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技術(shù)專題
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計開源智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)
在過去的20年中，計算機極大地改變了世界，農(nóng)業(yè)也感受到了影響。先進的設(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；自動化使許多瑣事得以改變，即使它們不會消失。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，農(nóng)民要面對許多日益嚴峻的商業(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器，這是因為軟件數(shù)字版權(quán)管理和其他設(shè)備設(shè)計決策，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，因為與相鄰領(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)過時間考驗，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)，是一個機會來建立農(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)看到大量機遇。開源和其他可使用的實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
最近在孟加拉國進行的一項研究項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)計了一個全面的環(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。
該項目基于Arduino Mega 2560的所有監(jiān)視設(shè)備，以整個農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中設(shè)置的“監(jiān)視節(jié)點”網(wǎng)格為中心，單個“中心節(jié)點”聚合所有數(shù)據(jù)，觸發(fā)自動化事件并將數(shù)據(jù)傳遞到云。
每個“監(jiān)視節(jié)點”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。
為了配備單個監(jiān)視節(jié)點，Arduino板擴展了以下內(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1100 m的距離；2.4 GHz頻譜允許125個信道，從而擴展了單個服務(wù)器場和中央節(jié)點可能的連接數(shù)量。
DHT11溫濕度傳感器用于表面溫濕度測量。
PIR運動傳感器，依靠紅外成像來檢測運動，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，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，則單個中央節(jié)點可以為直徑最大為2200米的分散監(jiān)視節(jié)點提供服務(wù)。為了準備每個監(jiān)視節(jié)點，每個Arduino都連接了其傳感器陣列，并進行了編程以存儲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)點后，團隊將注意力轉(zhuǎn)移到中心節(jié)點，負責進一步分析和交流現(xiàn)場情況。
進行溝通和農(nóng)場管理
監(jiān)督監(jiān)視節(jié)點的收集是一個“中心節(jié)點”，旨在匯總，報告和處理從現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)。它建立在相同的Arduino Mega 2560平臺上，可中繼整個服務(wù)器場中發(fā)生的事情。代替與每個監(jiān)視節(jié)點一起包裝的傳感器設(shè)備，中央節(jié)點具有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?。研究團隊進一步概念化了添加伺服器，電動機和類似硬件（如果適用）以及何時對整個測試場中的自動化灌溉和其他互補系統(tǒng)的管理有用。
通過這種設(shè)計，單個中央計算機和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)點很多-憑借其集中功能，中央節(jié)點可以編程為：
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)域進行灌溉
將收集的數(shù)據(jù)推送到云中以進行其他處理，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)點網(wǎng)絡(luò)供電，該團隊將光伏太陽能電池板與電池配對，以實現(xiàn)現(xiàn)場一致的電源可用性。所使用組件的基本性質(zhì)可確保每個節(jié)點的功耗都很低，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，用于自動化更多農(nóng)場管理的選項變得更加靈活。例如，該研究項目選擇Google表格來匯總和分析傳感器數(shù)據(jù)。
在專用農(nóng)業(yè)無人機這一主題上，該團隊同樣能夠創(chuàng)建帶有現(xiàn)成組件的基本四軸飛行器。對典型無人機的具體改動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。時間的進一步改善可能包括采用先進的方法進行蟲害檢測和消除，收集更多的農(nóng)作物數(shù)據(jù)，甚至可以利用機器學(xué)習技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品進行分級。
當所有這些組件都安裝到位時，用于管理整個服務(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，但是設(shè)計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，而又不會失去可維護性。