談物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用
發(fā)布時間:2020-04-03 來源:Vishal GOYAL 意法半導(dǎo)體南亞和印度區(qū)技術(shù)營銷經(jīng)理 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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(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。對于消費者所需的水果、蔬菜或糧食的有機耕作和種類增加,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(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)的溫室可以進行環(huán)境條件監(jiān)測并作出調(diào)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(yù)設(shè)或預(yù)定的間隔進行灌溉。
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(guān),還與產(chǎn)出質(zhì)量相關(guān)。活躍牛只的產(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(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(nóng)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(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)。
● 加速度計用于檢測運動、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(nóng)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(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,因為這些技術(shù)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(guān),以便進行下一步傳輸。對于大型農(nóng)場的監(jiān)測,首選遠程技術(shù),如GPRS和LPWAN(如Sigfox),因為這些技術(shù)直接可實現(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、藍牙和GPRS相比,應(yīng)當首選BLE、RF subGhz和LPWAN(如Sigfox)等技術(shù)。
因此,在本文中,我們將對BLE和subGhz進行重點介紹,因為這二者似乎是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中最適用的連接技術(shù)。
低功耗藍牙[BLE]是一種無線個人局域網(wǎng)[WLAN]技術(shù),在實現(xiàn)設(shè)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(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)備也可以實現(xiàn)連接。
意法半導(dǎo)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(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)域的另一項革新,這種技術(shù)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(shù),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(dǎo)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(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實現(xiàn)與智能手機的連接。智能手機與Sigfox設(shè)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(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)式計算方法,而機器學(xué)習(xí)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(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(shè)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(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(nóng)業(yè)有助于實現(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。要成功實現(xiàn)這一點,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。
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