Penulis: Grace San Giacomo (Microchip Technology Inc.)
Pertanian modern telah diberkati dan dikutuk oleh kemajuan teknologi. Teknik pertanian dan hortikultura modern telah memungkinkan hasil panen yang lebih tinggi dengan jejak ekologi yang lebih rendah untuk mendukung populasi di seluruh dunia yang terus bertumbuh. Namun, kualitas pangan segar saat ini makin memburuk, sedangkan kuantitasnya masih belum cukup untuk membuat petani tetap untung.
Secara inheren, Industri pertanian tidak stabil. Hal ini sebagian besar disebabkan oleh dampak keadaan lingkungan eksternal terhadap hasil dari tahun ke tahun. Kebutuhan untuk lebih konsisten dan berkelanjutan dalam praktik pertanian mendorong adopsi teknologi modern jenis lain dalam industri ini (Gambar 1) sehingga akhirnya tiba pada pertanian pintar.
Ketersediaan sistem pemantauan ternak berjaringan (networked livestock monitoring system) telah membantu meningkatkan jumlah hewan sehat, yang akhirnya mengarah pada kualitas makanan yang membaik. Sistem pemantau kesehatan tanah dan tanaman memberikan petani kemampuan untuk memantau kesehatan tanaman secara detail, yang sebelumnya tidak bisa dilakukan. Berkat sistem sensor berjaringan tertanam (embedded networked sensor system) saat ini, pertanian pintar masa depan akan berkemampuan untuk meningkatkan hasil dan profitabilitas sambil tetap menjunjung kualitas tinggi yang diperlukan oleh pelanggan cerdas masa kini.
Gambar 1. Petani dapat memantau kesehatan tanaman dan ternaknya dari jarak jauh dan mendapatkan informasi berharga yang memastikan konsistensi dalam industri pertanian.
Informasi yang didapatkan dari sensor ini dapat membantu para petani membuat keputusan terbaik untuk pertanian mereka serta mengoptimalkan produktivitas tanaman dan ternaknya sambil mengurangi penggunaan air, pestisida, dan pupuk. Lebih dari itu, para petani dapat mengurangi dampak buruk praktik pertaniannya terhadap lingkungan dan meningkatkan kualitas lahan untuk memastikan keberlanjutan untuk generasi yang akan datang.
Berkat Teknologi Tertanam dan Nirkabel
Sederhananya, solusi utama untuk memastikan keberlanjutan dalam pertanian modern adalah menyediakan informasi penting yang dapat digunakan oleh para petani. Didorong oleh inovasi teknologi tertanam dan nirkabel saat ini, tujuan ini dapat dicapai dengan menerapkan rangkaian sensor berjaringan berbiaya rendah (low-cost networked sensors). Sensor ini biasanya akan memantau kondisi di lahan pertanian atau peternakan seperti suhu, pH, kelembapan, data aktivitas, dan koordinat GPS. Selanjutnya, sensor ini akan mengirimkan data tersebut melalui jaringan komunikasi nirkabel seperti seluler 4G/5G dan LoRa ke pusat data (database) yang terpusat dan biasanya berbasis cloud.
Data tersebut kemudian dapat diakses secara daring oleh perangkat apapun yang terhubung ke internet dan dapat dianalisis dengan cepat untuk menentukan apakah tindakan korektif diperlukan. Hal ini memungkinkan para petani untuk mengakses data analitik pertanian dari mana saja.
Node sensor berjaringan (networked sensor node) bukanlah konsep baru, tetapi beberapa persyaratan utama harus dipenuhi untuk memastikan kinerja dan keandalan yang baik. Pertama, node tersebut memerlukan sumber listrik yang andal, yang mungkin sulit untuk didapatkan karena peternakan tidak dilengkapi dengan kabel ekstensi 1.000 kaki.
Node juga harus bertenaga baterai dan bekerja secara efisien untuk dapat bertahan selama berbulan-bulan atau bahkan bertahun-tahun tanpa penggantian baterai. Efisiensi sistem yang tinggi ini biasanya dapat dicapai dengan mengimplementasikan sistem berbasis mikrokontroler (MCU – microcontroller unit) yang dapat mengelola berbagai tugas kompleks tanpa penggunaan core CPU yang berat dan mematikan daya saat sistem tidak aktif.
Kedua, node sensor pada pertanian pintar harus dapat tetap beroperasi di daerah dengan kondisi yang menantang, terpencil, dan bahkan melekat di tubuh hewan. Karena node sensor ini akan terpapar dengan kondisi tersebut, solusi yang praktis dan inovatif diperlukan untuk memastikan ketahanan dan fungsionalitas yang berkelanjutan. Node harus tetap berada di lokasi pertanian untuk jangka waktu yang lama tanpa memerlukan banyak servis peranti keras. Semua pembaruan peranti lunak harus bisa diselesaikan dari jarak jauh dan dengan aman, yang memerlukan konektivitas jarak jauh yang andal melalui infrastruktur wide area network (WAN) yang paling umum di lokasi pertanian.
Saat merancang sistem-sistem berjaringan (networked systems) untuk aplikasi pertanian pintar, para rekayasawan harus dapat mengantisipasi berbagai tanaman dan hewan yang dipantau. Sistem pemantauan kesehatan tanaman dapat mengukur berbagai kondisi lingkungan, termasuk ketinggian air, kondisi tanah, tingkat pH, dan tingkat cahaya; sementara sistem pelacak ternak dapat mencakup koordinat GPS, monitor pergerakan ternak, oksimeter denyut, dan sensor data kesehatan utama lainnya.
Dalam kedua situasi tersebut, solusi komersial yang ideal adalah desain node basis umum (common base node design) yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan masing-masing pertanian dengan mudah pada saat pembelian. Untuk mencapai ini, node dasar harus cukup fleksibel untuk berinteraksi dengan berbagai macam sensor analog dan digital.
Tantangan desain lainnya yang lebih sulit berkaitan dengan banyaknya ilmu teknis yang diperlukan untuk menerapkan sistem seperti itu. Perancang komponen pertanian pintar harus memiliki keahlian dalam teknik desain tertanam klasik (classical embedded design), komunikasi RF (termasuk seluk beluk LoRa, Wi-Fi, dan topologi seluler), keamanan jaringan (network security), dan infrastruktur cloud.
Meningkatkan skala infrastruktur pertanian pintar dimulai di suatu tempat yang biasanya tidak terpikirkan saat membahas aplikasi mutakhir. Karena sebagian besar node sensor pada pertanian pintar bertenaga baterai, diletakkan pada tempat terpencil, dan diservis secara sporadis; solusi kontrol yang optimal harus memberdayakan MCU yang paling hemat daya.
MCU 8 bit telah ada selama 50 tahun dan selalu merupakan pilihan dengan daya terendah untuk sebagian besar tugas tertanam (embedded task). Sekarang, perangkat terbaru telah dimodernisasi untuk memenuhi kebutuhan sistem pertanian dan hortikultura pintar. Di antara banyaknya fitur baru, core independent peripherals (CIP) yang tersedia pada MCU PIC dan AVR adalah “force multiplier” untuk desain tertanam.
Gambar 3. Teknologi sensor jarak jauh berkemampuan MCU 8-bit yang memantau kesehatan pertanian memastikan bahwa tanaman menerima perawatan cukup untuk tumbuh dengan baik.
CIP dapat bertindak secara independen dari cip CPU, yang memungkinkan perancang untuk mengaturnya menangani tugas-tugas umum dan berulang dengan penggunaan daya terendah. CIP di lingkungan dengan pemeliharaan rendah (low maintenance) juga membantu perancang memperkuat keandalan sistem. Karena CIP diprogram seolah-olah ia merupakan FPGA (field programmable gate arrays) kecil yang disertakan dengan MCU, maka CIP ‘kebal’ terhadap software excursion seperti stack overflow atau stack underflow.
Berinteraksi dengan berbagai macam sensor digital dan analog dengan kontroler node dasar yang terhubung ke internet (internet-connected base node controller) yang sama dapat menjadi suatu tantangan. Untungnya, ada MCU modern yang dirancang untuk melakukan ini sekaligus meminimalkan kebutuhan akan komponen eksternal. MCU tersebut menawarkan interface SPI dan I2C untuk konektivitas sensor digital serta konverter analog-ke-digital (ADC – analog-to-digital converter) diferensial dengan programmable gain amplifier (PGA) dan konverter digital-ke-analog (DAC – digital-to-analog converter) untuk fleksibilitas sensor tingkat tinggi (Gambar 2). Hal ini memberi perancang kebebasan untuk membangun node sensor yang dapat disesuaikan dan modular untuk aplikasi pertanian pintar.
Seiring dengan modernisasi arsitektur MCU, lingkungan pengembangan peranti keras dan peranti lunak yang menyertainya juga telah berkembang pesat. Bagi tim teknis di perusahaan kecil di mana sistem tertanam, desain antena RF, dan konektivitas cloud tidak merupakan kompetensi inti; papan rapid prototyping (rapid prototyping board) adalah penyelamat. Hal ini memberikan perancang contoh yang mudah untuk diikuti dan juga menyertakan repositori GitHub dengan firmware untuk terhubung dengan penyedia cloud populer.
Teknologi Sensor Jarak Jauh
Industri pertanian dan hortikultura saat ini sedang mengalami revolusi teknologi. Akses ke data kesehatan tanaman dan hewan melalui internet secara real-time mengubah metode dan praktik pertanian sehingga dapat menghasilkan panen yang makin tinggi dan meningkatkan kelayakan lahan (Gambar 3).
Walaupun konektivitas cloud yang “tersedia di mana saja” (available anywhere) adalah garda depan menuju pertanian pintar, fondasinya tetap ada pada MCU 8 bit. Arsitektur MCU modern seperti AVR dan PIC dengan CIP akan menjadi komponen utama untuk menjembatani kesenjangan antara sensor dan cloud bagi pengembang produk keberlanjutan untuk sekarang dan pada masa mendatang.
Gambar 3. Teknologi sensor jarak jauh berkemampuan MCU 8-bit yang memantau kesehatan pertanian memastikan bahwa tanaman menerima perawatan cukup untuk tumbuh dengan baik.