【導讀】對現代農場(chǎng)而言，技術(shù)的進(jìn)步利弊皆存。利用現代農業(yè)和園藝技術(shù)，可以在更小的耕種面積上實(shí)現更多的作物產(chǎn)量，從而滿(mǎn)足日益增長(cháng)的人口需求。然而，如今農場(chǎng)產(chǎn)出的新鮮食品的品質(zhì)在不斷下滑，而數量仍然不足以讓農場(chǎng)主保持盈利。
對現代農場(chǎng)而言，技術(shù)的進(jìn)步利弊皆存。利用現代農業(yè)和園藝技術(shù)，可以在更小的耕種面積上實(shí)現更多的作物產(chǎn)量，從而滿(mǎn)足日益增長(cháng)的人口需求。然而，如今農場(chǎng)產(chǎn)出的新鮮食品的品質(zhì)在不斷下滑，而數量仍然不足以讓農場(chǎng)主保持盈利。
農業(yè)本身非常不穩定。原因在于，每年的產(chǎn)量很大程度上受到外部環(huán)境的影響。為了滿(mǎn)足提高農業(yè)一致性和可持續性的需求，需要將另一種現代技術(shù)應用到農業(yè)中（圖1）。我們先來(lái)了解智能農場(chǎng)。
圖1. 農場(chǎng)主可以遠程監控作物和畜牧的健康狀況，提供有價(jià)值的信息，確保農業(yè)的一致性
強大的聯(lián)網(wǎng)畜牧監控系統有助于增加健康動(dòng)物的數量，從而提高食品質(zhì)量。利用土壤和植物健康監控系統，農場(chǎng)主能夠在前所未有的細節水平上監控作物的健康狀況。借助當今的嵌入式聯(lián)網(wǎng)傳感器系統，未來(lái)的“智能農場(chǎng)”將擁有提高產(chǎn)量和利潤所需的各種工具和能力，同時(shí)仍然能夠滿(mǎn)足挑剔客戶(hù)的質(zhì)量要求。
這些傳感器收集的信息可幫助指導農場(chǎng)主針對其農場(chǎng)制定最佳決策，從而在減少水、農藥和肥料用量的同時(shí)，提高作物和畜牧的生產(chǎn)率。這不但有助于降低農場(chǎng)對自然環(huán)境的影響，還能改良土地質(zhì)量，確保子孫后代的可持續發(fā)展。
嵌入式和無(wú)線(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵推動(dòng)者
簡(jiǎn)單地說(shuō)，確?，F代農場(chǎng)可持續發(fā)展的主要解決方案是向農場(chǎng)主提供有用的信息。由于當今嵌入式和無(wú)線(xiàn)技術(shù)的創(chuàng )新，可通過(guò)采用大量低成本聯(lián)網(wǎng)傳感器陣列來(lái)實(shí)現這一目標。這些傳感器通常監控農田或畜牧的各種現場(chǎng)狀況，包括溫度、pH值、濕度、活動(dòng)數據和GPS坐標。接下來(lái)，這些傳感器通過(guò)4G/5G蜂窩和LoRa等無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )將上述數據傳輸到通?；谠频募惺綌祿?。
之后，可以通過(guò)任意聯(lián)網(wǎng)設備在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)這些數據，并對其進(jìn)行快速分析以確定是否需要采取糾正措施。這樣，農場(chǎng)主便可從世界任何地方訪(fǎng)問(wèn)農場(chǎng)的分析結果。
聯(lián)網(wǎng)傳感器節點(diǎn)并非新概念；但是，為了確保在這種獨特的嚴苛環(huán)境下保持足夠的性能和可靠性，必須滿(mǎn)足一些關(guān)鍵要求。首先，需要可靠的電源，這個(gè)挑戰很難解決，因為農場(chǎng)一般不會(huì )配備長(cháng)達1000英尺的延長(cháng)線(xiàn)。
節點(diǎn)需采用電池供電，并且能效必須足夠高，可以在不更換電池的情況下使用數月甚至數年。為應對這一挑戰，需要利用基于單片機（MCU）的系統來(lái)實(shí)現極高的系統效率，這種系統只需較低的核心CPU使用率即可管理各種復雜任務(wù)，而且在系統不工作時(shí)不會(huì )斷電。
其次，智能農場(chǎng)中的傳感器節點(diǎn)需要在惡劣的偏遠地區保持可操作性，甚至會(huì )安裝到動(dòng)物身上。就整個(gè)系統而言，需要采用既實(shí)用又創(chuàng )新的解決方案才能確保穩定性和功能性。節點(diǎn)需要長(cháng)時(shí)間保留在現場(chǎng)，并且需要極少的硬件維護。所有軟件更新都需要以遠程方式安全完成。為滿(mǎn)足這種需求，需要在農場(chǎng)現場(chǎng)通過(guò)最常見(jiàn)的廣域網(wǎng)（WAN）基礎設施提供可靠的遠程連接。
在設計用于智能農場(chǎng)應用的聯(lián)網(wǎng)系統時(shí)，工程師必須考慮到受監控植物和動(dòng)物的多樣性。植物健康監控系統可以測量各種環(huán)境條件，包括水位、土壤條件、pH值和光照水平，而畜牧跟蹤系統則需要包含GPS坐標、步態(tài)監視器、脈搏血氧儀和監控關(guān)鍵健康數據點(diǎn)的其他傳感器。
針對任意一種情況，理想的商用解決方案都是通用的基礎節點(diǎn)設計，直接購買(mǎi)采用這種設計的產(chǎn)品即可滿(mǎn)足個(gè)別農場(chǎng)的需求。為實(shí)現此目標，基礎節點(diǎn)必須足夠靈活，以便與各種模擬和數字傳感器接口。
不過(guò)，還有另一個(gè)更困難的設計挑戰，涉及到需要在此類(lèi)系統中應用的各種工程學(xué)科。對于智能農場(chǎng)組件設計人員或工程團隊來(lái)說(shuō)，除了精通云基礎設施外，他們還需要在傳統嵌入式設計技術(shù)、射頻通信（包括LoRa、Wi-Fi和蜂窩拓撲的全部細節）以及網(wǎng)絡(luò )安全方面擁有專(zhuān)家級經(jīng)驗。
8位MCU登場(chǎng)
要擴展智能農場(chǎng)的基礎設施，首先從探討前沿應用時(shí)考慮不到的方面開(kāi)始。由于智能農場(chǎng)里的絕大多數傳感器節點(diǎn)都采用電池供電、支持遠程定位且偶爾需要維護，因此要實(shí)現最佳的控制解決方案，必須采用全球最節能的單片機。
8位MCU擁有50余年的歷史，雖然它們一直是大多數低功耗嵌入式任務(wù)的選擇，但最新款器件已加入許多現代特性，可以直接滿(mǎn)足智能農業(yè)和園藝系統的需求。在許多新功能中，PIC?和AVR?單片機上獨立于內核的外設（CIP）是嵌入式設計的“增強器”。
CIP可以獨立于芯片的CPU工作，這樣一來(lái)，設計人員便可將它們設置為在最低功耗模式下處理常見(jiàn)的重復性任務(wù)。在低維護環(huán)境下，CIP還能提供另一項優(yōu)勢，即幫助設計人員提高系統可靠性。由于經(jīng)過(guò)編程后，CIP可以起到類(lèi)似于MCU中的微型FPGA的作用，因此能夠有效避免堆棧上溢或下溢等軟件偏差。
使用同一個(gè)聯(lián)網(wǎng)基礎節點(diǎn)控制器與各種數字和模擬傳感器接口可能頗具挑戰。幸運的是，有一些現代MCU可滿(mǎn)足這類(lèi)特殊應用的需求，同時(shí)最大限度地減少外部組件。此類(lèi)MCU提供用于數字傳感器連接的SPI和I2C接口，以及帶可編程增益放大器（PGA）的差分模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC），可實(shí)現極高的傳感器靈活性（圖2）。利用這些特性，設計人員能夠針對智能農場(chǎng)應用自由構建高度可定制的模塊化傳感器節點(diǎn)。
圖2. 體積小、效率高的MCU是確保智能農業(yè)可持續發(fā)展的關(guān)鍵
隨著(zhù)MCU架構的現代化，其配套開(kāi)發(fā)硬件和軟件環(huán)境也逐漸發(fā)展成熟。對于小型公司的工程團隊而言，嵌入式系統、射頻天線(xiàn)設計和云連接并非核心競爭力，快速原型設計板才是靈丹妙藥。原型設計板為設計人員提供了簡(jiǎn)單的參考示例，甚至包括可與最常見(jiàn)的云提供商連接的GitHub資源庫和固件。
遠程傳感器技術(shù)
當今的農業(yè)和園藝業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)技術(shù)革命。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)植物和動(dòng)物健康數據正在變革農場(chǎng)的運營(yíng)方式，帶來(lái)的結果是提高了產(chǎn)量并增強了土地的活力（圖3）。
圖3. 利用采用8位MCU的遠程傳感器技術(shù)監控農場(chǎng)健康狀況，確保作物獲得必要的照料以茁壯成長(cháng)
這場(chǎng)革命的前沿是“隨處可用”的云連接，但其基礎仍然是使用成熟的8位單片機構建的。無(wú)論現在還是未來(lái)，對于可持續性增強型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)人員而言，現代化MCU架構（如具有CIP的AVR和PIC）都將是在傳感器和云之間架起橋梁的關(guān)鍵組件。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
汽車(chē)產(chǎn)業(yè)加速邁向智能網(wǎng)聯(lián)電氣化，車(chē)規中國芯力爭據此集體突破并實(shí)現高質(zhì)量發(fā)展
應對實(shí)際工程挑戰，如何為嵌入式軟件開(kāi)發(fā)選擇編譯器
敏芯股份：基于PMUT的TOF模組方案助力智能傳感發(fā)展
