最近的一個(gè)研究項(xiàng)目探索了如何通過(guò)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(lái)創(chuàng)建負(fù)擔(dān)得起的智能農(nóng)場(chǎng)。本文探討了農(nóng)民今天面臨的挑戰(zhàn)、研究項(xiàng)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(guò)去的 20 年中，計(jì)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(chóng)管理更容易；自動(dòng)化使許多雜務(wù)發(fā)生了變化，即使它們并沒(méi)有消失。然而，越來(lái)越多的農(nóng)民發(fā)現(xiàn)他們所依賴(lài)的技術(shù)是一把雙刃劍。

與此同時(shí)，農(nóng)民也在與一系列日益嚴(yán)峻的商業(yè)挑戰(zhàn)作斗爭(zhēng)。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(jì)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(wú)法像以前那樣維修或維修他們的機(jī)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(duì)某些作物的種子獨(dú)家生產(chǎn)商產(chǎn)生了感激之情，因?yàn)樵谙噜徧锏刂信c獲得專(zhuān)利的轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行異花授粉會(huì)引起種子生產(chǎn)商的訴訟。

這些斗爭(zhēng)讓世界各地的農(nóng)民深入挖掘以保持競(jìng)爭(zhēng)力。在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，他們發(fā)現(xiàn)自己被供應(yīng)商推向他們無(wú)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(guò)時(shí)間考驗(yàn)的、節(jié)省成本的措施的選擇。他們對(duì)工作中未提及的技術(shù)成本持謹(jǐn)慎態(tài)度。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，我們有機(jī)會(huì)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(chǎng)的道路對(duì)農(nóng)民來(lái)說(shuō)就更具吸引力。總體而言，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(jī)遇。實(shí)施這些工具的開(kāi)源和其他可用方法對(duì)于農(nóng)民保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)開(kāi)源、低成本的智能農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)

最近在孟加拉國(guó)進(jìn)行的一項(xiàng)研究項(xiàng)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(gè)開(kāi)源模型。該模型大量使用了Arduino 組件，布局了一個(gè)全面的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定義了數(shù)據(jù)分析的方法，并為自動(dòng)化農(nóng)場(chǎng)輸入管理創(chuàng)建了路徑。雖然構(gòu)建的測(cè)試系統(tǒng)的主要重點(diǎn)是田間生產(chǎn)，但已經(jīng)預(yù)計(jì)通用架構(gòu)將來(lái)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(xiàng)目基于 Arduino Mega 2560 上的所有監(jiān)控設(shè)備，以設(shè)置在整個(gè)農(nóng)田中的“監(jiān)控節(jié)點(diǎn)”網(wǎng)格為中心，使用單個(gè)“中央節(jié)點(diǎn)”聚合所有數(shù)據(jù)、觸發(fā)自動(dòng)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(gè)“監(jiān)控節(jié)點(diǎn)”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(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，Arduino 板擴(kuò)展了以下內(nèi)容：

nRF24L01+PA/LNA無(wú)線收發(fā)模塊，用于與中心節(jié)點(diǎn)通信

該設(shè)備使用嵌入式無(wú)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(gè)獨(dú)特的通道，從而擴(kuò)展了單個(gè)場(chǎng)和中央節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)量。

DHT11溫濕度傳感器，用于表面溫濕度測(cè)量

PIR 運(yùn)動(dòng)傳感器，它依靠紅外成像來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，以提醒農(nóng)民注意害蟲(chóng)或侵入者

MQ-135 氣體傳感器，可檢測(cè)空氣中的多種有機(jī)化合物，包括煙霧

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

土壤濕度傳感器，測(cè)量土壤內(nèi)的電阻以確定地面的含水飽和度

降雨檢測(cè)傳感器，通過(guò)測(cè)量感應(yīng)板上的電阻來(lái)檢查降雨

pH計(jì)，可確定土壤酸度和土壤添加的潛在需求

該研究項(xiàng)目手頭有多種附件可供選擇，因此創(chuàng)建了幾個(gè)可以部署在大范圍內(nèi)的傳感單元。鑒于所選的無(wú)線通信硬件，單個(gè)中央節(jié)點(diǎn)可以為直徑達(dá) 2，200 米的分散監(jiān)控節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。為了準(zhǔn)備每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，每個(gè) Arduino 都連接到其傳感器陣列，編程為存儲(chǔ)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(diǎn)后，團(tuán)隊(duì)將注意力轉(zhuǎn)向中央節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)進(jìn)一步分析和溝通現(xiàn)場(chǎng)條件。

裝備通訊和農(nóng)場(chǎng)管理

監(jiān)督監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的集合是一個(gè)“中心節(jié)點(diǎn)”，旨在匯總、報(bào)告和處理從現(xiàn)場(chǎng)周?chē)占臄?shù)據(jù)。它建立在同一個(gè) Arduino Mega 2560 平臺(tái)上，可以傳達(dá)整個(gè)農(nóng)場(chǎng)發(fā)生的事情。代替與每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)打包的傳感器設(shè)備，中央節(jié)點(diǎn)有一個(gè) Wi-Fi 卡和帶有 SIM 卡的蜂窩無(wú)線電，用于“始終在線”將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步概念化了添加伺服系統(tǒng)、電機(jī)和類(lèi)似硬件是否以及何時(shí)對(duì)管理整個(gè)測(cè)試農(nóng)場(chǎng)的自動(dòng)灌溉和其他補(bǔ)充系統(tǒng)有用。

通過(guò)這種設(shè)計(jì)，單個(gè)中央計(jì)算機(jī)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(diǎn)很多——鑒于其集中功能，中央節(jié)點(diǎn)被編程為：

通過(guò)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(wèn)的輸入，例如在需要水的區(qū)域開(kāi)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(chǎng)管理聯(lián)系起來(lái)

為了給節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)供電，該團(tuán)隊(duì)將光伏太陽(yáng)能電池板與電池配對(duì)，從而在現(xiàn)場(chǎng)提供一致的電力供應(yīng)。所用組件的基本特性確保了每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(kāi)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)化更多農(nóng)場(chǎng)管理的選項(xiàng)變得靈活。例如，該研究項(xiàng)目選擇谷歌表格來(lái)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(fèi)的，但許多數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析工具可以提供相同的功能。

關(guān)于專(zhuān)用農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)的主題，該團(tuán)隊(duì)同樣能夠創(chuàng)建一個(gè)帶有現(xiàn)成組件的基本四軸飛行器。對(duì)典型無(wú)人機(jī)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(shí)間上的進(jìn)一步改進(jìn)可能包括害蟲(chóng)檢測(cè)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(jī)器學(xué)習(xí)在農(nóng)產(chǎn)品分級(jí)方面的進(jìn)步。

隨著這些部分的落實(shí)，一個(gè)用于管理整個(gè)農(nóng)場(chǎng)的高性能、開(kāi)放的概念就形成了。雖然在這個(gè)概念中沒(méi)有明確地詳細(xì)討論安全性等其他考慮因素，但設(shè)計(jì)的開(kāi)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(gè)問(wèn)題和其他問(wèn)題。通過(guò)控制他們專(zhuān)門(mén)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(huì)失去可維護(hù)性。

接下來(lái)是什么

雖然該研究項(xiàng)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(jià)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(duì)他們的生意有更多的控制權(quán)。

特別是對(duì)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(duì)艱難的商業(yè)決策的關(guān)鍵時(shí)刻。