【導讀】國際糧農組織在2022《世界糧食安全和營(yíng)養狀況》報告中提到，2021年全球受饑餓影響的人數已經(jīng)增加到8.28億人。令人憂(yōu)心的是，生活在地球上的人口總數還在不斷攀升，根據聯(lián)合國的數據，到2050年，世界人口預計將達到97億。而受極端天氣、土壤惡化、土地干燥和生態(tài)系統崩潰等影響，糧食生產(chǎn)正變得越來(lái)越復雜和困難。眼下有沒(méi)有辦法破解這一困境呢？
答案是：智慧農業(yè)的蓬勃發(fā)展讓我們看到了希望。
什么是智慧農業(yè)？
智慧農業(yè)是指利用先進(jìn)的技術(shù)和更多的數據來(lái)提高農業(yè)生產(chǎn)效率的系統。簡(jiǎn)單地說(shuō)，智慧農業(yè)不僅能夠大幅提高農業(yè)生產(chǎn)力，解決糧食需求等農業(yè)問(wèn)題，還能使現在的農場(chǎng)或農莊更加智能。因此，Statista預測，預計到2026年，全球智慧農業(yè)的市場(chǎng)價(jià)值將達到約340億美元。
物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是一種發(fā)展迅猛的現代技術(shù)，從零售業(yè)、制造業(yè)、運輸業(yè)到航空業(yè)，全球許多行業(yè)都在充分利用物聯(lián)網(wǎng)，當然，農業(yè)也不例外。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)在農業(yè)中的應用不斷擴大，人類(lèi)和整個(gè)地球的生活都將發(fā)生質(zhì)的變化。專(zhuān)家估計，到2022年，農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)預計將達到231.4億美元，未來(lái)幾年有望部署7,500萬(wàn)個(gè)用于農業(yè)目的的物聯(lián)網(wǎng)系統。
對精準農業(yè)和智慧農業(yè)的需求不斷增加，是物聯(lián)網(wǎng)成為農業(yè)必備技術(shù)的誘因?，F在，越來(lái)越多的農業(yè)公司和農民正在采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧農業(yè)系統來(lái)提高產(chǎn)量。聯(lián)合國的數據顯示，2010年至2050年間，預計全球農業(yè)產(chǎn)量將增長(cháng)69%。結合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和解決方案的智慧農業(yè)，通過(guò)實(shí)時(shí)現場(chǎng)數據收集、數據分析和控制機制的部署，大幅提高了農業(yè)運營(yíng)效率，成為提高農產(chǎn)品產(chǎn)量的助推劑。
在智慧農業(yè)領(lǐng)域，我們經(jīng)常會(huì )聽(tīng)到精準農業(yè)這個(gè)詞語(yǔ)。精準農業(yè)的目的是為農民提供現代化的農業(yè)管理方式，涉及利用信息技術(shù)進(jìn)行高度精確和受控的農業(yè)生產(chǎn)，不僅提高了生產(chǎn)力，還能有效改善作物和土壤質(zhì)量。精準農業(yè)的實(shí)施主要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集和分析有關(guān)土壤和作物狀況的數據，然后，農民利用這些數據和信息來(lái)決定何時(shí)種植和收獲特定作物，作物需要多少水等。如今，精準農業(yè)正在成為發(fā)達國家最具影響力的農業(yè)發(fā)展趨勢，市場(chǎng)價(jià)值預計也將從2021年的67.3億美元增長(cháng)到2027年的144.4億美元。
物聯(lián)網(wǎng)：建立智慧農業(yè)的關(guān)鍵要素
智慧農業(yè)系統的一些常見(jiàn)元素包括：用于跟蹤和管理土壤狀況、濕度、溫度、污染水平和其他參數的物聯(lián)網(wǎng)設備；用于傳輸現場(chǎng)收集數據的蜂窩、LoRa和Wi-Fi等連接技術(shù)；專(zhuān)用軟件；位置跟蹤系統；操作自主設備或無(wú)人機的機器人；數據分析服務(wù)等。
在實(shí)際應用中，從精準農業(yè)、畜牧業(yè)到智能溫室自動(dòng)化，幾乎任何智慧農業(yè)技術(shù)都是基于物聯(lián)網(wǎng)設備而建立的。與其他行業(yè)一樣，物聯(lián)網(wǎng)在農業(yè)中的應用實(shí)現了以前難以獲得的高效率、資源和成本的降低。在此過(guò)程中，傳感器數據分析推動(dòng)了農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的透明度，并為農民提供了關(guān)于土壤和環(huán)境等各項參數，僅憑田間土壤傳感器，農民就可以管理他們現有的資源，使總收入增加近20%。
智慧農業(yè)中的傳感技術(shù)
我們今天談?wù)摰霓r業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，通常是指將傳感、自動(dòng)化和分析技術(shù)添加到現代農業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程。傳感器在這場(chǎng)技術(shù)革命中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。
農業(yè)中使用的物聯(lián)網(wǎng)傳感器種類(lèi)繁多，它們常常被用來(lái)探測大氣和土壤的溫濕度、光照情況、二氧化碳含量、田地位置、土壤成分等。這些傳感器被安裝在整個(gè)田地、基于物聯(lián)網(wǎng)的監測系統、智慧農業(yè)設備以及農業(yè)氣象站上。來(lái)自不同傳感器的數據組合使農民能夠建立作物模型，預測作物在給定條件下的生長(cháng)方式，整合精準農業(yè)實(shí)踐，制定收割策略等。
1位置傳感
精準定位是精準農業(yè)的基礎，使用來(lái)自GPS衛星的信號獲得的緯度、經(jīng)度等數據能準確地確定田地所處的位置，當使用自動(dòng)化機械耕種田地時(shí)，設備中配備的自動(dòng)引導系統可輕松優(yōu)化田地路線(xiàn)，減少完成任務(wù)所需的時(shí)間。在農業(yè)機械中，用于植物種植和收割的設備和車(chē)輛在其高精度車(chē)輛制導系統中也會(huì )采用GPS傳感技術(shù)。當然，GPS傳感技術(shù)也可以用來(lái)對飼養的牲畜進(jìn)行跟蹤和監測。在實(shí)際應用中，對一個(gè)位置進(jìn)行三角測量時(shí)至少需要三顆衛星。
u-blox公司的ZED-F9T全球導航衛星系統（GNSS）模塊采用了多頻段射頻前端架構，將F9多頻段平臺集成在一個(gè)22毫米x17毫米的小型表面安裝器件中，支持所有四個(gè)主要的全球導航衛星系統，如GPS、伽利略、GLONASS和北斗。這些多頻段GNSS模塊提供5ns（1西格瑪）的定時(shí)精度，且以超低功耗工作。ZED-F9T模塊具有可同時(shí)接收和跟蹤多個(gè)GNSS系統的GNSS接收器，工作電壓范圍為-0.5V至3.6V，輸出電流為100mA。
圖1：u-blox公司ZED-F9T全球導航衛星系統模塊
（來(lái)源：u-blox）
日本Nisshinbo公司的NJG115xP前端模塊（FEM）專(zhuān)為全球導航衛星系統設計，包括GPS、GLONASS、北斗和伽利略應用。該器件可以在1.5V至3.3V的電壓范圍內工作。其中，NJG1157PCD主要針對GPS和GLONASS應用而設計，該FEM具有高增益、低噪聲系數、高線(xiàn)性度和高帶外抑制特性，這些特性由高性能前置SAW濾波器、低噪聲放大器（LNA）和post-SAW濾波器支持。
圖2：NJG1157PCD簡(jiǎn)單易用，只需兩個(gè)外部元件
（來(lái)源：Nisshinbo）
2 溫/濕度傳感
溫/濕度傳感器在智慧農業(yè)的兩個(gè)關(guān)鍵應用中都發(fā)揮著(zhù)重要作用，一是土壤溫/濕度檢測，另一個(gè)是環(huán)境條件監測。土壤溫/濕度是地下植物生長(cháng)活動(dòng)的一個(gè)重要因素，它能直接影響根系的生長(cháng)和呼吸。物聯(lián)網(wǎng)溫度傳感器可以通過(guò)測量空氣溫度和其他因素來(lái)估計土壤溫度，也可以使用埋在土壤中的探針進(jìn)行準確的測量。
ADI公司的數字溫度傳感器DS18B20能提供9位至12位攝氏溫度測量，具有用戶(hù)可編程的上下觸發(fā)點(diǎn)報警功能。傳感器的分辨率可由用戶(hù)配置為9、10、11或12位，分別對應0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃的增量。通電時(shí)的默認分辨率為12位。DS18B20具有獨特的1-wire接口，與中央微處理器進(jìn)行通信只需要一條數據線(xiàn)路（和接地）。每個(gè)DS18B20都有一個(gè)唯一的64位串行代碼，允許多個(gè)DS18B20在同一條單線(xiàn)總線(xiàn)上工作。因此，使用一個(gè)微處理器即可控制分布在大面積上的許多DS18B20。此外，DS18B20還能直接從數據線(xiàn)上獲得電源（“寄生電源”），無(wú)需外部電源。
圖3：DS18B20可從數據線(xiàn)上直接獲得寄生電源，無(wú)需外部供電（來(lái)源：ADI）
土壤的含水量可以使用帶電極的埋入式探針進(jìn)行監測，從而實(shí)現高效、無(wú)浪費的灌溉。TE公司的HTG3500系列為即插即用型溫濕度傳感器，專(zhuān)為需要可靠精確測量的應用而設計，尤其適用于要求低功耗和嚴苛的應用。產(chǎn)品采用濕度線(xiàn)性電壓輸出和直接NTC輸出，可直接與微控器連接。
圖4：HTG3500系列溫濕度傳感器
（來(lái)源：TE）
Amphenol公司的T9501是一款I(lǐng)P67級濕度和溫度傳感器，基于電容聚合物傳感器芯片，為幾乎任何類(lèi)型的惡劣環(huán)境應用提供了先進(jìn)、經(jīng)濟高效的溫濕度傳感解決方案。
圖5：Amphenol公司T9501濕度和溫度傳感器
（來(lái)源：Mouser）
3 土壤成分探測
土壤中的營(yíng)養物質(zhì)對植物的生長(cháng)起到?jīng)Q定性作用。為了優(yōu)化植物的生長(cháng)環(huán)境并獲得高產(chǎn)收成，必須對農產(chǎn)品種植的土壤條件有深入和定量的了解。使用pH傳感器可以提供有關(guān)土壤養分缺乏或有害化學(xué)物質(zhì)存在的關(guān)鍵反饋。最近行業(yè)熱門(mén)的NPK土壤傳感器提供了一種使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器測量關(guān)鍵土壤養分的方法，包括土壤的pH值以及氮磷鉀的含量。對農業(yè)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)NPK土壤傳感器還是一種較新的產(chǎn)品，目前正處于開(kāi)發(fā)階段，市場(chǎng)上很難找到具體的產(chǎn)品。
4 農業(yè)中的陀螺儀和圖像傳感器
陀螺儀和圖像傳感器廣泛用于機器人、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和無(wú)人機。無(wú)人機在智慧農業(yè)中的使用在很大程度上依賴(lài)于加速度計和慣性測量單元來(lái)跟蹤運動(dòng)、速度以及在空中的位置。陀螺儀和圖像傳感器雖然與農作物或植物的生長(cháng)沒(méi)有密切關(guān)系，但在整個(gè)智慧農業(yè)行業(yè)同樣發(fā)揮著(zhù)重要作用?，F在，在田間健康監測、地理測繪和土地分析、自動(dòng)灌溉和作物施肥等應用中也采用了大量的陀螺儀和圖像傳感器。
STMicroelectronics的I3G4250D是一款低功耗的三軸角速率傳感器，能夠在零速率水平下提供前所未有的穩定性，并在溫度和時(shí)間上提供靈敏度。它包括傳感元件和IC接口，能夠通過(guò)標準向應用程序提供測量的角速率SPI數字接口，還提供了I2C兼容接口。傳感元件是使用意法半導體開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用微機械加工工藝制造的。IC接口是使用CMOS工藝制造的，以更好地匹配感測元件的特性。I3G4250D具有可選擇的滿(mǎn)量程（±245/±500/±2,000dps），能夠使用用戶(hù)可選擇的帶寬測量速率。
圖6：I3G4250D三軸角速率傳感器
（來(lái)源：STMicroelectronics）
5 農業(yè)中的智能相機
現在，智能相機在農業(yè)中的應用也非常普遍。害蟲(chóng)防治一直是農業(yè)面臨的最重大挑戰之一。在不傷害對農作物有益的昆蟲(chóng)的情況下，農民現在可以利用智能相機進(jìn)行實(shí)時(shí)害蟲(chóng)檢測和監測，進(jìn)而采取專(zhuān)門(mén)針對害蟲(chóng)的有效行動(dòng)。此外，智能相機還能提供葉片健康狀況、光照亮度、葉綠素測量和成熟度水平的圖片，供農民隨時(shí)了解作物的生長(cháng)情況。
安森美（Onsemi）的SECO-RSL10-CAM-COLOR-GEVK RSL10智能相機是一個(gè)完整的節點(diǎn)到云的平臺，能夠為便攜式、低占空比的物聯(lián)網(wǎng)應用實(shí)現智能圖像捕獲。它基于RSL10多協(xié)議藍牙系統和ARX3A0 CMOS圖像傳感器，具有多種觸發(fā)模式，包括時(shí)間、運動(dòng)檢測和環(huán)境傳感器觸發(fā)。ARX3A0在可見(jiàn)光和近紅外波長(cháng)下都具有高靈敏度，并且具有超低功耗模式，激活時(shí)僅消3.2mW。此外，設計人員還可以對ARX3A0進(jìn)行編程，以監控其視場(chǎng)的特定區域，并在場(chǎng)景內容發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)拍攝圖像。
圖7：安森美SECO-RSL10-CAM-COLOR-GEVK RSL10智能相機（來(lái)源：Mouser）
智慧農業(yè)的未來(lái)
智慧農業(yè)是現代農業(yè)的未來(lái)，這是不可否認的。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)的農業(yè)屬于由大數據、物聯(lián)網(wǎng)設備、智能傳感器、無(wú)人機和自動(dòng)化溫室管理系統驅動(dòng)的智慧農業(yè)。
根據Insider Intelligence的數據，到2023年，全球將安裝近1,200萬(wàn)個(gè)農業(yè)傳感器，使用物聯(lián)網(wǎng)設備的農場(chǎng)平均每天將產(chǎn)生超過(guò)50萬(wàn)個(gè)數據點(diǎn)。再加上大規模采用的用于灌溉、噴灑和田間監測的無(wú)人機，所有這些數據點(diǎn)的整合和利用，將會(huì )構成現實(shí)生活中智慧農業(yè)應有的樣子。
精準農業(yè)的發(fā)展滿(mǎn)足了全球對糧食日益增長(cháng)的需求，所采用的傳感技術(shù)使得精準農業(yè)中必須具備的收集和應用數據變得更簡(jiǎn)單、更便宜。同時(shí)，精準農業(yè)的未來(lái)發(fā)展還將增加自動(dòng)駕駛農用車(chē)，以及更智能、更小的無(wú)人機的使用。物聯(lián)網(wǎng)設備、智能傳感器的使用為精準農業(yè)的實(shí)施和落實(shí)提供了保障，在不久的將來(lái)必將為現代農業(yè)帶來(lái)革命性的變化。
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：
全集成汽車(chē)USB Type-A和USB Type-C充電器控制芯片
