物聯(lián)網(wǎng)設計開(kāi)源智能農業(yè)系統

2020-08-10

在過(guò)去的20年中，計算機極大地改變了世界，農業(yè)也感受到了影響。先進(jìn)的設備現在可以提高生產(chǎn)效率；改性種子可以使蟲(chóng)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，農民越來(lái)越發(fā)現他們所依賴(lài)的技術(shù)是一把雙刃劍。

同時(shí)，農民要面對許多日益嚴峻的商業(yè)挑戰。他們還發(fā)現自己無(wú)法以以前的方式來(lái)維修或修理機器，這是因為軟件數字版權管理和其他設備設計決策，使設備制造商的服務(wù)收入超過(guò)了農民。在供應商和農民之間這種緊張關(guān)系的最極端情況下，農民甚至成為某些作物種子生產(chǎn)商的關(guān)注者，因為與相鄰領(lǐng)域中獲得專(zhuān)利的轉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民深遠地保持競爭力。在這場(chǎng)競爭中，他們發(fā)現自己被供應商推向種子，設備，化學(xué)品和他們無(wú)法完全控制的業(yè)務(wù)的其他投入。農民們失去了維修設備，保存種子或采取其他經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗，節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(zhù)這一挑戰，是一個(gè)機會(huì )來(lái)建立農業(yè)工具，使農民重新獲得權力。如果農民可以建立或保留編輯和使用更多設備的權利，那么通往“更智能”農場(chǎng)的道路將對農民更具吸引力?？傮w而言，農業(yè)正在為諸如物聯(lián)網(wǎng)和人工智能之類(lèi)的技術(shù)看到大量機遇。開(kāi)源和其他可使用的實(shí)施這些工具的方式對于農民保持競爭優(yōu)勢至關(guān)重要

最近在孟加拉國進(jìn)行的一項研究項目以以前的工作為基礎，創(chuàng )建了用于智能農業(yè)的開(kāi)源模型。該模型大量使用了Arduino組件，設計了一個(gè)全面的環(huán)境監控系統，定義了數據分析方法，并創(chuàng )建了自動(dòng)農場(chǎng)輸入管理的路徑。雖然構建的測試系統的主要重點(diǎn)是現場(chǎng)生產(chǎn)，但已經(jīng)預料到，將來(lái)可以將通用體系結構應用于溫室，畜牧生產(chǎn)和更多的農業(yè)應用。

該項目基于Arduino Mega 2560的所有監視設備，以整個(gè)農業(yè)領(lǐng)域中設置的“監視節點(diǎn)”網(wǎng)格為中心，單個(gè)“中心節點(diǎn)”聚合所有數據，觸發(fā)自動(dòng)化事件并將數據傳遞到云。

每個(gè)“監視節點(diǎn)”都向Arduino Mega板添加了一系列傳感器。研究人員根據成本，易用性和靈活性選擇了適合普遍人群使用的設備。

為了配備單個(gè)監視節點(diǎn)，Arduino板擴展了以下內容：

nRF24L01 + PA / LNA無(wú)線(xiàn)收發(fā)器模塊，用于與中心節點(diǎn)的通信—使用嵌入式無(wú)線(xiàn)協(xié)議和2.4 GHz頻譜，該設備可以傳輸長(cháng)達1100 m的距離；2.4 GHz頻譜允許125個(gè)信道，從而擴展了單個(gè)服務(wù)器場(chǎng)和中央節點(diǎn)可能的連接數量。

DHT11溫濕度傳感器用于表面溫濕度測量。

PIR運動(dòng)傳感器，依靠紅外成像來(lái)檢測運動(dòng)，以提醒農民注意蟲(chóng)害或侵入者。

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(guò)測量傳感板上的電阻來(lái)檢查降雨。

pH計，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(wú)線(xiàn)通信硬件，則單個(gè)中央節點(diǎn)可以為直徑最大為2200米的分散監視節點(diǎn)提供服務(wù)。為了準備每個(gè)監視節點(diǎn)，每個(gè)Arduino都連接了其傳感器陣列，并進(jìn)行了編程以存儲和共享所有傳感器數據，并為通信而尋址。

創(chuàng )建監視節點(diǎn)后，團隊將注意力轉移到中心節點(diǎn)，負責進(jìn)一步分析和交流現場(chǎng)情況。

進(jìn)行溝通和農場(chǎng)管理

監督監視節點(diǎn)的收集是一個(gè)“中心節點(diǎn)”，旨在匯總，報告和處理從現場(chǎng)收集的數據。它建立在相同的Arduino Mega 2560平臺上，可中繼整個(gè)服務(wù)器場(chǎng)中發(fā)生的事情。代替與每個(gè)監視節點(diǎn)一起包裝的傳感器設備，中央節點(diǎn)具有Wi-Fi卡和帶有SIM卡的蜂窩無(wú)線(xiàn)電，用于“始終在線(xiàn)”將數據傳輸到云。研究團隊進(jìn)一步概念化了添加伺服器，電動(dòng)機和類(lèi)似硬件（如果適用）以及何時(shí)對整個(gè)測試場(chǎng)中的自動(dòng)化灌溉和其他互補系統的管理有用。

通過(guò)這種設計，單個(gè)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(diǎn)很多-憑借其集中功能，中央節點(diǎn)可以編程為：

通過(guò)SMS通知農民變化的條件和需要的干預措施

管理可訪(fǎng)問(wèn)的輸入，例如對需要用水的區域進(jìn)行灌溉

將收集的數據推送到云中以進(jìn)行其他處理，分析和操作

將數據收集與總體智能農場(chǎng)管理捆綁在一起

為了給節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )供電，該團隊將光伏太陽(yáng)能電池板與電池配對，以實(shí)現現場(chǎng)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)節點(diǎn)的功耗都很低，從而減少了操作系統所需的總電源。

有了來(lái)自現場(chǎng)的穩定的，可公開(kāi)訪(fǎng)問(wèn)的數據流，用于自動(dòng)化更多農場(chǎng)管理的選項變得更加靈活。例如，該研究項目選擇Google表格來(lái)匯總和分析傳感器數據。

在專(zhuān)用農業(yè)無(wú)人機這一主題上，該團隊同樣能夠創(chuàng )建帶有現成組件的基本四軸飛行器。對典型無(wú)人機的具體改動(dòng)最終將包括攜帶和精確施用農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(chóng)害檢測和消除，收集更多的農作物數據，甚至可以利用機器學(xué)習技術(shù)對農產(chǎn)品進(jìn)行分級。

當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(chǎng)的高性能，開(kāi)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(lèi)的其他注意事項，但是設計的開(kāi)放性允許任何潛在的構建者考慮有關(guān)管理其自身數據的這一問(wèn)題和其他問(wèn)題。通過(guò)控制其專(zhuān)用的“物聯(lián)網(wǎng)”，農民可以享受物聯(lián)網(wǎng)所承諾的洞察力和效率的提高，而又不會(huì )失去可維護性。