談物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用

Vishal GOYAL

意法半導(dǎo)體南亞和印度區(qū)技術(shù)營銷經(jīng)理

引言

農(nóng)業(yè)是世界各地食物的主要來源。它不僅為許多行業(yè)提供食物和原材料，還能夠大大促進(jìn)所有國家的GDP增長和經(jīng)濟(jì)增長。此外，它還是許多國家的主要收入來源。

隨著城市化的發(fā)展、天氣的變化和人口的增加，農(nóng)業(yè)部門面臨著諸多挑戰(zhàn)。亟需增加單位面積的產(chǎn)量。由于對資源、肥料和農(nóng)藥的無節(jié)制使用，傳統(tǒng)的耕作方式導(dǎo)致了農(nóng)田退化。

智能農(nóng)業(yè)日益成為增加產(chǎn)出和優(yōu)化資源利用的重要舉措。對于消費(fèi)者所需的水果、蔬菜或糧食的有機(jī)耕作和種類增加，智能農(nóng)業(yè)同樣非常重要。

智能耕作不僅對農(nóng)作物非常重要，還對牲畜也有著重要的意義。技術(shù)可以幫助增加牲畜產(chǎn)量，改善其健康狀況，并且可以避免任何疾病的爆發(fā)或傳播。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）由傳感器、處理、連接、網(wǎng)關(guān)和云解決方案構(gòu)成，這些解決方案根據(jù)具體用例進(jìn)行工作優(yōu)化。

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)用例中的作用

作物監(jiān)測

為了獲得最大的作物生產(chǎn)力，需要對土壤和環(huán)境的濕度和溫度進(jìn)行監(jiān)測。重要的是，不僅要對絕對濕度和溫度進(jìn)行監(jiān)測，還要對短時間和長時間的變化進(jìn)行監(jiān)測。該數(shù)據(jù)可以和作物的理想狀況相關(guān)聯(lián)。這種監(jiān)測還有助于確定需要使用農(nóng)藥和肥料的時間和用量，以便最大限度地減少其用量。

溫室

隨著對各種水果和蔬菜的需求的不斷增長，為特定類型的植物的生長和繁茂創(chuàng)造理想的條件，變得非常重要。支持物聯(lián)網(wǎng)的溫室可以進(jìn)行環(huán)境條件監(jiān)測并作出調(diào)整，以避免任何偏差。

遠(yuǎn)程灌溉

遠(yuǎn)程灌溉是下一步監(jiān)測舉措，其中根據(jù)土壤以及環(huán)境溫度和濕度進(jìn)行灌溉控制。支持物聯(lián)網(wǎng)的灌溉系統(tǒng)不僅可以節(jié)約用水，還可以確保為作物提供適量的水份。在支持物聯(lián)網(wǎng)的灌溉中，根據(jù)土壤濕度確定是否需要灌溉，而不是根據(jù)預(yù)設(shè)或預(yù)定的間隔進(jìn)行灌溉。

牲畜監(jiān)測

在支持物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)場中，對綿羊、豬、雞、牛等牲畜進(jìn)行健康監(jiān)測，從而確定所有疾病、授精期和活躍度。將支持物聯(lián)網(wǎng)的傳感器安裝在牲畜的耳朵或其他身體部位，以監(jiān)測其體溫和活躍度。對于溫度異常的牲畜，可以進(jìn)行隔離并提供醫(yī)療護(hù)理，以免疾病傳染到其他牲畜。牲畜的活躍度不僅與健康息息相關(guān)，還與產(chǎn)出質(zhì)量相關(guān)?；钴S牛只的產(chǎn)奶量要多于懶散牛只的產(chǎn)奶量。

支持物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)場還會對飼養(yǎng)牲畜的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，以確保其具備適當(dāng)?shù)纳顥l件。

地理圍欄

在大型農(nóng)場中，可以允許牲畜在自然條件下放養(yǎng)和生存。在不對牲畜進(jìn)行鎖定的情況下，重要的是要確保其安全性，并確保其不會遠(yuǎn)離農(nóng)場。因此，需要使用支持GPS的跟蹤器對其進(jìn)行監(jiān)測。跟蹤器包括用于監(jiān)測其運(yùn)動的運(yùn)動傳感器，和支持GPS的地理圍欄，以便在牲畜離開指定區(qū)域時發(fā)出警報。

支持物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)的架構(gòu)

在農(nóng)業(yè)中使用的典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括以下模塊

- 傳感器

- 信號調(diào)節(jié)

- 處理與安全性

- 能源管理

- 連接

- 定位

意法半導(dǎo)體可以提供各式各樣的半導(dǎo)體設(shè)備，能夠滿足上述各種模塊的需求。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹構(gòu)成所有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)的傳感器和連接解決方案。

傳感器

傳感器用于檢測外部輸入，構(gòu)成了所有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

- 加速度計(jì)用于檢測運(yùn)動、活動水平、農(nóng)場侵入等。意法半導(dǎo)體的超低功耗加速度計(jì)LIS2DW12具有可配置的噪音模式，能夠在精度和電流消耗之間進(jìn)行選擇，甚至具有優(yōu)化功率的自動睡眠和喚醒功能。

- 濕度和溫度傳感器用于土壤監(jiān)測、環(huán)境空氣監(jiān)測和牲畜健康監(jiān)測。這些傳感器為農(nóng)業(yè)用例中物聯(lián)網(wǎng)的可實(shí)施性提供了數(shù)據(jù)輸入。意法半導(dǎo)體的HTS221為濕度和溫度傳感器二合一芯片，包括感測元件和模擬前端，可通過數(shù)字串行接口提供測量信息。感測元件包括聚合物電介質(zhì)平面電容器結(jié)構(gòu)，能夠檢測相對濕度的變化。STTS22H是一種超低功耗高精度數(shù)字溫度傳感器，在整個工作溫度范圍內(nèi)都具有高性能。STTS22H是一種帶隙溫度傳感器，可單個ASIC中集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號處理邏輯和I2C/ SMBus 3.0接口。

- 壓力傳感器還可以檢測大氣壓力，并最終用于海拔測量。由于需要使用膜片開口來檢測壓力，壓力傳感器還容易受到水和化學(xué)物質(zhì)的污染。因此，需要一種能夠免受氯和溴等化學(xué)物質(zhì)的影響的壓力傳感器。LPS33HW即為此類傳感器，具有O形圈，耐水性高達(dá)10巴（最大深度為90米），并且不受上述化學(xué)物質(zhì)和鹽的影響。

連接

對于農(nóng)業(yè)中的連接解決方案，可以從以下應(yīng)用需求探知一二。

- 距離：對于室內(nèi)監(jiān)測，首選短程射頻（RF）技術(shù)，如Bluetooth、BLE和Wi-Fi，因?yàn)檫@些技術(shù)可以從傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，以便進(jìn)行下一步傳輸。對于大型農(nóng)場的監(jiān)測，首選遠(yuǎn)程技術(shù)，如GPRS和LPWAN（如Sigfox），因?yàn)檫@些技術(shù)直接可實(shí)現(xiàn)與電信基礎(chǔ)設(shè)施的連接。BLE Mesh和6LowPan等Mesh技術(shù)可以擴(kuò)大短程通訊技術(shù)的通訊距離，使其適于在室外使用。

- 功耗：大多數(shù)農(nóng)業(yè)用例均通過非充電電池供電，因此，與功耗高上數(shù)倍的Wi-Fi、藍(lán)牙和GPRS相比，應(yīng)當(dāng)首選BLE、RF subGhz和LPWAN（如Sigfox）等技術(shù)。

因此，在本文中，我們將對BLE和subGhz進(jìn)行重點(diǎn)介紹，因?yàn)檫@二者似乎是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中最適用的連接技術(shù)。

低功耗藍(lán)牙［BLE］是一種無線個人局域網(wǎng)［WLAN］技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備與智能手機(jī)互聯(lián)時，其電流消耗量僅為傳統(tǒng)藍(lán)牙和Wi-Fi的一小部分。它的工作頻率范圍為2.4 Ghz，屬于全球免許可證的ISM頻段。Blue Mesh是一種軟件解決方案，用于將多個BLE（低功耗藍(lán)牙）設(shè)備連接到Mesh網(wǎng)絡(luò)中，以構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)（IoT）解決方案。Mesh解決方案的引入，使得處于網(wǎng)絡(luò)直接通訊距離以外的設(shè)備也可以實(shí)現(xiàn)連接。

意法半導(dǎo)體的BlueNRG-2是一款通過BLE 5.0認(rèn)證的超低功耗藍(lán)牙SoC，可提供與傳感器的無縫連接、支持 Privacy 1.2以及Secure Connection 4.2，最大輸出功率為8dBm，可以實(shí)現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可靠連接。此外，它還完全兼容BLE Mesh協(xié)議。

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)是連接領(lǐng)域的另一項(xiàng)革新，這種技術(shù)能夠以極低的功耗實(shí)現(xiàn)數(shù)千米的連接距離，因此可以采用非充電紐扣電池供電。Sigfox是一種LPWAN技術(shù)，能夠以極低的電流消耗，實(shí)現(xiàn)全球云或長距離連接。

為了能夠在同一套方案中同時實(shí)現(xiàn)短距離和長距離，意法半導(dǎo)體推出了一款獨(dú)特的解決方案，將BLE和基于S2LP的Sigfox無線通訊技術(shù)整合到一個通用解決方案中。雙無線通訊技術(shù)的使用可通過Sigfox提供長距連接，并能使用BLE實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)的連接。智能手機(jī)與Sigfox設(shè)備連接后，可以通過所支持的用戶界面（UI）， 實(shí)現(xiàn)空中固件升級（OTA），以及直接進(jìn)行配置與控制等其他功能。

邊緣智能

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的最重要的一個方面，是能夠分析單個農(nóng)作物或牲畜的數(shù)據(jù)，并將其與實(shí)際生產(chǎn)力相關(guān)聯(lián)。人工智能采用的是一組自然啟發(fā)式計(jì)算方法，而機(jī)器學(xué)習(xí)是指使機(jī)器能夠識別基本模式，以便通過數(shù)據(jù)分析做出預(yù)測和建議的技術(shù)。但是，由于支持IoT的農(nóng)業(yè)設(shè)備數(shù)量眾多，因此，從傳感器發(fā)送到云的原始數(shù)據(jù)要求不斷擴(kuò)大所需的數(shù)據(jù)帶寬和云中計(jì)算能力。

當(dāng)某些分析靠近感測節(jié)點(diǎn)或處于邊緣時，可以有效利用人工智能。邊緣計(jì)算可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隱私，降低帶寬要求以及云計(jì)算要求。邊緣計(jì)算是指在節(jié)點(diǎn)本身進(jìn)行智能感測和處理，因此這些設(shè)備的選擇非常重要。智能節(jié)點(diǎn)可以分析數(shù)據(jù)，運(yùn)行傳感器算法，估計(jì)上下文，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云以進(jìn)行進(jìn)一步處理。

結(jié)論

農(nóng)業(yè)是所有社會的重要支撐，但隨著人口的不斷增加變得負(fù)擔(dān)沉重，因此必須最大限度地提高生產(chǎn)力，以最佳方式利用可用資源。支持物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)有助于實(shí)現(xiàn)所期望的結(jié)果，并可以協(xié)助做出明智決策。隨著超低功耗精密技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在可以將所有可能的農(nóng)作物和牲畜與物聯(lián)網(wǎng)連接起來。要成功實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要與合適的合作伙伴和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者開展合作。意法半導(dǎo)體是全球物聯(lián)網(wǎng)客戶的首選，能夠讓客戶從其推出的尖端技術(shù)中獲益匪淺。