受控環(huán)境農業(yè)（CEA，由于容納作物和基礎設施的多層設施，也稱為垂直農業(yè)）是一個有前途的利基市場。通過采用工業(yè)物聯網(IIoT) 并采用全封閉、氣候可控的環(huán)境來消除疾病、害蟲或季節(jié)性天氣變化等外部因素，綠葉蔬菜、香草和西紅柿等植物的產量可以大幅增加。該技術不依賴于昂貴的耕地，因此適合在任何地方建立——包括城市社區(qū)的中心。

垂直農業(yè)產生的高產量背后是一些領先的電子工程發(fā)展，包括無線傳感器、網狀網絡和云連接?；A設施對于 CEA 企業(yè)的成功至關重要，但由于復雜且耗時的設計、調試和配置，它會增加成本。構建當今 CEA 所需的工程專業(yè)知識和購買成本將其采用限制在大型、富有的組織中，并阻礙了技術傳播到它可能產生最大影響的地方，例如發(fā)展中國家。然而，電子產品制造商正在努力改變這一趨勢，他們推出的產品將垂直農業(yè)成功所必需的多個傳感器組合到一個模塊中，從而更容易實施并降低成本。

棘手的企業(yè)

分析公司 Statista 報告稱，雖然垂直農業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，但隨著全球 CEA 市場在 2016 年達到約 15 億美元的價值，并預計到 2023 年將增長約 64 億美元，其采用目前僅限于富裕國家。研究分析師 MarketsandMarkets 指出，中國、日本、新加坡、美國 (US) 和荷蘭是迄今為止最大的參與者。同樣，盡管垂直農業(yè)所需的 LED、無線傳感器、互聯網連接以及在線軟件和硬件資源已得到證實且易于獲取，但大規(guī)模的商業(yè)實施卻很少見。相對稀缺的一個主要原因是 CEA 系統的設計和實施具有挑戰(zhàn)性。

垂直農業(yè)的成功取決于對農場環(huán)境的精確管理和維護。通過控制光強度和波長、溫度、濕度、氣流和 CO 2以及揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 濃度等因素，監(jiān)管人員可以確保植物盡可能快地生長，同時為消費者保留其審美、口味和營養(yǎng)價值。例如，研究表明，在 0.3 至 0.5mps 范圍內的恒定空氣流動（在恒定的蒸氣壓下）可使 CO 2和水蒸氣最佳地擴散到葉子中，以幫助光合作用并最大限度地促進美味綠葉蔬菜的生長。

這種對生長條件的精細管理需要基于計算機的閉環(huán)過程控制系統的監(jiān)督，這些系統使用傳感器將數據無線轉發(fā)到設施內或遠程位置的監(jiān)控計算機。如果傳感器讀數檢測到偏離最佳擴散速率的漂移，則監(jiān)控計算機可以進行適當的調整以將條件重置回理想水平。連通性確保系統保留所有數據，并可以使用它來計算證明哪些條件最適合特定植物的生長。

例如，位于新澤西州紐瓦克的 AeroFarms 的 CEA 科學家在每次收獲時監(jiān)測超過 130,000 個數據點。然后，技術人員將這些信息與預測分析一起使用，以審查、測試和增強下一次收獲的生長系統。

CEA 電子工程變得簡單

用于單個變量的閉環(huán)、網絡、無線傳感器系統的實施是一項挑戰(zhàn)，但當控制擴展到決定 CEA 成功的多個變量時，難度會大大增加。這些挑戰(zhàn)包括：

資助大量傳感器的安裝和維護，

構建和驗證基于傳感器的系統和相關的網狀網絡，

調試和配置多種傳感器類型，

確?？绱笮途W絡的無沖突通信，以及

管理廣泛傳感器群體的權力。

這些 CEA 工程挑戰(zhàn)的解決方案是以商業(yè)引入模塊的形式出現，這些模塊將多個傳感器集成到單個模塊上。TE Connectivity的AmbiMate傳感器模塊等產品在可直接連接的印刷電路板 (PCB) 組件上提供多個傳感器，以便輕松集成到主機產品中。每個模塊都結合了四個核心傳感器（即運動、光、溫度和濕度），而變體可以添加 CO 2、VOC 和聲音（麥克風）功能。

這些傳感器連接到單個機載微處理器并利用單個電源。嵌入式微處理器配備了一個 I2C 接口，可以相對簡單地連接到無線收發(fā)器進行數據傳輸。每個模塊變體都在相同的占地面積上制造，使設計人員可以在必要時輕松切換到不同的傳感器組合。最后，機載傳感器能夠以 CEA 所需的精度測量參數。例如，溫度和濕度傳感器分別提供 ±0.3°C 和 ±2% 的相對濕度 (RH) 測量精度，以及一秒的采集速率（圖 1）。

圖 1：TE Connectivity 的 AmbiMate 傳感器模塊 MS4 系列基于通用封裝，使設計人員更容易為特定應用定制最終產品。（來源：TE Connectivity）

通過將多個傳感器集成到一個模塊中，AmbiMate 的 MS4 系列等產品可以減少 CEA 過程控制系統中的節(jié)點數量，并緩解許多關鍵的工程挑戰(zhàn)。更少的節(jié)點導致更簡單的網絡和更低的復雜性和成本水平，并加速測試、配置和調試。

鼓勵垂直農業(yè)

傳統農業(yè)已經消耗了地球 40% 的土地，要找到更多種植作物的空間就需要砍伐寶貴的熱帶雨林。然而，據美國報紙《新聞周刊》報道，到 2050 年，糧食產量需要擴大 70%，才能養(yǎng)活預計將近 100 億的全球人口。

根據 CEA 全球協會的說法，垂直農業(yè)是答案，因為它結合了農業(yè)科學、工程和技術，一年 365 天在規(guī)?；统掷m(xù)的環(huán)境中以及在天氣和室外環(huán)境否則會限制或排除的地方種植新鮮食物生鮮食品生產。此外，將新鮮食品生產本地化到城市人口附近是明智且高效的。通過整合農業(yè)和工程，水、耕地和能源等有限資源的保護變得可行。

結論

毫無疑問，CEA 是一項很有前途的技術，考慮到運行最好的設施每年的產量比同等面積的傳統農田高出近 400 倍。盡管如此，它仍然是一個剛剛起步的企業(yè)，目前的進入門檻非常高，以至于除了非常富裕的國家之外，其他任何國家都被排除在采用這項技術之外。壁壘很高，因為 CEA 的成功在很大程度上依賴于目前復雜且昂貴的技術。TE Connectivity 的 AmbiMate 等多傳感器模塊的推出是簡化基于 CEA 的工程和發(fā)布技術以進一步幫助和養(yǎng)活世界的道路上邁出的重要一步。

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