最近的一個研究項目探索了如何通過將嵌入式智能電子設(shè)備放置在物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中來創(chuàng)建負(fù)擔(dān)得起的智能農(nóng)場。本文探討了農(nóng)民今天面臨的挑戰(zhàn)、研究項目的發(fā)現(xiàn)，以及這些發(fā)現(xiàn)如何幫助解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一些困難。

在過去的 20 年中，計算極大地改變了世界，農(nóng)業(yè)也感受到了影響。先進(jìn)的設(shè)備現(xiàn)在可以提高生產(chǎn)效率；改良種子可以使害蟲管理更容易；自動化使許多雜務(wù)發(fā)生了變化，即使它們并沒有消失。然而，越來越多的農(nóng)民發(fā)現(xiàn)他們所依賴的技術(shù)是一把雙刃劍。

與此同時，農(nóng)民也在與一系列日益嚴(yán)峻的商業(yè)挑戰(zhàn)作斗爭。他們還發(fā)現(xiàn)，由于軟件數(shù)字版權(quán)管理和其他設(shè)備設(shè)計決策偏向于設(shè)備制造商的服務(wù)收入，而不是農(nóng)民，他們還發(fā)現(xiàn)自己無法像以前那樣維修或維修他們的機器。在供應(yīng)商和農(nóng)民之間這種緊張關(guān)系的最極端情況下，農(nóng)民甚至對某些作物的種子獨家生產(chǎn)商產(chǎn)生了感激之情，因為在相鄰田地中與獲得專利的轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行異花授粉會引起種子生產(chǎn)商的訴訟。

這些斗爭讓世界各地的農(nóng)民深入挖掘以保持競爭力。在這場競爭中，他們發(fā)現(xiàn)自己被供應(yīng)商推向他們無法完全控制的種子、設(shè)備、化學(xué)品和其他業(yè)務(wù)投入。農(nóng)民正在失去修理設(shè)備、保存種子或采取其他經(jīng)過時間考驗的、節(jié)省成本的措施的選擇。他們對工作中未提及的技術(shù)成本持謹(jǐn)慎態(tài)度。

面對這一挑戰(zhàn)，我們有機會制造農(nóng)業(yè)工具，為農(nóng)民提供電力。如果農(nóng)民能夠建造或保留編輯和使用更多設(shè)備的權(quán)利，那么通往“更智能”農(nóng)場的道路對農(nóng)民來說就更具吸引力?？傮w而言，農(nóng)業(yè)正在看到物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等前沿技術(shù)的巨大機遇。實施這些工具的開源和其他可用方法對于農(nóng)民保持競爭優(yōu)勢至關(guān)重要。

設(shè)計開源、低成本的智能農(nóng)場系統(tǒng)

最近在孟加拉國進(jìn)行的一項研究項目建立在以前的工作基礎(chǔ)上，為智能農(nóng)業(yè)創(chuàng)建了一個開源模型。該模型大量使用了Arduino 組件，布局了一個全面的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，定義了數(shù)據(jù)分析的方法，并為自動化農(nóng)場輸入管理創(chuàng)建了路徑。雖然構(gòu)建的測試系統(tǒng)的主要重點是田間生產(chǎn)，但已經(jīng)預(yù)計通用架構(gòu)將來可以應(yīng)用于溫室、畜牧生產(chǎn)和更多的農(nóng)業(yè)應(yīng)用。

該項目基于 Arduino Mega 2560 上的所有監(jiān)控設(shè)備，以設(shè)置在整個農(nóng)田中的“監(jiān)控節(jié)點”網(wǎng)格為中心，使用單個“中央節(jié)點”聚合所有數(shù)據(jù)、觸發(fā)自動化事件并將數(shù)據(jù)傳遞到云端。

構(gòu)建傳感器網(wǎng)格

每個“監(jiān)控節(jié)點”都為 Arduino Mega 板添加了一系列傳感器。所涉及的研究人員根據(jù)成本、易用性和靈活性選擇了可供廣泛人群使用的設(shè)備。

為了配備單個監(jiān)控節(jié)點，Arduino 板擴(kuò)展了以下內(nèi)容：

nRF24L01+PA/LNA無線收發(fā)模塊，用于與中心節(jié)點通信

該設(shè)備使用嵌入式無線協(xié)議和 2.4-GHz 頻譜，傳輸距離可達(dá) 1，100 m；2.4-GHz 頻譜允許 125 個獨特的通道，從而擴(kuò)展了單個場和中央節(jié)點的連接數(shù)量。

DHT11溫濕度傳感器，用于表面溫濕度測量

PIR 運動傳感器，它依靠紅外成像來檢測運動，以提醒農(nóng)民注意害蟲或侵入者

MQ-135 氣體傳感器，可檢測空氣中的多種有機化合物，包括煙霧

BMP180 氣壓傳感器可檢測氣壓變化，指示風(fēng)暴或其他即將到來的天氣模式的可能性

土壤濕度傳感器，測量土壤內(nèi)的電阻以確定地面的含水飽和度

降雨檢測傳感器，通過測量感應(yīng)板上的電阻來檢查降雨

pH計，可確定土壤酸度和土壤添加的潛在需求

該研究項目手頭有多種附件可供選擇，因此創(chuàng)建了幾個可以部署在大范圍內(nèi)的傳感單元。鑒于所選的無線通信硬件，單個中央節(jié)點可以為直徑達(dá) 2，200 米的分散監(jiān)控節(jié)點提供服務(wù)。為了準(zhǔn)備每個監(jiān)控節(jié)點，每個 Arduino 都連接到其傳感器陣列，編程為存儲和共享所有傳感器數(shù)據(jù)并為通信而尋址。

創(chuàng)建監(jiān)控節(jié)點后，團(tuán)隊將注意力轉(zhuǎn)向中央節(jié)點，負(fù)責(zé)進(jìn)一步分析和溝通現(xiàn)場條件。

裝備通訊和農(nóng)場管理

監(jiān)督監(jiān)控節(jié)點的集合是一個“中心節(jié)點”，旨在匯總、報告和處理從現(xiàn)場周圍收集的數(shù)據(jù)。它建立在同一個 Arduino Mega 2560 平臺上，可以傳達(dá)整個農(nóng)場發(fā)生的事情。代替與每個監(jiān)控節(jié)點打包的傳感器設(shè)備，中央節(jié)點有一個 Wi-Fi 卡和帶有 SIM 卡的蜂窩無線電，用于“始終在線”將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?。研究團(tuán)隊進(jìn)一步概念化了添加伺服系統(tǒng)、電機和類似硬件是否以及何時對管理整個測試農(nóng)場的自動灌溉和其他補充系統(tǒng)有用。

通過這種設(shè)計，單個中央計算機和 GSM 通信設(shè)備可以中繼在大片土地上收集的信息。其他優(yōu)點很多——鑒于其集中功能，中央節(jié)點被編程為：

通過短信提醒農(nóng)民不斷變化的條件和需要的干預(yù)措施

管理可訪問的輸入，例如在需要水的區(qū)域開啟灌溉

將收集的數(shù)據(jù)推送到云端以進(jìn)行額外的處理、分析和操作

將數(shù)據(jù)收集與全面智能農(nóng)場管理聯(lián)系起來

為了給節(jié)點網(wǎng)絡(luò)供電，該團(tuán)隊將光伏太陽能電池板與電池配對，從而在現(xiàn)場提供一致的電力供應(yīng)。所用組件的基本特性確保了每個節(jié)點的低功耗，從而減少了操作系統(tǒng)所需的整體電源。

隨著從田間源源不斷地流出可公開訪問的數(shù)據(jù)，自動化更多農(nóng)場管理的選項變得靈活。例如，該研究項目選擇谷歌表格來聚合和分析傳感器數(shù)據(jù)。雖然Google 的軟件非常適合此目的，尤其是 Google 套件是免費的，但許多數(shù)據(jù)存儲和分析工具可以提供相同的功能。

關(guān)于專用農(nóng)業(yè)無人機的主題，該團(tuán)隊同樣能夠創(chuàng)建一個帶有現(xiàn)成組件的基本四軸飛行器。對典型無人機的具體改造最終將包括攜帶和精確施用農(nóng)藥和化肥有效載荷的能力。時間上的進(jìn)一步改進(jìn)可能包括害蟲檢測和消除方面的先進(jìn)方法、額外的作物數(shù)據(jù)收集，甚至可以利用機器學(xué)習(xí)在農(nóng)產(chǎn)品分級方面的進(jìn)步。

隨著這些部分的落實，一個用于管理整個農(nóng)場的高性能、開放的概念就形成了。雖然在這個概念中沒有明確地詳細(xì)討論安全性等其他考慮因素，但設(shè)計的開放性允許任何潛在的構(gòu)建者考慮管理他們自己的數(shù)據(jù)的這個問題和其他問題。通過控制他們專門構(gòu)建的“物聯(lián)網(wǎng)”，農(nóng)民可以享受物聯(lián)網(wǎng)承諾的洞察力和效率改進(jìn)，而不會失去可維護(hù)性。

接下來是什么

雖然該研究項目旨在增加一系列以可負(fù)擔(dān)的方式進(jìn)入智能農(nóng)業(yè)的工作，但其價值進(jìn)一步擴(kuò)大。使用流行且廣泛可用的組件（如 Arduinos）的概念不僅降低了進(jìn)入智能農(nóng)業(yè)的成本；這也意味著農(nóng)民對他們的生意有更多的控制權(quán)。

特別是對于世界各地的自給農(nóng)民和中型企業(yè)而言，這種民主化發(fā)生在他們應(yīng)對艱難的商業(yè)決策的關(guān)鍵時刻?！　?/p>