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技術(shù)專題
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)開源智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)
在過去的20年中，計(jì)算機(jī)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；改性種子可以使蟲害管理更容易；自動(dòng)化使許多瑣事得以改變，即使它們不會(huì)消失。但是，農(nóng)民越來越發(fā)現(xiàn)他們所依賴的技術(shù)是一把雙刃劍。
同時(shí)，農(nóng)民要面對許多日益嚴(yán)峻的商業(yè)挑戰(zhàn)。他們還發(fā)現(xiàn)自己無法以以前的方式來維修或修理機(jī)器，這是因?yàn)檐浖?shù)字版權(quán)管理和其他設(shè)備設(shè)計(jì)決策，使設(shè)備制造商的服務(wù)收入超過了農(nóng)民。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)民甚至成為某些作物種子生產(chǎn)商的關(guān)注者，因?yàn)榕c相鄰領(lǐng)域中獲得專利的轉(zhuǎn)基因植物的異花授粉吸引了種子生產(chǎn)商的訴訟。
這些斗爭使世界各地的農(nóng)民深遠(yuǎn)地保持競爭力。在這場競爭中，他們發(fā)現(xiàn)自己被供應(yīng)商推向種子，設(shè)備，化學(xué)品和他們無法完全控制的業(yè)務(wù)的其他投入。農(nóng)民們失去了維修設(shè)備，保存種子或采取其他經(jīng)過時(shí)間考驗(yàn)，節(jié)省成本的措施的選擇。他們警惕工作中未提及的技術(shù)成本。
伴隨著這一挑戰(zhàn)，是一個(gè)機(jī)會(huì)來建立農(nóng)業(yè)工具，使農(nóng)民重新獲得權(quán)力。如果農(nóng)民可以建立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)場的道路將對農(nóng)民更具吸引力?？傮w而言，農(nóng)業(yè)正在為諸如物聯(lián)網(wǎng)和人工智能之類的技術(shù)看到大量機(jī)遇。開源和其他可使用的實(shí)施這些工具的方式對于農(nóng)民保持競爭優(yōu)勢至關(guān)重要
最近在孟加拉國進(jìn)行的一項(xiàng)研究項(xiàng)目以以前的工作為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了用于智能農(nóng)業(yè)的開源模型。該模型大量使用了Arduino組件，設(shè)計(jì)了一個(gè)全面的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，定義了數(shù)據(jù)分析方法，并創(chuàng)建了自動(dòng)農(nóng)場輸入管理的路徑。雖然構(gòu)建的測試系統(tǒng)的主要重點(diǎn)是現(xiàn)場生產(chǎn)，但已經(jīng)預(yù)料到，將來可以將通用體系結(jié)構(gòu)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的所有監(jiān)視設(shè)備，以整個(gè)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中設(shè)置的“監(jiān)視節(jié)點(diǎn)”網(wǎng)格為中心，單個(gè)“中心節(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。
每個(gè)“監(jiān)視節(jié)點(diǎn)”都向Arduino Mega板添加了一系列傳感器。研究人員根據(jù)成本，易用性和靈活性選擇了適合普遍人群使用的設(shè)備。
為了配備單個(gè)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)，Arduino板擴(kuò)展了以下內(nèi)容：
nRF24L01 + PA / LNA無線收發(fā)器模塊，用于與中心節(jié)點(diǎn)的通信—使用嵌入式無線協(xié)議和2.4 GHz頻譜，該設(shè)備可以傳輸長達(dá)1100 m的距離；2.4 GHz頻譜允許125個(gè)信道，從而擴(kuò)展了單個(gè)服務(wù)器場和中央節(jié)點(diǎn)可能的連接數(shù)量。
DHT11溫濕度傳感器用于表面溫濕度測量。
PIR運(yùn)動(dòng)傳感器，依靠紅外成像來檢測運(yùn)動(dòng)，以提醒農(nóng)民注意蟲害或侵入者。
MQ-135氣體傳感器，可檢測空氣中的多種有機(jī)化合物，包括煙霧。
BMP180大氣壓力傳感器可檢測大氣壓力的變化，從而指示可能發(fā)生暴風(fēng)雨或其他天氣狀況。
土壤濕度傳感器，可測量土壤中的電阻以確定地面的水飽和度。
降雨檢測傳感器，通過測量傳感板上的電阻來檢查降雨。
pH計(jì)，可確定土壤的酸度和添加土壤的潛在需求。
有了各種各樣的附件，該研究項(xiàng)目創(chuàng)建了多個(gè)傳感單元，這些傳感單元可以部署在廣闊的領(lǐng)域。如果選擇了無線通信硬件，則單個(gè)中央節(jié)點(diǎn)可以為直徑最大為2200米的分散監(jiān)視節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。為了準(zhǔn)備每個(gè)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)，每個(gè)Arduino都連接了其傳感器陣列，并進(jìn)行了編程以存儲(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)視節(jié)點(diǎn)后，團(tuán)隊(duì)將注意力轉(zhuǎn)移到中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)進(jìn)一步分析和交流現(xiàn)場情況。
進(jìn)行溝通和農(nóng)場管理
監(jiān)督監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的收集是一個(gè)“中心節(jié)點(diǎn)”，旨在匯總，報(bào)告和處理從現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)。它建立在相同的Arduino Mega 2560平臺上，可中繼整個(gè)服務(wù)器場中發(fā)生的事情。代替與每個(gè)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)一起包裝的傳感器設(shè)備，中央節(jié)點(diǎn)具有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)皆啤Ｑ芯繄F(tuán)隊(duì)進(jìn)一步概念化了添加伺服器，電動(dòng)機(jī)和類似硬件（如果適用）以及何時(shí)對整個(gè)測試場中的自動(dòng)化灌溉和其他互補(bǔ)系統(tǒng)的管理有用。
通過這種設(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-憑借其集中功能，中央節(jié)點(diǎn)可以編程為：
通過SMS通知農(nóng)民變化的條件和需要的干預(yù)措施
管理可訪問的輸入，例如對需要用水的區(qū)域進(jìn)行灌溉
將收集的數(shù)據(jù)推送到云中以進(jìn)行其他處理，分析和操作
將數(shù)據(jù)收集與總體智能農(nóng)場管理捆綁在一起
為了給節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)供電，該團(tuán)隊(duì)將光伏太陽能電池板與電池配對，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場一致的電源可用性。所使用組件的基本性質(zhì)可確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗都很低，從而減少了操作系統(tǒng)所需的總電源。
有了來自現(xiàn)場的穩(wěn)定的，可公開訪問的數(shù)據(jù)流，用于自動(dòng)化更多農(nóng)場管理的選項(xiàng)變得更加靈活。例如，該研究項(xiàng)目選擇Google表格來匯總和分析傳感器數(shù)據(jù)。
在專用農(nóng)業(yè)無人機(jī)這一主題上，該團(tuán)隊(duì)同樣能夠創(chuàng)建帶有現(xiàn)成組件的基本四軸飛行器。對典型無人機(jī)的具體改動(dòng)最終將包括攜帶和精確施用農(nóng)藥和肥料有效載荷的能力。時(shí)間的進(jìn)一步改善可能包括采用先進(jìn)的方法進(jìn)行蟲害檢測和消除，收集更多的農(nóng)作物數(shù)據(jù)，甚至可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行分級。
當(dāng)所有這些組件都安裝到位時(shí)，用于管理整個(gè)服務(wù)器場的高性能，開放式概念就形成了。盡管在此概念中并未詳盡地解決諸如安全性之類的其他注意事項(xiàng)，但是設(shè)計(jì)的開放性允許任何潛在的構(gòu)建者考慮有關(guān)管理其自身數(shù)據(jù)的這一問題和其他問題。通過控制其專用的“物聯(lián)網(wǎng)”，農(nóng)民可以享受物聯(lián)網(wǎng)所承諾的洞察力和效率的提高，而又不會(huì)失去可維護(hù)性。