物(wù)联网设计开源智能(néng)农业系统

2020-08-10

在过去的20年中，计算机极大地改变了世界，农业也感受到了影响。先进的设备现在可(kě)以提高生产效率；改性种子可(kě)以使虫害管理(lǐ)更容易；自动化使许多(duō)琐事得以改变，即使它们不会消失。但是，农民(mín)越来越发现他(tā)们所依赖的技术是一把双刃剑。

同时，农民(mín)要面对许多(duō)日益严峻的商(shāng)业挑战。他(tā)们还发现自己无法以以前的方式来维修或修理(lǐ)机器，这是因為(wèi)软件数字版权管理(lǐ)和其他(tā)设备设计决策，使设备制造商(shāng)的服務(wù)收入超过了农民(mín)。在供应商(shāng)和农民(mín)之间这种紧张关系的最极端情况下，农民(mín)甚至成為(wèi)某些作物(wù)种子生产商(shāng)的关注者，因為(wèi)与相邻领域中获得专利的转基因植物(wù)的异花(huā)授粉吸引了种子生产商(shāng)的诉讼。

这些斗争使世界各地的农民(mín)深遠(yuǎn)地保持竞争力。在这场竞争中，他(tā)们发现自己被供应商(shāng)推向种子，设备，化學(xué)品和他(tā)们无法完全控制的业務(wù)的其他(tā)投入。农民(mín)们失去了维修设备，保存种子或采取其他(tā)经过时间考验，节省成本的措施的选择。他(tā)们警惕工作中未提及的技术成本。

伴随着这一挑战，是一个机会来建立农业工具，使农民(mín)重新(xīn)获得权力。如果农民(mín)可(kě)以建立或保留编辑和使用(yòng)更多(duō)设备的权利，那么通往“更智能(néng)”农场的道路将对农民(mín)更具吸引力。总體(tǐ)而言，农业正在為(wèi)诸如物(wù)联网和人工智能(néng)之类的技术看到大量机遇。开源和其他(tā)可(kě)使用(yòng)的实施这些工具的方式对于农民(mín)保持竞争优势至关重要

最近在孟加拉國(guó)进行的一项研究项目以以前的工作為(wèi)基础，创建了用(yòng)于智能(néng)农业的开源模型。该模型大量使用(yòng)了Arduino组件，设计了一个全面的环境监控系统，定义了数据分(fēn)析方法，并创建了自动农场输入管理(lǐ)的路径。虽然构建的测试系统的主要重点是现场生产，但已经预料到，将来可(kě)以将通用(yòng)體(tǐ)系结构应用(yòng)于温室，畜牧生产和更多(duō)的农业应用(yòng)。

该项目基于Arduino Mega 2560的所有(yǒu)监视设备，以整个农业领域中设置的“监视节点”网格為(wèi)中心，单个“中心节点”聚合所有(yǒu)数据，触发自动化事件并将数据传递到云。

每个“监视节点”都向Arduino Mega板添加了一系列传感器。研究人员根据成本，易用(yòng)性和灵活性选择了适合普遍人群使用(yòng)的设备。

為(wèi)了配备单个监视节点，Arduino板扩展了以下内容：

nRF24L01 + PA / LNA无線(xiàn)收发器模块，用(yòng)于与中心节点的通信—使用(yòng)嵌入式无線(xiàn)协议和2.4 GHz频谱，该设备可(kě)以传输長(cháng)达1100 m的距离；2.4 GHz频谱允许125个信道，从而扩展了单个服務(wù)器场和中央节点可(kě)能(néng)的连接数量。

DHT11温湿度传感器用(yòng)于表面温湿度测量。

PIR运动传感器，依靠红外成像来检测运动，以提醒农民(mín)注意虫害或侵入者。

MQ-135气體(tǐ)传感器，可(kě)检测空气中的多(duō)种有(yǒu)机化合物(wù)，包括烟雾。

BMP180大气压力传感器可(kě)检测大气压力的变化，从而指示可(kě)能(néng)发生暴风雨或其他(tā)天气状况。

土壤湿度传感器，可(kě)测量土壤中的電(diàn)阻以确定地面的水饱和度。

降雨检测传感器，通过测量传感板上的電(diàn)阻来检查降雨。

pH计，可(kě)确定土壤的酸度和添加土壤的潜在需求。

有(yǒu)了各种各样的附件，该研究项目创建了多(duō)个传感单元，这些传感单元可(kě)以部署在广阔的领域。如果选择了无線(xiàn)通信硬件，则单个中央节点可(kě)以為(wèi)直径最大為(wèi)2200米的分(fēn)散监视节点提供服務(wù)。為(wèi)了准备每个监视节点，每个Arduino都连接了其传感器阵列，并进行了编程以存储和共享所有(yǒu)传感器数据，并為(wèi)通信而寻址。

创建监视节点后，团队将注意力转移到中心节点，负责进一步分(fēn)析和交流现场情况。

进行沟通和农场管理(lǐ)

监督监视节点的收集是一个“中心节点”，旨在汇总，报告和处理(lǐ)从现场收集的数据。它建立在相同的Arduino Mega 2560平台上，可(kě)中继整个服務(wù)器场中发生的事情。代替与每个监视节点一起包装的传感器设备，中央节点具有(yǒu)Wi-Fi卡和带有(yǒu)SIM卡的蜂窝无線(xiàn)電(diàn)，用(yòng)于“始终在線(xiàn)”将数据传输到云。研究团队进一步概念化了添加伺服器，電(diàn)动机和类似硬件（如果适用(yòng)）以及何时对整个测试场中的自动化灌溉和其他(tā)互补系统的管理(lǐ)有(yǒu)用(yòng)。

通过这种设计，单个中央计算机和GSM通信设备可(kě)以中继在大片土地上收集的信息。其他(tā)优点很(hěn)多(duō)-凭借其集中功能(néng)，中央节点可(kě)以编程為(wèi)：

通过SMS通知农民(mín)变化的条件和需要的干预措施

管理(lǐ)可(kě)访问的输入，例如对需要用(yòng)水的區(qū)域进行灌溉

将收集的数据推送到云中以进行其他(tā)处理(lǐ)，分(fēn)析和操作

将数据收集与总體(tǐ)智能(néng)农场管理(lǐ)捆绑在一起

為(wèi)了给节点网络供電(diàn)，该团队将光伏太阳能(néng)電(diàn)池板与電(diàn)池配对，以实现现场一致的電(diàn)源可(kě)用(yòng)性。所使用(yòng)组件的基本性质可(kě)确保每个节点的功耗都很(hěn)低，从而减少了操作系统所需的总電(diàn)源。

有(yǒu)了来自现场的稳定的，可(kě)公开访问的数据流，用(yòng)于自动化更多(duō)农场管理(lǐ)的选项变得更加灵活。例如，该研究项目选择Google表格来汇总和分(fēn)析传感器数据。

在专用(yòng)农业无人机这一主题上，该团队同样能(néng)够创建带有(yǒu)现成组件的基本四轴飞行器。对典型无人机的具體(tǐ)改动最终将包括携带和精确施用(yòng)农药和肥料有(yǒu)效载荷的能(néng)力。时间的进一步改善可(kě)能(néng)包括采用(yòng)先进的方法进行虫害检测和消除，收集更多(duō)的农作物(wù)数据，甚至可(kě)以利用(yòng)机器學(xué)习技术对农产品进行分(fēn)级。

当所有(yǒu)这些组件都安装到位时，用(yòng)于管理(lǐ)整个服務(wù)器场的高性能(néng)，开放式概念就形成了。尽管在此概念中并未详尽地解决诸如安全性之类的其他(tā)注意事项，但是设计的开放性允许任何潜在的构建者考虑有(yǒu)关管理(lǐ)其自身数据的这一问题和其他(tā)问题。通过控制其专用(yòng)的“物(wù)联网”，农民(mín)可(kě)以享受物(wù)联网所承诺的洞察力和效率的提高，而又(yòu)不会失去可(kě)维护性。