談物聯(lián)網(wǎng)在農牧業(yè)中的應用

引言

農業(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，還能夠大大促進所有國家的GDP增長和經(jīng)濟增長。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、肥料和農藥的無節(jié)制使用，傳統(tǒng)的耕作方式導致了農田退化。

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

智能耕作不僅對農作物非常重要，還對牲畜也有著重要的意義。技術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。

農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)由傳感器、處理、連接、網(wǎng)關和云解決方案構成，這些解決方案根據(jù)具體用例進行工作優(yōu)化。

物聯(lián)網(wǎng)在農業(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)境的濕度和溫度進行監(jiān)測。重要的是，不僅要對絕對濕度和溫度進行監(jiān)測，還要對短時間和長時間的變化進行監(jiān)測。該數(shù)據(jù)可以和作物的理想狀況相關聯(lián)。這種監(jiān)測還有助于確定需要使用農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)的溫室可以進行環(huán)境條件監(jiān)測并作出調整，以避免任何偏差。

遠程灌溉

遠程灌溉是下一步監(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)預設或預定的間隔進行灌溉。

牲畜監(jiān)測

在支持物聯(lián)網(wǎng)的農場中，對綿羊、豬、雞、牛等牲畜進行健康監(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，可以進行隔離并提供醫(yī)療護理，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，還與產(chǎn)出質量相關?；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)的農場還會對飼養(yǎng)牲畜的環(huán)境進行監(jiān)測，以確保其具備適當?shù)纳顥l件。

地理圍欄

在大型農場中，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，并確保其不會遠離農場。因此，需要使用支持GPS的跟蹤器對其進行監(jiān)測。跟蹤器包括用于監(jiān)測其運動的運動傳感器，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)的智能農業(yè)的架構

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

- 傳感器

- 信號調節(jié)

- 處理與安全性

- 能源管理

- 連接

- 定位

意法半導體可以提供各式各樣的半導體設備，能夠滿足上述各種模塊的需求。在本文中，我們將重點介紹構成所有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基礎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，構成了所有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎。

- 加速度計用于檢測運動、活動水平、農場侵入等。意法半導體的超低功耗加速度計LIS2DW12具有可配置的噪音模式，能夠在精度和電流消耗之間進行選擇，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。這些傳感器為農業(yè)用例中物聯(lián)網(wǎng)的可實施性提供了數(shù)據(jù)輸入。意法半導體的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平面電容器結構，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物質的污染。因此，需要一種能夠免受氯和溴等化學物質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10巴(最大深度為90米)，并且不受上述化學物質和鹽的影響。

連接

對于農業(yè)中的連接解決方案，可以從以下應用需求探知一二。

- 距離：對于室內監(jiān)測，首選短程射頻(RF)技術，如Bluetooth、BLE和Wi-Fi，因為這些技術可以從傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到網(wǎng)關，以便進行下一步傳輸。對于大型農場的監(jiān)測，首選遠程技術，如GPRS和LPWAN(如Sigfox)，因為這些技術直接可實現(xiàn)與電信基礎設施的連接。BLE Mesh和6LowPan等Mesh技術可以擴大短程通訊技術的通訊距離，使其適于在室外使用。

- 功耗：大多數(shù)農業(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、藍牙和GPRS相比，應當首選BLE、RF subGhz和LPWAN(如Sigfox)等技術。

因此，在本文中，我們將對BLE和subGhz進行重點介紹，因為這二者似乎是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中最適用的連接技術。

低功耗藍牙[BLE]是一種無線個人局域網(wǎng)[WLAN]技術，在實現(xiàn)設備與智能手機互聯(lián)時，其電流消耗量僅為傳統(tǒng)藍牙和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(低功耗藍牙)設備連接到Mesh網(wǎng)絡中，以構建物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案。Mesh解決方案的引入，使得處于網(wǎng)絡直接通訊距離以外的設備也可以實現(xiàn)連接。

意法半導體的BlueNRG-2是一款通過BLE 5.0認證的超低功耗藍牙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，可以實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)設備的可靠連接。此外，它還完全兼容BLE Mesh協(xié)議。

低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)技術是連接領域的另一項革新，這種技術能夠以極低的功耗實現(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，能夠以極低的電流消耗，實現(xiàn)全球云或長距離連接。

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

邊緣智能

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

當某些分析靠近感測節(jié)點或處于邊緣時，可以有效利用人工智能。邊緣計算可實現(xiàn)數(shù)據(jù)隱私，降低帶寬要求以及云計算要求。邊緣計算是指在節(jié)點本身進行智能感測和處理，因此這些設備的選擇非常重要。智能節(jié)點可以分析數(shù)據(jù)，運行傳感器算法，估計上下文，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云以進行進一步處理。

結論

農業(yè)是所有社會的重要支撐，但隨著人口的不斷增加變得負擔沉重，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)的農業(yè)有助于實現(xiàn)所期望的結果，并可以協(xié)助做出明智決策。隨著超低功耗精密技術的出現(xiàn)，現(xiàn)在可以將所有可能的農作物和牲畜與物聯(lián)網(wǎng)連接起來。要成功實現(xiàn)這一點，需要與合適的合作伙伴和技術領導者開展合作。意法半導體是全球物聯(lián)網(wǎng)客戶的首選，能夠讓客戶從其推出的尖端技術中獲益匪淺。