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智慧農業(yè)

國際糧農組織在2022《世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》報告中提到，2021年全球受饑餓影響的人數已經增加到8.28億人。令人憂心的是，生活在地球上的人口總數還在不斷攀升，根據聯合國的數據，到2050年，世界人口預計將達到97億。而受極端天氣、土壤惡化、土地干燥和生態(tài)系統崩潰等影響，糧食生產正變得越來越復雜和困難。眼下有沒有辦法破解這一困境呢？

答案是：智慧農業(yè)的蓬勃發(fā)展讓我們看到了希望。

什么是智慧農業(yè)？

智慧農業(yè)是指利用先進的技術和更多的數據來提高農業(yè)生產效率的系統。簡單地說，智慧農業(yè)不僅能夠大幅提高農業(yè)生產力，解決糧食需求等農業(yè)問題，還能使現在的農場或農莊更加智能。因此，Statista預測，預計到2026年，全球智慧農業(yè)的市場價值將達到約340億美元。

物聯網（IoT）是一種發(fā)展迅猛的現代技術，從零售業(yè)、制造業(yè)、運輸業(yè)到航空業(yè)，全球許多行業(yè)都在充分利用物聯網，當然，農業(yè)也不例外。隨著物聯網在農業(yè)中的應用不斷擴大，人類和整個地球的生活都將發(fā)生質的變化。專家估計，到2022年，農業(yè)物聯網市場預計將達到231.4億美元，未來幾年有望部署7,500萬個用于農業(yè)目的的物聯網系統。

對精準農業(yè)和智慧農業(yè)的需求不斷增加，是物聯網成為農業(yè)必備技術的誘因?，F在，越來越多的農業(yè)公司和農民正在采用物聯網技術和智慧農業(yè)系統來提高產量。聯合國的數據顯示，2010年至2050年間，預計全球農業(yè)產量將增長69%。結合了物聯網技術和解決方案的智慧農業(yè)，通過實時現場數據收集、數據分析和控制機制的部署，大幅提高了農業(yè)運營效率，成為提高農產品產量的助推劑。

在智慧農業(yè)領域，我們經常會聽到精準農業(yè)這個詞語。精準農業(yè)的目的是為農民提供現代化的農業(yè)管理方式，涉及利用信息技術進行高度精確和受控的農業(yè)生產，不僅提高了生產力，還能有效改善作物和土壤質量。精準農業(yè)的實施主要通過物聯網傳感器收集和分析有關土壤和作物狀況的數據，然后，農民利用這些數據和信息來決定何時種植和收獲特定作物，作物需要多少水等。如今，精準農業(yè)正在成為發(fā)達國家最具影響力的農業(yè)發(fā)展趨勢，市場價值預計也將從2021年的67.3億美元增長到2027年的144.4億美元。

物聯網：建立智慧農業(yè)的關鍵要素

智慧農業(yè)系統的一些常見元素包括：用于跟蹤和管理土壤狀況、濕度、溫度、污染水平和其他參數的物聯網設備；用于傳輸現場收集數據的蜂窩、LoRa和Wi-Fi等連接技術；專用軟件；位置跟蹤系統；操作自主設備或無人機的機器人；數據分析服務等。

在實際應用中，從精準農業(yè)、畜牧業(yè)到智能溫室自動化，幾乎任何智慧農業(yè)技術都是基于物聯網設備而建立的。與其他行業(yè)一樣，物聯網在農業(yè)中的應用實現了以前難以獲得的高效率、資源和成本的降低。在此過程中，傳感器數據分析推動了農業(yè)生產過程的透明度，并為農民提供了關于土壤和環(huán)境等各項參數，僅憑田間土壤傳感器，農民就可以管理他們現有的資源，使總收入增加近20%。

智慧農業(yè)中的傳感技術

我們今天談論的農業(yè)物聯網，通常是指將傳感、自動化和分析技術添加到現代農業(yè)的生產過程。傳感器在這場技術革命中發(fā)揮著至關重要的作用。

農業(yè)中使用的物聯網傳感器種類繁多，它們常常被用來探測大氣和土壤的溫濕度、光照情況、二氧化碳含量、田地位置、土壤成分等。這些傳感器被安裝在整個田地、基于物聯網的監(jiān)測系統、智慧農業(yè)設備以及農業(yè)氣象站上。來自不同傳感器的數據組合使農民能夠建立作物模型，預測作物在給定條件下的生長方式，整合精準農業(yè)實踐，制定收割策略等。

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位置傳感

精準定位是精準農業(yè)的基礎，使用來自GPS衛(wèi)星的信號獲得的緯度、經度等數據能準確地確定田地所處的位置，當使用自動化機械耕種田地時，設備中配備的自動引導系統可輕松優(yōu)化田地路線，減少完成任務所需的時間。在農業(yè)機械中，用于植物種植和收割的設備和車輛在其高精度車輛制導系統中也會采用GPS傳感技術。當然，GPS傳感技術也可以用來對飼養(yǎng)的牲畜進行跟蹤和監(jiān)測。在實際應用中，對一個位置進行三角測量時至少需要三顆衛(wèi)星。

u-blox公司的ZED-F9T全球導航衛(wèi)星系統（GNSS）模塊采用了多頻段射頻前端架構，將F9多頻段平臺集成在一個22毫米x17毫米的小型表面安裝器件中，支持所有四個主要的全球導航衛(wèi)星系統，如GPS、伽利略、GLONASS和北斗。這些多頻段GNSS模塊提供5ns（1西格瑪）的定時精度，且以超低功耗工作。ZED-F9T模塊具有可同時接收和跟蹤多個GNSS系統的GNSS接收器，工作電壓范圍為-0.5V至3.6V，輸出電流為100mA。

圖1：u-blox公司ZED-F9T全球導航衛(wèi)星系統模塊

（來源：u-blox）

日本Nisshinbo公司的NJG115xP前端模塊（FEM）專為全球導航衛(wèi)星系統設計，包括GPS、GLONASS、北斗和伽利略應用。該器件可以在1.5V至3.3V的電壓范圍內工作。其中，NJG1157PCD主要針對GPS和GLONASS應用而設計，該FEM具有高增益、低噪聲系數、高線性度和高帶外抑制特性，這些特性由高性能前置SAW濾波器、低噪聲放大器（LNA）和post-SAW濾波器支持。

圖2：NJG1157PCD簡單易用，只需兩個外部元件

（來源：Nisshinbo）

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溫/濕度傳感

溫/濕度傳感器在智慧農業(yè)的兩個關鍵應用中都發(fā)揮著重要作用，一是土壤溫/濕度檢測，另一個是環(huán)境條件監(jiān)測。土壤溫/濕度是地下植物生長活動的一個重要因素，它能直接影響根系的生長和呼吸。物聯網溫度傳感器可以通過測量空氣溫度和其他因素來估計土壤溫度，也可以使用埋在土壤中的探針進行準確的測量。

ADI公司的數字溫度傳感器DS18B20能提供9位至12位攝氏溫度測量，具有用戶可編程的上下觸發(fā)點報警功能。傳感器的分辨率可由用戶配置為9、10、11或12位，分別對應0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃的增量。通電時的默認分辨率為12位。DS18B20具有獨特的1-wire接口，與中央微處理器進行通信只需要一條數據線路（和接地）。每個DS18B20都有一個唯一的64位串行代碼，允許多個DS18B20在同一條單線總線上工作。因此，使用一個微處理器即可控制分布在大面積上的許多DS18B20。此外，DS18B20還能直接從數據線上獲得電源（“寄生電源”），無需外部電源。

圖3：DS18B20可從數據線上直接獲得寄生電源，無需外部供電（來源：ADI）

土壤的含水量可以使用帶電極的埋入式探針進行監(jiān)測，從而實現高效、無浪費的灌溉。TE公司的HTG3500系列為即插即用型溫濕度傳感器，專為需要可靠精確測量的應用而設計，尤其適用于要求低功耗和嚴苛的應用。產品采用濕度線性電壓輸出和直接NTC輸出，可直接與微控器連接。

圖4：HTG3500系列溫濕度傳感器

（來源：TE）

Amphenol公司的T9501是一款IP67級濕度和溫度傳感器，基于電容聚合物傳感器芯片，為幾乎任何類型的惡劣環(huán)境應用提供了先進、經濟高效的溫濕度傳感解決方案。

圖5：Amphenol公司T9501濕度和溫度傳感器

（來源：Mouser）

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土壤成分探測

土壤中的營養(yǎng)物質對植物的生長起到決定性作用。為了優(yōu)化植物的生長環(huán)境并獲得高產收成，必須對農產品種植的土壤條件有深入和定量的了解。使用pH傳感器可以提供有關土壤養(yǎng)分缺乏或有害化學物質存在的關鍵反饋。最近行業(yè)熱門的NPK土壤傳感器提供了一種使用物聯網傳感器測量關鍵土壤養(yǎng)分的方法，包括土壤的pH值以及氮磷鉀的含量。對農業(yè)市場來說NPK土壤傳感器還是一種較新的產品，目前正處于開發(fā)階段，市場上很難找到具體的產品。

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農業(yè)中的陀螺儀和圖像傳感器

陀螺儀和圖像傳感器廣泛用于機器人、自動駕駛汽車和無人機。無人機在智慧農業(yè)中的使用在很大程度上依賴于加速度計和慣性測量單元來跟蹤運動、速度以及在空中的位置。陀螺儀和圖像傳感器雖然與農作物或植物的生長沒有密切關系，但在整個智慧農業(yè)行業(yè)同樣發(fā)揮著重要作用?，F在，在田間健康監(jiān)測、地理測繪和土地分析、自動灌溉和作物施肥等應用中也采用了大量的陀螺儀和圖像傳感器。

STMicroelectronics的I3G4250D是一款低功耗的三軸角速率傳感器，能夠在零速率水平下提供前所未有的穩(wěn)定性，并在溫度和時間上提供靈敏度。它包括傳感元件和IC接口，能夠通過標準向應用程序提供測量的角速率SPI數字接口，還提供了I²C兼容接口。傳感元件是使用意法半導體開發(fā)的專用微機械加工工藝制造的。IC接口是使用CMOS工藝制造的，以更好地匹配感測元件的特性。I3G4250D具有可選擇的滿量程（±245/±500/±2,000dps），能夠使用用戶可選擇的帶寬測量速率。

圖6：I3G4250D三軸角速率傳感器

（來源：STMicroelectronics）

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農業(yè)中的智能相機

現在，智能相機在農業(yè)中的應用也非常普遍。害蟲防治一直是農業(yè)面臨的最重大挑戰(zhàn)之一。在不傷害對農作物有益的昆蟲的情況下，農民現在可以利用智能相機進行實時害蟲檢測和監(jiān)測，進而采取專門針對害蟲的有效行動。此外，智能相機還能提供葉片健康狀況、光照亮度、葉綠素測量和成熟度水平的圖片，供農民隨時了解作物的生長情況。

安森美（Onsemi）的SECO-RSL10-CAM-COLOR-GEVK RSL10智能相機是一個完整的節(jié)點到云的平臺，能夠為便攜式、低占空比的物聯網應用實現智能圖像捕獲。它基于RSL10多協議藍牙系統和ARX3A0 CMOS圖像傳感器，具有多種觸發(fā)模式，包括時間、運動檢測和環(huán)境傳感器觸發(fā)。ARX3A0在可見光和近紅外波長下都具有高靈敏度，并且具有超低功耗模式，激活時僅消3.2mW。此外，設計人員還可以對ARX3A0進行編程，以監(jiān)控其視場的特定區(qū)域，并在場景內容發(fā)生變化時自動拍攝圖像。

圖7：安森美SECO-RSL10-CAM-COLOR-GEVK RSL10智能相機（來源：Mouser）

智慧農業(yè)的未來

智慧農業(yè)是現代農業(yè)的未來，這是不可否認的。毫無疑問，未來的農業(yè)屬于由大數據、物聯網設備、智能傳感器、無人機和自動化溫室管理系統驅動的智慧農業(yè)。

根據Insider Intelligence的數據，到2023年，全球將安裝近1,200萬個農業(yè)傳感器，使用物聯網設備的農場平均每天將產生超過50萬個數據點。再加上大規(guī)模采用的用于灌溉、噴灑和田間監(jiān)測的無人機，所有這些數據點的整合和利用，將會構成現實生活中智慧農業(yè)應有的樣子。

精準農業(yè)的發(fā)展?jié)M足了全球對糧食日益增長的需求，所采用的傳感技術使得精準農業(yè)中必須具備的收集和應用數據變得更簡單、更便宜。同時，精準農業(yè)的未來發(fā)展還將增加自動駕駛農用車，以及更智能、更小的無人機的使用。物聯網設備、智能傳感器的使用為精準農業(yè)的實施和落實提供了保障，在不久的將來必將為現代農業(yè)帶來革命性的變化。