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備放置在物聯(lián)網傳感器網絡中來創(chuàng)建負擔得起的智能農場。本文探討了農民今天面臨的挑戰(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，農業(yè)也感受到了影響。先進的設備現(xiàn)在可以提高生產效率；改良種子可以使害蟲管理更容易；自動化使許多雜務發(fā)生了變化，即使它們并沒有消失。然而，越來越多的農民發(fā)現(xiàn)他們所依賴的技術是一把雙刃劍。

與此同時，農民也在與一系列日益嚴峻的商業(yè)挑戰(zhàn)作斗爭。他們還發(fā)現(xiàn)，由于軟件數(shù)字版權管理和其他設備設計決策偏向于設備制造商的服務收入，而不是農民，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。在供應商和農民之間這種緊張關系的最極端情況下，農民甚至對某些作物的種子獨家生產商產生了感激之情，因為在相鄰田地中與獲得專利的轉基因植物進行異花授粉會引起種子生產商的訴訟。

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

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

設計開源、低成本的智能農場系統(tǒng)

最近在孟加拉國進行的一項研究項目建立在以前的工作基礎上，為智能農業(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)據分析的方法，并為自動化農場輸入管理創(chuàng)建了路徑。雖然構建的測試系統(tǒng)的主要重點是田間生產，但已經預計通用架構將來可以應用于溫室、畜牧生產和更多的農業(yè)應用。

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

構建傳感器網格

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成本、易用性和靈活性選擇了可供廣泛人群使用的設備。

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

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

該設備使用嵌入式無線協(xié)議和 2.4-GHz 頻譜，傳輸距離可達 1，100 m；2.4-GHz 頻譜允許 125 個獨特的通道，從而擴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 2，200 米的分散監(jiān)控節(jié)點提供服務。為了準備每個監(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)據并為通信而尋址。

創(chuàng)建監(jiān)控節(jié)點后，團隊將注意力轉向中央節(jié)點，負責進一步分析和溝通現(xiàn)場條件。

裝備通訊和農場管理

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。它建立在同一個 Arduino Mega 2560 平臺上，可以傳達整個農場發(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)據傳輸?shù)皆贫?。研究團隊進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場的自動灌溉和其他補充系統(tǒng)有用。

通過這種設計，單個中央計算機和 GSM 通信設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：

通過短信提醒農民不斷變化的條件和需要的干預措施

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)據推送到云端以進行額外的處理、分析和操作

將數(shù)據收集與全面智能農場管理聯(lián)系起來

為了給節(jié)點網絡供電，該團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。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，自動化更多農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。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)據存儲和分析工具可以提供相同的功能。

關于專用農業(yè)無人機的主題，該團隊同樣能夠創(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藥和化肥有效載荷的能力。時間上的進一步改進可能包括害蟲檢測和消除方面的先進方法、額外的作物數(shù)據收集，甚至可以利用機器學習在農產品分級方面的進步。

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

接下來是什么

雖然該研究項目旨在增加一系列以可負擔的方式進入智能農業(yè)的工作，但其價值進一步擴大。使用流行且廣泛可用的組件（如 Arduinos）的概念不僅降低了進入智能農業(yè)的成本；這也意味著農民對他們的生意有更多的控制權。

特別是對于世界各地的自給農民和中型企業(yè)而言，這種民主化發(fā)生在他們應對艱難的商業(yè)決策的關鍵時刻。