## IoT in Agriculture Industry

## Ekky Novriza Alam
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung Bandung, Indonesia ekkynovrizaalam@students.itb.ac.id
Abstract — Indonesia is known as an agricultural country that has an agricultural area of 7.1 million hectares in 2018. The agricultural sector is one sector that has great potential to get many benefits by implementing IoT technology. IoT implementation has several obstacles such as hardware, software, communication  technology,  and  security.  This  paper  aims  to  describe  IoT-related  studies  in  the agricultural  sector  that  have  been  carried  out  since  2010  in  the  hope  of  providing  evidence  that transforming the traditional agricultural sector into a modern agricultural sector is very possible in Indonesia.
Keywords—IoT, Agriculture, Industry, IoT Application

## I. P ENDAHULUAN
Perkembangan teknologi sudah sangat pesat dan memberikan dampak pada banyak sektor, terutama sektor industri. IoT sebagai salah satu bukti perkembangan teknologi sampai saat ini mampu  memberikan  banyak  perubahan  pada  berbagai  hal  di  industri.  Sebagai  contoh perubahan  yang  terdapat  pada  sektor  transportasi  dengan  berbagai  aplikasi  tracking  sebagai bentuk end-user  system dan  berbagai  alat-alat  yang  bekerja  otomatis  dengan  memanfaatkan IoT pada sektor manufaktur[1].
IoT  terbukti  banyak  meningkatkan  efektifitas  dan  efisiensi  baik  ditingkat  operasional bahkan  tingkat  strategis.  Contohnya  sistem  monitoring  intelegen  untuk  memonitor temperature didalam refrigator trucks menggunakan sensor dan teknologi jaringan wireless [2]. Sistem pendeteksi api otomatis yang dapat membawa pengelolaan sistem pemadam kebakaran di China dapat meningkat ke level yang lebih tinggi[3].
Beberapa sektor industri telah terlihat memiliki peningkatan ketertarikan dengan teknologi IoT[4]. Sektor pertanian, industri pengolahan makanan, pemantauan lingkungan, pengawasan keamanan, dan lainnya sudah terlihat memiliki beberapa proyek IoT yang telah berjalan.

## II. L ATAR B ELAKANG
Sektor  pertanian  merupakan  salah  satu  sektor  yang  memiliki  potensi  besar  mendapatkan manfaat  yang  banyak  dengan  penerapan  teknologi  IoT.  Efektifitas  dan  efisiensi  dari  lahan, bibit,  air  dan  pupuk  sebagai  bahan  baku,  sampai  melakukan  monitoring  secara real-time selama 7x24 jam sangat mungkin diterapkan dengan IoT.
The Food and Agricultural Organization of the United Nation (FAO) memprediksi bahwa pada tahun 2050 kebutuhan pangan akan meningkat sebanyak 70% karena populasi manusia akan  mencapai  9,6  Milyar[5].  Indonesia  dikenal  sebagai  negara  agraris  yang  memiliki  luas wilayah pertanian sebesar 7,1 juta hektar pada tahun 2018[6]. Walaupun jumlah itu mengalami penurunan dari tahun sebelumnya yang berjumlah 7,75 juta hektar.
Dengan  wilayah  pertanian  yang  seluas  itu,  terlihat  produksi  jumlah  hasil  pertanian  yang dapat  dihasilkan  belum  mendapatkan  hasil  yang  optimal.  Terlihat  pada  Tabel  1  Dinamika
Produksi  Tanaman  Pertanian,  2000-2013,  jumlah  produksi  padi  di  Indonesia  belum mengalami hasil yang stabil,bahkan cenderung mengalami penurunan kecuali direntang tahun 2005-2009[7].

## T ABEL 1 D INAMIKA P RODUKSI T ANAMAN P
ERTANIAN , 2000-2013 Tahun Pertumbuhan (%/tahun) Padi Sawah Padi Ladang Total Padi 2000- 2004 1,00 a 1,68 1,03 2005- 2009 3,56 2,29 3,49 2010- 2013 1,68 4,31 1,82 2000- 2013 2,19 2,72 2,22
Beberapa  negara  lain  sudah  mencoba  untuk  meningkatkan  produksi  sektor  pertanian mereka dengan mulai menerapkan teknologi IoT seperti India, Australia dan Amerika[8]. Hal ini  menjadi  peluang  untuk  Indonesia  sebagai  negara  agraris  untuk  meningkatkan  produksi sektor  pertanian  dengan  teknologi  IoT.  Penelitian-penelitian  yang  membahas  tentang  IoT sudah mengalami peningkatan yang pesat[8]. Terlihat pada Gambar 1 Peningkatan penelitian terkait ―IoT in Agriculture‖ di Scopus, peningkatan terjadi hampir disetiap tahun.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

## Penelitian

## Gambar 1 Peningkatan penelitian terkait “IoT in Agriculture” di Scopus
Paper ini bertujuan untuk memaparkan penelitian-penelitian terkait IoT di sektor pertanian yang  telah  dilakukan  sejak  tahun  2010  dengan  harapan  dapat  memberikan  bukti  bahwa mengubah  sektor  pertanian  tradisional  menjadi  sektor  pertanian  modern  sangat  mungkin dilakukan di Indonesia.

## III. I NTERNET O F T HINGS
Struktur  IoT  dibangun  berdasarkan  3  lapisan  yaitu  lapisan  persepsi  ( sensing ),  lapisan jaringan ( data transfer ), dan lapisan aplikasi ( data storage and manipulation )[9].

## A. Lapisan persepsi
Sensor  adalah  hal  utama  pada  lapisan  ini.  Teknologi  yang  digunakan  pada  lapisan  ini adalah WSN, RFID, dan NFC. Wireless Sensor Node (WSN) terdiri dari modul pemrosesan, biasanya  unit  mikrokontroler  daya  rendah  (MCU),  satu  atau  lebih  modul  sensor  yang  dapat berupa analog atau perangkat  penginderaan digital  eksternal atau tertanam dan  yang terakhir modul komunikasi RF, biasanya mendukung daya rendah teknologi komunikasi nirkabel.

## Gambar 2 Arsitektur dari WSN
Teknologi  ini  sangat  cocok  digunakan  untuk  sistem  kontrol  dan  pengawasan  pada  proses produksi, penanaman ataupun penyimpanan. Beberapa penelitian terkait fasilitas penyimpanan dan  logistic  banyak  yang  berhubungan  dengan  WSN.  Beberapa  contoh  penggunaan  WSN terdapat pada Error! Reference source not found.

## B. Lapisan jaringan
Teknologi jaringan berguna untuk melakukan komunikasi antar perangkat dan sistem diluar sistem  IoT  yang  dibangun.  Beberapa  protocol  komunikasi  seperti  802.15.14,  memfasilitasi jaringan perangkat dan menjembatani  kesenjangan antara  internet-enabled gateway dan node akhir. Pada Error! Reference source not found. terdapat beberapa teknologi komunikasi C. Lapisan aplikasi
Lapisan  ini  adalah  lapisan  akhir  yang  merupakan  wujud  nyata  yang  mudah  dilihat  oleh user.  Lapisan  ini  akan  mengalami  tantangan  berupa  sistem  yang  sangat  heterogen.  Seperti devices yang berbeda-beda, sistem operasi dan beberapa spesifikasi teknis lainnya.

## Gambar 3 Lapisan Aplikasi

## IV. P ERTANIAN DENGAN I O T
Sektor  pertanian  dengan  menggunakan  IoT  biasa  disebut  dengan  istilah Precision Agriculture yang  selanjutnya  akan  disingkat  PA[10] . PA  dianggap  menjadi  solusi  untuk meningkatkan  produksi  jumlah  produksi  sektor  pertanian  dan  dapat  memberikan  hasil  yang stabil  tiap  masa  produksinya.  PA  sendiri  bertujuan  untuk  memberikan  peningkatan  dan optimasi  proses-proses  yang  ada  untuk  memastikan  produktivitas  dapat  mencapai  jumlah terbaik. Hal tersebut dapat dicapai dengan adanya sistem yang dapat mengukur dengan cepat, handal  dan  dapat  dibaca  dengan  mudah  oleh  petani  sebagai  gambaran  tentang  situasi  yang sedang berterjadi diwilayah pertanian mereka.
PA  juga  memungkinkan  adanya  komunikasi  yang  saling  terhubung  antar  mesin  operasi otomatis untuk mengoptimalkan konsumsi energi, seperti penggunaan air dan listrik.
Hama  yang  selalu  menjadi  permasalahan  bagi  petani  juga  dapat  diatasi  dengan  cepat  dan tepat dengan sistem pengendali hama yang dapat siaga 7x24 jam[11]. Ketepatan sistem untuk membasmi  hama  juga  dapat  terus  ditingkatkan  seiring  semakin  lama  sistem  tersebut digunakan.
Pada tingkat understanding , informasi yang didapatkan dari berbagai alat dan sistem dikumpulkan dan diolah dengan algoritma tertentu untuk memberikan wawasan yang lebih baik tentang kejadian yang sedang terjadi[12]. Wawasan tersebut dapat digunakan untuk memahami situasi saat ini dan membuat prediksi berdasarkan inputan tersebut. Hasil prediksi selanjutnya dapat digunakan pada sistem peringatan dini tentang bahaya hama[11] dan sistem pengatur irigasi otomatis[13].

## Aplikasi
Pada bab awal telah disampaikan bahwa penelitian dibidang IoT mengalami peningkatan. Penelitian  terkait  sensor  IoT  dan  miniatur-miniatur  perangkat  IoT  memberikan  optimisme peralihan pertanian tradisional kepada pertanian modern Precision Agricultur (PA)[14].

## A. Sistem Irigasi Otomatis
Irigasi  menjadi  hal  yang  penting  bagi  lahan  pertanian  yang  memiliki  jenis  tanaman  yang membutuhkan  air  yang  cukup  banyak.  Tetapi  air  adalah  sebuah  sumberdaya  yang  terbatas untuk  beberapa  daerah.  Oleh  karena  itu  dibutuhkan  sitem  optimalisasi  penggunaan  air  pada sistem irigasi. Sistem irigasi otomatis digunakan untuk mengukur dengan tepat kebutuhan air pada tanaman[15].
Kebutuhan  air  dapat  diketahui  melalui  sensor-sensor  yang  terdapat  pada  tanah,  tanaman dan lingkungan dengan mengukur beberapa variabel seperti suhu dan kelembapan. Kemudian informasi  tersebut  dikirim  ke  server  analitik.  Setelah  itu  server  akan  memberikan  keputusan berdasarkan  algoritma  yang  sudah  ditentukan  kepada  alat  pengatur  irigasi.  Disisi  lain  server juga  menyediakan  informasi  berupa  infografik  yang  dapat  diakses  oleh  petani  atau stakeholders lainnya.

## Gambar 5 Diagram dari sistem IoT berbasis Raspberry Pi
Penelitian lain mengusulkan sistem IoT berbasis Raspberry Pi yang membantu otomatisasi sistem  irigasi.  Sistem  ini  mengolah  data  yang  dihasilkan  sensor  mengenai  kelembapan  dan suhu tanah, kelembapan udara, suhu udara dan durasi sinar matahari yang didapatkan per hari. Data  ini  kemudian  diolah  agar  mendapatkan  besaran  air  yang  dibutuhkan  untuk  irigasi[13]. Gambaran detail mengenai alur kerja sistem ini tergambar pada Gambar 4 Contoh solusi IoT untuk  kebutuhan  monitoring  dan  optimasi  berdasarkan cloud  analytics  services .  Sistem  ini mengolah informasi langsung tanpa mengirim informasi ke sistem cloud .
Gambar 4 Contoh solusi IoT untuk kebutuhan monitoring dan optimasi berdasarkan cloud analytics services

## B. Sistem Kontrol dan Pengawasan
Sistem kontrol dan pengawasan sangat bermanfaat di sektor pertanian, salah satunya untuk kontrol  dan  pengawasan  gudang.  Gudang  sering  menjadi  sasaran  hama  perusak.  Alat  ini mampu memberikan pemberitahuan secara real-time kepada pengguna jika ada ancaman hama tikus[11].

## Gambar 6 Arsitektur IoT pendeteksi hama tikus
IoT  digunakan  untuk  menghubungkan  alat  pendeteksi  dan  mengumpulkan  informasi. Setelah  dikumpulkan,  dilakukan  analisis  data  dengan  menggunakan  algoritma  yang  akan membantu untuk menentukan keakuratan dalam memberikan pemberitahuan kepada user dan mengaktifkan alat pembasmi tikus
C. Sistem Pelacak Rantai Pasok Makanan
RFID  adalah  teknologi  yang  banyak  digunakan  pada  beberapa  penelitian  FSC  ( Food Supply  Chain ).  Tag  RFID  digunakan  sebagai  alat  untuk  melacak  produk-produk  pertanian. Penelitian  terbaru,  mengikuti  paradigma  IoT,  telah  menggabungkan  lebih  dari  satu  sensor untuk memperkaya informasi status produk setiap kali ini direkam melalui RFID-nya[16].

## Gambar 7 Skema Food Supply Chain

## V. K ESIMPULAN
IoT  diharapkan  dapat  mengoptimalkan  produksi  dari  berbagai  hal  di  sektor  pertanian. Mulai  dari  lahan  pertanian  dan greenhouse dapat  diberikan  sistem  pengawasan  kondisi tumbuhan, kebutuhan air dan potensi gangguan hama. Oleh karenanya beberapa sumber daya seperti pupuk, air dan vitamin dapat digunakan secara efisien. Pengontrolan tahap produksi ini dapat memberikan keuntungan maksimal dan menimalkan biaya yang harus dikeluarkan.
Namun  disisi  lain  terdapat  beberapa  tantangan  seperti  keamanan  dan  kehandalan  fasilitas jaringan yang menjadi hal penting pada IoT. Kemampuan untuk menyelaraskan semantic dari data  yang  disimpan  menjadi  sangat  penting.  Karena  sumber  yang  sangat  heterogen,  sistem analitik harus mampu memberikan dukungan keputusan yang sesuai.

## R EFERENSI
[1] L. Da Xu, W. He, and S. Li, ―Internet of things in industries: A survey,‖ IEEE Trans. Ind. Informatics , vol. 10, no. 4, pp. 2233–2243, 2014.
[2] Y. Zhang, B. Chen, and X. Lu, ―Intelligent Monitoring System on Refrigerator Trucks Based on the Internet of Things,‖ in Wireless Communications and Applications , 2012, pp. 201–206.
[3] Y. Zhang and J. Yu, ―A Study on the Fire IOT Development Strategy,‖ Procedia Eng. , vol. 52, pp. 314–319, 2013.
[4] Y.  Li,  M.  Hou,  H.  Liu,  and  Y.  Liu,  ―Towards  a  theoretical  framework  of  strategic decision, supporting capability and information sharing under the context of Internet of Things,‖ Inf. Technol. Manag. , vol. 13, no. 4, pp. 205–216, Dec. 2012.
[5] FAO, ―Global agriculture towards 2050,‖ High Lev. Expert Forum-How to Feed world 2050 , pp. 1–4, 2009.
[6] C.  Indonesia,  ―BPS  Sebut  Luas  Lahan  Pertanian  Kian  Menurun,‖  2018.  [Online]. Available:  https://www.cnnindonesia.com/ekonomi/20181025153705-92-341433/bps- sebut-luas-lahan-pertanian-kian-menurun. [Accessed: 07-Apr-2019].
[7] E.  Ariningsih,  ―Dinamika  produksi  dan  sumber  dinamika  produksi  komoditas pertanian,‖ pp. 63–92, 2012.
[8] A.  Tzounis,  N.  Katsoulas,  T.  Bartzanas,  and  C.  Kittas,  ―Internet  of  Things  in agriculture, recent advances and future challenges,‖ Biosyst. Eng. , vol. 164, pp. 31–48, 2017.
[9] L.  Atzori,  A.  Iera,  and  G.  Morabito,  ―The  Internet  of  Things:  A  survey,‖ Comput. Networks , vol. 54, no. 15, pp. 2787–2805, 2010.
[10]  N.  Zhang,  M.  Wang,  and  N.  Wang,  ―Precision  agriculture—a  worldwide  overview,‖ Comput. Electron. Agric. , vol. 36, no. 2, pp. 113–132, 2002.
[11]  T. Baranwal, Nitika, and P. K. Pateriya, ―Development of IoT based smart security and monitoring devices for agriculture,‖ Proc. 2016 6th Int. Conf. - Cloud Syst. Big Data Eng. Conflu. 2016 , pp. 597–602, 2016.
[12]  O.  Körner  and  G.  Van  Straten,  ―Decision  support  for  dynamic  greenhouse  climate control strategies,‖ Comput. Electron. Agric. , vol. 60, no. 1, pp. 18–30, 2008.
[13]  R.  Nageswara  Rao  and  B.  Sridhar,  ―IoT  based  smart  crop-field  monitoring  and automation irrigation system,‖ Proc. 2nd Int. Conf. Inven. Syst. Control. ICISC 2018 , no. Icisc, pp. 478–483, 2018.
[14]  A.  Baggio,  ―Wireless  sensor  networks  in  precision  agriculture,‖ Netherlands  IEEE Pervasive Comput. , vol. 3, 2005.
[15]  Y. Xijun, L. Limei, and X. Lizhong, ―The Application of Wireless Sensor Network In the  Irrigation  Area  Automatic  System,‖ Networks  Secur.  Wirel.  Commun.  Trust. Comput. Int. Conf. , vol. 1, pp. 21–24, 2009.
[16]  M.  Maksimović,  V.  Vujovic,  and  E.  Omanovic-Miklicanin,  ―A  Low  Cost  Internet  of Things Solution for Traceability and Monitoring Food Safety During Transportation,‖ 2015.