作者： Steven Keeping

當(dāng)某個(gè)工程師輕蔑地描述某項(xiàng)技術(shù)是“農(nóng)業(yè)技術(shù)”時(shí)，通常，他是暗指這項(xiàng)技術(shù)格局有限或已過時(shí)。但實(shí)則，這種暗示是不公平的。農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)關(guān)乎商業(yè)化作物和畜牧生產(chǎn)，以及將糧食運(yùn)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(jī)具有許多計(jì)算機(jī)控制的屬性，如采用GPS、激光制導(dǎo)、自我水準(zhǔn)測(cè)量和液壓傳動(dòng)等。況且目前，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)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(lái)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(xiàng)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(xiàng)研究顯示，在美國(guó)，將糧食從傳統(tǒng)的農(nóng)場(chǎng)運(yùn)輸給城市居民，這個(gè)過程占總能量預(yù)算的10%，而在臨近消費(fèi)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(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)的數(shù)據(jù)顯示，2000年，農(nóng)民每小時(shí)的產(chǎn)量是1950年時(shí)的12倍。然而，這些收益是有代價(jià)的，其中最為明顯的就是居高不下的用水量。這并不為奇，因?yàn)樗Y源是作物產(chǎn)量最大化的關(guān)鍵因素，即使所有其他促進(jìn)作物生長(zhǎng)的因素已達(dá)到平衡，但若沒有可靠的水源供應(yīng)，作物也無(wú)法存活。

近年來(lái)，盡管農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉仍然十分浪費(fèi)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(guó)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(shì)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(jì)效益的考慮。搭建CEA設(shè)施可謂造價(jià)昂貴，且僅有優(yōu)化投入成本和作物生長(zhǎng)時(shí)，這些投資才有合理的回報(bào)。而水資源的利用在這個(gè)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的添加。蒸發(fā)的水分也可以達(dá)到最小化，且可以再獲取及再利用(封閉的環(huán)境可以簡(jiǎn)化循環(huán)利用)。外排的污水同樣可以被處理后進(jìn)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(rùn)，甚至還可以完全不經(jīng)過土壤，便直達(dá)作物的裸根。

通過無(wú)線連接到IIoT的傳感器可以對(duì)作物進(jìn)行密切監(jiān)視，如水量吸收了多少，流失了多少，以此來(lái)控制用水情況。傳感器還可以將作物的生長(zhǎng)與供水量和養(yǎng)分濃度關(guān)聯(lián)起來(lái)。通過實(shí)時(shí)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(gè)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(jìn)的無(wú)線傳感器和執(zhí)行器、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和云資源，可以從容應(yīng)對(duì)CEA過程控制系統(tǒng)在工程上的挑戰(zhàn)。無(wú)線傳感器使用藍(lán)牙低功耗等技術(shù)監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)參數(shù)。隨著室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)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(kuò)展。根據(jù)傳感器的輸出數(shù)據(jù)，信號(hào)返回網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)指示傳動(dòng)器，以此增減灌溉量。

盡管有這些已驗(yàn)證的系統(tǒng)，但設(shè)計(jì)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(wú)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(dòng)工具包、開發(fā)工具包擴(kuò)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(yàn)的工程師也可以設(shè)計(jì)CEA應(yīng)用程序的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

IIoT連接的最大優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)云資源的訪問。IIoT使用云資源運(yùn)行強(qiáng)大的算法，對(duì)來(lái)自室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)的持續(xù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析，從而使生長(zhǎng)過程不斷改進(jìn)。隨著時(shí)間的推移，信息被構(gòu)建至數(shù)據(jù)庫(kù)中，以作出即時(shí)回應(yīng)，了解特定增長(zhǎng)參數(shù)的微小變化對(duì)輸入成本、作物質(zhì)量及最終的室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)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(chǎng)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(duì)灌溉進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)和控制。通過使用網(wǎng)絡(luò)無(wú)線IIoT傳感器，工程師可以設(shè)計(jì)一套實(shí)時(shí)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(duì)技術(shù)進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)。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(yàn)證成功的技術(shù)，即來(lái)自電子產(chǎn)品供應(yīng)商和成熟的平臺(tái)(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(chǎng)，如小麥或常見的根菜類蔬菜，同時(shí)，也不適合飼養(yǎng)家畜的農(nóng)場(chǎng)。但這種技術(shù)對(duì)于流動(dòng)率高且具有可觀利潤(rùn)的作物來(lái)說(shuō)是理想的選擇，如：綠葉菜、草藥、甚至可食用的花。預(yù)計(jì)到2050年，全球人口將接近100億(根據(jù)聯(lián)合國(guó)的預(yù)測(cè))，任何可促進(jìn)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(guó)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(lái)的13年里，擔(dān)任電子產(chǎn)品制造、測(cè)試和設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的高級(jí)編輯和出版人，包括英國(guó)和澳大利亞的三一鏡報(bào)、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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