Digital plant factories crop production in controlled environments

Abstract

Climate change, state of natural resources, pollution, population growth, income distribution, consumer awareness, and dietary choices are sources of uncertainty for the future of food and agriculture, its sustainability and performance [1]. An unremittingly growing population expected to reach 8.4 billion by 2030 [2], and this conflicting setting are ingredients for a civilizational collapse [1]. As stated by FAO, "business as usual" is not an option, a paradigm shift is critical, shifting to innovative agricultural strategies, ensuring sustainability while meeting growing food demands. Controlled-environment agriculture (CEA) seems a logical solution. This research explores one subclass of Controlled Environment Agriculture (CEA), i.e., Plant Factories (PF), that in terms of production process could be analogous to industrial manufacturing. However, instead of producing industrial goods, the output consists of agricultural products, including both crops and fungi, cultivated in a closed system. This system allows for full control of all input variables such as carbon dioxide, light, temperature, water, and nutrients, which are tuned to optimal conditions to achieve specific objectives (e.g., yield, nutritional value, energy consumption, etc.). The analogy used with industrial manufacturing is intentional, as sector has been already subject to digital disruption, captured in digital transformation concepts such as Industrie 4.0, whose underlying supporting enablers such as Internet of Things, Automation, Big Data, Machine Learning & Artificial Intelligence (ML/AI) are the same required in the PF. This thesis proposes and prototypes an IoT reference architecture for PFs, aiming for standardization, effective control, and potential integration of diverse cultivar’s types.

Alterações climáticas, esgotamento dos recursos naturais, poluição, crescimento poplulacional, desigualdades económicas, e alterações de padrões de consumo, são entre outras razões de incerteza para o futuro da produção comida, sua sustentabilidade e desempenho [1], incompatível num cenário de necessidade de aumento necessidades devido ao constante crescimento da população, devendo esta atingir 8,4 mil milhões até 2030 [2], sendo, estes os ingredientes para um colapso civilizacional [1]. Segundo a FAO, "business as usual" não é uma opção, é critico a alteração de paradigmas produtivos, transição para estratégias agrícolas inovadoras que garantam sustentabilidade, atendendo à crescente necessidade de alimentos. Agricultura de ambiente controlado (CEA) parece uma solução coerente. Esta pesquisa explora uma subclasse de CEA, Fábricas de Plantas (FP), cujo processo de produção em tudo é semelhante à produção industrial, no entanto produz produtos agrícolas em ambiente fechado, com controle total dos fatores produtivos, tais como CO2, luz, temperatura, água e nutrientes, ajustados a condições ótimas para determinado(s) objetivo(s) (ex. rendimento, valor nutricional, consumo de energia, etc). A analogia usada com a produção industrial é intencional, já que este setor já foi sujeito à disrupção digital, definida em conceitos de transformação digital como a "Industrie 4.0", cujos elementos que permitem a sua realização, tais como Internet das Coisas, Automação, Big Data , Aprendizagem Automática e Inteligência, sendo os mesmos necessários na implementação de FP. Esta tese propõe e prototipa uma arquitetura de referência IoT para PFs, visando a padronização, controlo eficaz e integração potencial de diferentes tipos de cultivares.