【原創(chuàng)深度】智能城市的發(fā)展：IIoT灌溉監(jiān)測是室內(nèi)農(nóng)業(yè)成功的關(guān)鍵

作者： Steven Keeping

當(dāng)某個工程師輕蔑地描述某項技術(shù)是“農(nóng)業(yè)技術(shù)”時，通常，他是暗指這項技術(shù)格局有限或已過時。但實則，這種暗示是不公平的。農(nóng)業(yè)經(jīng)營關(guān)乎商業(yè)化作物和畜牧生產(chǎn)，以及將糧食運送到人們餐盤里的過程，這里是最早采用高科技的領(lǐng)域。現(xiàn)代聯(lián)合收割機具有許多計算機控制的屬性，如采用GPS、激光制導(dǎo)、自我水準(zhǔn)測量和液壓傳動等。況且目前，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟也投身行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)，以此提高可控環(huán)境農(nóng)業(yè)(CEA或“室內(nèi)農(nóng)業(yè)”)的商業(yè)可行性。

CEA使用全封閉式溫控設(shè)備來消除外部環(huán)境因素的干擾，如疾病、害蟲或惡劣天氣。有了這項技術(shù)，我們不需要昂貴肥沃的耕地，便可以在任何地方建立農(nóng)業(yè)基地，甚至是在城市的社區(qū)中心。根據(jù)2012年的一項研究顯示，在美國，將糧食從傳統(tǒng)的農(nóng)場運輸給城市居民，這個過程占總能量預(yù)算的10%，而在臨近消費者的地方生產(chǎn)糧食則有效解決了這一問題。

水資源的關(guān)鍵角色

早期采用的技術(shù)已經(jīng)使農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量顯示提高。例如，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部(USDA)的數(shù)據(jù)顯示，2000年，農(nóng)民每小時的產(chǎn)量是1950年時的12倍。然而，這些收益是有代價的，其中最為明顯的就是居高不下的用水量。這并不為奇，因為水資源是作物產(chǎn)量最大化的關(guān)鍵因素，即使所有其他促進作物生長的因素已達到平衡，但若沒有可靠的水源供應(yīng)，作物也無法存活。

近年來，盡管農(nóng)業(yè)經(jīng)濟取得了長足的進步，但傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉仍然十分浪費資源，主要原因在于，灌溉用水在被作物吸收之前，70%~90%都已隨著土壤流失。就全球而言，農(nóng)業(yè)是最大的水資源消耗者——尤其是在一些干旱的國家和地區(qū)，約有85%的水用于農(nóng)作物的灌溉。

削減過度用水是CEA最大的優(yōu)勢之一。不過，節(jié)約用水不僅是出于環(huán)保的要求，也是出于經(jīng)濟效益的考慮。搭建CEA設(shè)施可謂造價昂貴，且僅有優(yōu)化投入成本和作物生長時，這些投資才有合理的回報。而水資源的利用在這個過程中扮演著至關(guān)重要的角色。

IIoT的控制

一家不依賴大自然灌溉的農(nóng)業(yè)企業(yè)，可以通過IIoT大幅降低用水量——與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，用水量可以減少90%。流入土壤的水可以將顆粒、氟化物和重金屬污染物去除，并在輸送前控制營養(yǎng)物質(zhì)的添加。蒸發(fā)的水分也可以達到最小化，且可以再獲取及再利用(封閉的環(huán)境可以簡化循環(huán)利用)。外排的污水同樣可以被處理后進行再利用。這里使用的技術(shù)包括滴灌。滴灌可以保持土壤永久濕潤，甚至還可以完全不經(jīng)過土壤，便直達作物的裸根。

通過無線連接到IIoT的傳感器可以對作物進行密切監(jiān)視，如水量吸收了多少，流失了多少，以此來控制用水情況。傳感器還可以將作物的生長與供水量和養(yǎng)分濃度關(guān)聯(lián)起來。通過實時分析收集的數(shù)據(jù)可以控制閉環(huán)系統(tǒng)，甚至還可以調(diào)節(jié)單個作物的用水量。

創(chuàng)建IIoT灌溉系統(tǒng)

IIoT灌溉系統(tǒng)通過利用先進的無線傳感器和執(zhí)行器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和云資源，可以從容應(yīng)對CEA過程控制系統(tǒng)在工程上的挑戰(zhàn)。無線傳感器使用藍(lán)牙低功耗等技術(shù)監(jiān)測作物的生長參數(shù)。隨著室內(nèi)農(nóng)場的發(fā)展，傳感器將成為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的一部分，并改善可靠性，支持快速擴展。根據(jù)傳感器的輸出數(shù)據(jù)，信號返回網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)指示傳動器，以此增減灌溉量。

盡管有這些已驗證的系統(tǒng)，但設(shè)計基于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)并非易事。不過，通過使用芯片廠商的開發(fā)工具，最困難的部分——構(gòu)建無線系統(tǒng)，也變得相當(dāng)容易。例如，微控制器和模擬半導(dǎo)體供應(yīng)商的領(lǐng)導(dǎo)者Microchip，提供了一系列的組件和工具，包括啟動工具包、開發(fā)工具包擴展板以及藍(lán)牙低功耗系統(tǒng)芯片(SoC)，這樣，即使欠缺RF經(jīng)驗的工程師也可以設(shè)計CEA應(yīng)用程序的無線網(wǎng)絡(luò)。

IIoT連接的最大優(yōu)點在于其對云資源的訪問。IIoT使用云資源運行強大的算法，對來自室內(nèi)農(nóng)場的持續(xù)數(shù)據(jù)流進行分析，從而使生長過程不斷改進。隨著時間的推移，信息被構(gòu)建至數(shù)據(jù)庫中，以作出即時回應(yīng)，了解特定增長參數(shù)的微小變化對輸入成本、作物質(zhì)量及最終的室內(nèi)農(nóng)場盈利能力有何影響。

幫助農(nóng)民創(chuàng)收

為證明與傳統(tǒng)農(nóng)場相比，它們的高成本是合情合理，CEA的安裝必須提高產(chǎn)量，這就要求對灌溉進行精確的監(jiān)測和控制。通過使用網(wǎng)絡(luò)無線IIoT傳感器，工程師可以設(shè)計一套實時提供用水量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，并作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的一部分，以最大限度地提高產(chǎn)量。

采用CEA的農(nóng)民希望創(chuàng)建盈利可觀的糧食銷售業(yè)務(wù)，而不是對技術(shù)進行修修補補。通過使用IIoT控制農(nóng)業(yè)過程，CEA的企業(yè)主可以依賴已驗證成功的技術(shù)，即來自電子產(chǎn)品供應(yīng)商和成熟的平臺(互聯(lián)網(wǎng))的技術(shù)，并將精力集中在手頭的業(yè)務(wù)上。

盡管CEA不可能完全取代種植大宗商品作物的大型農(nóng)場，如小麥或常見的根菜類蔬菜，同時，也不適合飼養(yǎng)家畜的農(nóng)場。但這種技術(shù)對于流動率高且具有可觀利潤的作物來說是理想的選擇，如：綠葉菜、草藥、甚至可食用的花。預(yù)計到2050年，全球人口將接近100億(根據(jù)聯(lián)合國的預(yù)測)，任何可促進糧食產(chǎn)量的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略都將廣受歡迎。

史蒂文?科平獲得了英國布萊頓大學(xué)本科學(xué)位，后在Eurotherm和BOC公司電子部工作7年。隨后，他加入《電子產(chǎn)品》雜志，并在接下來的13年里，擔(dān)任電子產(chǎn)品制造、測試和設(shè)計等領(lǐng)域的高級編輯和出版人，包括英國和澳大利亞的三一鏡報、CMP和RBI的《電子產(chǎn)品的新技術(shù)》、《澳大利亞電子工程》等。2006年，史蒂文成為專攻電子領(lǐng)域的自由撰稿人，目前在悉尼定居。

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