogge che induce un’elevata variabilità dello sviluppo e della produzione agricola. Con l’obiettivo di una migliore comprensione della relazione che intercorre tra la crescita delle colture e il contenuto d’acqua, si sta sviluppando un’ampia gamma di sistemi di telerilevamento come supporto ai metodi computazionali, quale l’evapotraspirazione.
I sistemi di monitoraggio a distanza, anche se poco utilizzati finora, risultano essere più convenienti rispetto al campionamento standard del terreno e delle piante e alle analisi in laboratorio.

 

 

Emissioni e salute delle colture

Analizzare in modo non distruttivo le proprietà chimiche, fisiche e ambientali delle colture specializzate è fondamentale per monitorare e controllare il loro stato di salute e la loro crescita.
Le piante emettono nell’atmosfera una grande quantità di composti organici volatili (Voc) la cui tipologia e concentrazione variano a seconda del loro stato di crescita e degli stress subiti, che dipendono essenzialmente dai cambiamenti metabolici, dall’interazione con l’ambiente e dal verificarsi di malattie. Rilevando queste modifiche si possono quindi valutare le proprietà e la qualità delle colture.
Le strumentazioni analitiche sono le più efficaci nella rilevazione dei costituenti delle miscele di composti volatili, ma sono anche le più costose, caratterizzate da lunghi tempi di misura e dalla distruzione del campione.

Monitoraggio delle emissioni gassose del pomodoro basato su quattro sensori chimici per gas

Fiuto elettronico

Le tecnologie per il monitoraggio remoto, non invasivo e real time delle colture sono ormai molteplici. Tra queste i sistemi di analisi olfattiva occupano una posizione privilegiata grazie alla facilità d’impiego. I cosiddetti nasi elettronici sono dispositivi portatili caratterizzati da un sistema di rilevamento ed uno di analisi dati. Il primo consiste in un numero di sensori di gas (da sei a dieci) selezionati in funzione dei composti gassosi che potenzialmente si potrebbero rivelare nell’atmosfera di interesse.
Il sistema di analisi dati permette invece una ricognizione dei gas rivelati dai sensori attraverso l’impiego di sofisticati algoritmi di calcolo matematico, il cui studio e sviluppo incidono inevitabilmente sul prezzo di mercato dei nasi elettronici, rendendoli meno competitivi per applicazioni in un campo in continua evoluzione come l’agrifood.

Queste non richiedono infatti un’analisi precisa dei composti gassosi che vengono emessi dalle colture, ma è sufficiente che le informazioni riguardanti la composizione dell’atmosfera in campo siano utili al fine di supportare il sistema decisionale per gli operatori agricoli.
Considerando il principio alla base dei nasi elettronici, è possibile quindi produrre sistemi più semplici e meno costosi, basati su un numero limitato di sensori calibrati per la coltura di interesse affiancati da un sistema di analisi dati basilare.

Sensori per il monitoraggio dei gas

I sensori chimici a base di ossidi semiconduttori permettono di convertire in segnale elettrico la variazione in tipologia e concentrazione dei composti gassosi presenti in atmosfera. Grazie ai costi di produzione contenuti e alla possibilità di essere prodotti su larga scala, rappresentano un efficacie strumento che ben si presta all’integrazione in sistemi di monitoraggio portatili.
Si tratta di dispositivi composti da uno strato di materiale sensibile stampato attraverso serigrafia su un adeguato supporto che permette la misura del segnale elettrico. Il laboratorio sensori dell’Università di Ferrara, grazie a un’esperienza ventennale, sviluppa e caratterizza questi sensori di gas e ne studia le diverse applicazioni.

Il caso dei pomodori

Nell’ambito del progetto Positive, il monitoraggio delle emissione gassose è stato sperimentato tra giugno e agosto 2020 presso l’Acqua Campus del Canale Emiliano Romagnolo di Budrio (Bo), in un campo di pomodoro da industria, coltura di grande interesse per l’Emilia-Romagna. Grazie al know-how acquisito in precedenza con un altro progetto Por-Feasr 2014-2020, “Agroalimentare Idrointelligente – Aladin”, è stato possibile predisporre una centralina di monitoraggio basata su quattro sensori di gas selezionati per il pomodoro. Si tratta di un sistema di misura sperimentale fisso in campo, completamente gestibile da remoto e direttamente accessibile dal Positive server, principale prodotto della ricerca condotta dall’omonimo progetto.

Applicando una trattazione dei dati molto più semplice rispetto a quella sviluppata dai nasi elettronici, è stato possibile monitorare le varie fasi di crescita della coltivazione analizzando la variazione dei segnali acquisiti dai sensori di gas. Il confronto di tale variazione con le operazioni colturali (irrigazioni e fertirrigazioni) registrate dagli operatori e nondimeno con i dati meteo acquisiti da stazioni installate nei pressi del campo di interesse, ha espresso perfettamente la dipendenza delle emissioni gassose dalla necessità idrica/metabolica del sistema suolo-pianta-atmosfera.
Il futuro vede la limitazione a due sensori di gas dedicati alla coltura del pomodoro e quindi la riduzione delle dimensioni, dei consumi e dei costi del sistema di monitoraggio. Il vero upgrade si raggiungerà con l’adozione di un approccio basato su machine learning, al fine di determinare dei livelli soglia, rispetto alla variazione dei segnali acquisiti dai sensori, che possano essere associati alla necessità di intervento irriguo.

Sensori di gas, la precisione può essere anche low cost - Ultima modifica: 2021-03-31T12:54:43+02:00 da Simone Martarello

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