多域創(chuàng)新技術(shù)推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)普及化

過(guò)去幾年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)及其底層技術(shù)的普及，推動(dòng)了新一代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)解決方案的發(fā)展，讓曾經(jīng)只有大型商業(yè)農(nóng)場(chǎng)才能使用的創(chuàng)新技術(shù)，現(xiàn)今已開(kāi)始把精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的效益帶給更多人。

近來(lái)，隨著燃料和肥料價(jià)格創(chuàng)下新高，世界各地的農(nóng)民無(wú)不努力尋求維持收支平衡的方法。長(zhǎng)期以來(lái)，大型商業(yè)農(nóng)場(chǎng)一直比小型農(nóng)擁有優(yōu)勢(shì)，他們可利用人工智能和先進(jìn)硬設(shè)備來(lái)規(guī)劃營(yíng)運(yùn)以及自動(dòng)化任務(wù)，或是以廣泛部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)測(cè)土壤質(zhì)量，以具備視覺(jué)功能的無(wú)人機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物，或是讓自動(dòng)曳引機(jī)在田地中自動(dòng)行駛，因而大幅提高生產(chǎn)力。

這些先進(jìn)系統(tǒng)的成本非常昂貴，對(duì)小型農(nóng)場(chǎng)而言，根本難以負(fù)擔(dān)。而全球超過(guò) 5.7 億個(gè)農(nóng)場(chǎng)中，這些面積通常不到兩公頃的小型農(nóng)場(chǎng)，卻占絕大多數(shù)。這些農(nóng)民中，許多人都沒(méi)有足夠的資本來(lái)投資新設(shè)備，只好繼續(xù)依賴(lài)舊機(jī)器和人力。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，數(shù)字革命對(duì)提升農(nóng)業(yè)效率的承諾，亦即所謂的智慧農(nóng)業(yè)或精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 一直遙不可及。

但是，現(xiàn)在情況不一樣了！過(guò)去幾年來(lái)，IoT及其底層技術(shù)的普及，推動(dòng)了新一代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)解決方案的發(fā)展，可為小農(nóng)提供新的工具來(lái)提升產(chǎn)量和質(zhì)量。透過(guò)衛(wèi)星定位、無(wú)線(xiàn)連接和視覺(jué)感測(cè)的結(jié)合，以及包括機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等先進(jìn)算法等技術(shù)，能夠協(xié)助農(nóng)民以更少的成本收獲更多，進(jìn)而能與大型商業(yè)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行更公平的競(jìng)爭(zhēng)。

本文將說(shuō)明推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)普及化的主要趨勢(shì)，并介紹一些正在改變?nèi)蛐⌒娃r(nóng)場(chǎng)營(yíng)運(yùn)的具體應(yīng)用。我們先來(lái)探索核心的促成技術(shù)、它們所實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用及其發(fā)展方向。

各領(lǐng)域技術(shù)同步進(jìn)展
傳感器融合平臺(tái)
傳感器融合平臺(tái)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)解決方案的核心，透過(guò)從各種傳感器中獲得數(shù)據(jù)，并使用算法來(lái)分析，再擷取出使用者（機(jī)器或人類(lèi)）可以采取行動(dòng)的方案。隨著此技術(shù)的成熟，這些傳感器融合平臺(tái)變得日益復(fù)雜，利用更先進(jìn)的算法來(lái)處理各種類(lèi)型的傳感器數(shù)據(jù)，以獲得更深入和更高價(jià)值的方案。

這些方案通常是使用人工智能（artificial intelligence；AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning；ML）模型生成的，這些模型在傳感器附近的網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行，在曳引機(jī)、噴灑器或其他裝置上，而不是在云端上。

希望把人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）帶到邊緣裝置的設(shè)備制造商正在評(píng)估其設(shè)計(jì)方案，要如何整合可執(zhí)行先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的應(yīng)用處理器和硬件加速器，以支持?jǐn)z影機(jī)和傳感器的輸入數(shù)據(jù)并做出實(shí)時(shí)決策。為了簡(jiǎn)化邊緣AI/ML的采用，許多供貨商開(kāi)始把AI加速器整合到 SoC 和模塊中，進(jìn)而降低了進(jìn)入門(mén)坎。

對(duì)OEM業(yè)者來(lái)說(shuō)，他們選擇整合這些單芯片系統(tǒng)（SoC），即使它們的軟件功能仍然落后。因?yàn)椴捎镁咔罢靶缘挠布?lái)建構(gòu)解決方案，乃是一種潛在性有利可圖的策略，可透過(guò)韌體更新來(lái)提供未來(lái)的先進(jìn)功能，創(chuàng)造經(jīng)常性收入。

盡管許多技術(shù)供貨商都可提供各種評(píng)估套件，但利用這些解決方案開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，從原型設(shè)計(jì)到實(shí)際生產(chǎn)仍可能耗費(fèi)成本。雖然整合式傳感器融合平臺(tái)，例如用于自動(dòng)轉(zhuǎn)向的預(yù)載動(dòng)態(tài)車(chē)輛模型或用來(lái)監(jiān)控作物健康的計(jì)算機(jī)視覺(jué)模型，可加速OEM的開(kāi)發(fā)過(guò)程，并減少軟件投資的需求，但它們可能過(guò)于通用，無(wú)法解決特定應(yīng)用的問(wèn)題。更專(zhuān)用的AI/ML需要對(duì)數(shù)據(jù)收集和訓(xùn)練模型進(jìn)行更多投資，而且由于它們的專(zhuān)有性質(zhì)，價(jià)格可能更高。

攝影機(jī)系統(tǒng)
自動(dòng)曳引機(jī)已經(jīng)廣泛采用攝影機(jī)系統(tǒng)，以視覺(jué)方式監(jiān)控周?chē)h(huán)境，并把數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)視覺(jué)解決方案中進(jìn)行解析。這些視覺(jué)數(shù)據(jù)可用來(lái)優(yōu)化農(nóng)業(yè)投入品（agricultural input），例如水、種子、肥料和殺蟲(chóng)劑的施放，并根據(jù)作物的大小和其他指標(biāo)來(lái)實(shí)時(shí)改變噴灑速度控制，可顯著提高效率并降低整體成本。

攝影機(jī)系統(tǒng)還有諸多挑戰(zhàn)是需要克服的，例如鏡頭可能會(huì)被水、碎屑、灰塵和雪弄臟。盡管這些情況會(huì)影響所有的相關(guān)視覺(jué)應(yīng)用，包括大眾市場(chǎng)應(yīng)用的自動(dòng)駕駛等，但除了噴水噴嘴（這種方式仍會(huì)造成鏡片的污垢堆層問(wèn)題）和傳統(tǒng)的人工維護(hù)之外，仍然沒(méi)有可靠的方法來(lái)保持其清潔。

此外，即使是在云端處理視覺(jué)數(shù)據(jù)，高分辨率相機(jī)的高昂價(jià)格，以及對(duì)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和通訊的更高需求，也會(huì)推升最終解決方案的成本。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）
衛(wèi)星定位已獲得精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)解決方案的廣泛采用。透過(guò)此技術(shù)，自動(dòng)引導(dǎo)曳引機(jī)可沿著精確的路徑行駛，以提高效率并減少重迭路徑；作物監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)采用 GNSS 技術(shù)來(lái)巡檢預(yù)定的飛行路徑；機(jī)器人割草機(jī)等全自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛也使用此技術(shù)來(lái)避開(kāi)禁行區(qū)域。后三種應(yīng)用通常都需要公分級(jí)的定位精準(zhǔn)度。

近十年來(lái)，高精準(zhǔn)度公分級(jí) GNSS 技術(shù)已經(jīng)成熟，農(nóng)民可訂閱為使用者自定義的昂貴 GNSS 校正服務(wù)。但唯有農(nóng)村地區(qū)也有平價(jià)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（Real Time Kinematic；RTK）服務(wù)出現(xiàn)，以及農(nóng)民可以采用低成本模塊來(lái)部署自己的RTK基地臺(tái)，高精準(zhǔn)度定位的價(jià)格才會(huì)開(kāi)始下降，使所有人都能負(fù)擔(dān)得起這項(xiàng)服務(wù)。

如圖1所示，自主移動(dòng)的收割機(jī)可以精準(zhǔn)地在規(guī)劃的范圍內(nèi)作業(yè)，而不會(huì)破壞到其他地區(qū)的農(nóng)作物。

 
圖1 : 自主移動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)具作業(yè)（source：u-blox）

高精準(zhǔn)度 GNSS 技術(shù)帶來(lái)了效率提升的效益—全面減少所有的農(nóng)業(yè)投入品，并帶來(lái)其他的財(cái)務(wù)和環(huán)境效益。同時(shí)，它需要解決方案來(lái)處理訊號(hào)延遲，以及多徑效應(yīng)的不準(zhǔn)確性，這是由于訊號(hào)在到達(dá) GNSS 接收器途中從建筑物、或其他固體結(jié)構(gòu)物反彈所引起的。

當(dāng)透過(guò)因特網(wǎng)傳送時(shí)，GNSS 增強(qiáng)數(shù)據(jù)串流需要與網(wǎng)絡(luò)供貨商的服務(wù)器建立 IP 連接。這為缺乏 Wi-Fi 基地臺(tái)、sub-GHz 射頻系統(tǒng)，或蜂巢式網(wǎng)絡(luò)覆蓋等基礎(chǔ)設(shè)施的農(nóng)場(chǎng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

無(wú)線(xiàn)連接
在某種程度上，所有的先進(jìn)精密農(nóng)業(yè)應(yīng)用都需依賴(lài)無(wú)線(xiàn)連接。環(huán)境傳感器和巡邏無(wú)人機(jī)需要它把數(shù)據(jù)傳送到云端。曳引機(jī)、無(wú)人機(jī)和其他農(nóng)業(yè)機(jī)器人須利用它來(lái)上傳資通訊數(shù)據(jù)、報(bào)告狀態(tài)、啟用預(yù)測(cè)性維護(hù)工具以減少停機(jī)時(shí)間，并接收 GNSS 增強(qiáng)數(shù)據(jù)以進(jìn)行高精準(zhǔn)度定位。

雖然蜂巢式連接是最容易使用的 — 僅需要行動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)和 SIM 卡就能把數(shù)據(jù)上傳到云端 — 但它有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。首先，前面提到過(guò)，整個(gè)農(nóng)場(chǎng)需要強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這在偏遠(yuǎn)地區(qū)往往難以做到，即使是在美國(guó)和其他已開(kāi)發(fā)國(guó)家也是如此。而且，即使在覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀究赡軙?huì)迅速增加，這對(duì)較小、利潤(rùn)較低的農(nóng)場(chǎng)來(lái)說(shuō)是難以負(fù)擔(dān)的，因?yàn)樗鼈儾幌翊笮娃r(nóng)場(chǎng)，由于數(shù)據(jù)使用率不高，無(wú)法向服務(wù)供貨商協(xié)商取得優(yōu)惠的資費(fèi)價(jià)格。

解決覆蓋問(wèn)題的方法之一是，選擇適切的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。LTE-M、NB-IoT 和 Cat-1 等低功率廣域網(wǎng)技術(shù)已在許多國(guó)家提供與傳統(tǒng) LTE 類(lèi)似的覆蓋范圍，且成本低了許多。當(dāng)需要更高帶寬時(shí)，LTE Cat 4 或以上的模塊可提供 150 Mbps+ 的數(shù)據(jù)傳輸量。此外，支持Gb級(jí)傳輸?shù)?5G 模塊現(xiàn)已上市，但解決方案的成本可能會(huì)高達(dá) 10 倍以上。

做為替代方案，5G Redcap（即將推出的 3GPP 技術(shù)）旨在提供具有中等帶寬和較低復(fù)雜性的 5G 兼容、平價(jià)解決方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)價(jià)格合宜的硬件裝置。我們可能會(huì)在 2025 年看到行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)者開(kāi)始提供首批 RedCap 產(chǎn)品。

透過(guò)就近處理傳感器數(shù)據(jù)，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的邊緣運(yùn)算提供了另一種降低帶寬需求的方法。透過(guò)僅上傳相關(guān)訊息，而無(wú)需把大量原始傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，邊緣智能裝置降低了對(duì)無(wú)線(xiàn)通信的帶寬和成本要求。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)普及化的趨勢(shì)
感測(cè)和傳感器融合平臺(tái)、攝影機(jī)系統(tǒng)、GNSS 技術(shù)和無(wú)線(xiàn)連接方面的進(jìn)步只是推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)普及化的動(dòng)力之一。另一方面，進(jìn)行中的生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，藉由打破許多障礙，使精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)解決方案不再只有大型、利潤(rùn)豐厚的大型農(nóng)場(chǎng)可以采用。


 
圖2 : 感測(cè)和傳感器融合平臺(tái)、攝影機(jī)系統(tǒng)、GNSS 技術(shù)和無(wú)線(xiàn)連接方面的進(jìn)步，成為推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)普及化的動(dòng)力。（source：tnet4iot.com）

這些趨勢(shì)的共同進(jìn)展，降低了精密農(nóng)業(yè)技術(shù)的擁有成本。就在幾年前，主要OEM業(yè)者提供的可用解決方案價(jià)格不菲，其中包括昂貴的硬設(shè)備和可觀的經(jīng)常性訂閱費(fèi)用，同時(shí)需要熟練的技術(shù)人員來(lái)建置、操作和維護(hù)智能設(shè)備。

有些供貨商開(kāi)發(fā)的資通訊系統(tǒng)，其中的接口端口已被鎖定，使農(nóng)場(chǎng)無(wú)法采用其他的售后市場(chǎng)解決方案—盡管此作法被視為是提高安全性和農(nóng)用車(chē)輛可靠性的一種方式。然而，最終卻限制了農(nóng)民自己維護(hù)設(shè)備的能力，也使他們難以采用競(jìng)爭(zhēng)供貨商提供的零組件，并根據(jù)他們的特定需求打造更具成本效益的解決方案。

現(xiàn)今，這一切都在改變。硬件成本大幅下降，主要是由于IoT爆炸式成長(zhǎng)帶來(lái)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。農(nóng)民現(xiàn)在可以取得平價(jià)、易于使用的售后解決方案，以升級(jí)他們既有的曳引機(jī)和其他農(nóng)業(yè)機(jī)械，這些機(jī)械可采用新一代更具成本效益的 GNSS 校正服務(wù)。除了高階產(chǎn)品以外，OEM業(yè)者也試圖在其入門(mén)和中階產(chǎn)品中導(dǎo)入先進(jìn)功能。

與此同時(shí)，大量的開(kāi)源（open-source）計(jì)劃、模塊式解決方案和預(yù)先認(rèn)證的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)正使精密農(nóng)業(yè)解決方案的開(kāi)發(fā)成本更低，進(jìn)而降低了現(xiàn)成硬件的成本。加上采用 SSR-RTK 改善了廣播傳輸，因此也降低了 GNSS 校正服務(wù)的訂閱成本。

連接技術(shù)的總成本也在下降。長(zhǎng)期以來(lái)，連網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的部署是一個(gè)不可忽略的成本因素，其中主要包括無(wú)線(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施建置和數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用?，F(xiàn)今，由于覆蓋范圍更廣、以及成本和功率優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)（LTE-M、NB-IoT、LTE Cat 1）更易于取得，農(nóng)民可以從蜂巢式網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的整體擴(kuò)展中獲益。

我們可以說(shuō)，推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)普及化的最有力趨勢(shì)，是來(lái)自農(nóng)業(yè)小區(qū)本身，藉由采用以開(kāi)源硬件和軟件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的DIY解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

以 AgOpenGPS（也稱(chēng)為 AOG）為例，這是一套由加拿大農(nóng)民和軟件開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建的開(kāi)源自動(dòng)轉(zhuǎn)向解決方案。AOG 提供所有的硬件設(shè)計(jì)文件、實(shí)時(shí)微控制器韌體，和實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)曳引機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向所需的軟件。AOG 開(kāi)發(fā)人員社群投入了數(shù)千小時(shí)，使他們的解決方案在成本上（改裝曳引機(jī)的成本不到 1000 美元）和必備知識(shí)方面都能為大眾所接受。

越來(lái)越多精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)平臺(tái)的推出，從為財(cái)務(wù)優(yōu)渥的大型農(nóng)場(chǎng)所打造的高階商業(yè)解決方案，到可以在一年內(nèi)收回成本，并適用于小農(nóng)的低成本 DIY 解決方案，正在改變精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)帶來(lái)的影響。隨著全球糧食供應(yīng)正面臨嚴(yán)峻壓力，智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)的普及化將扮演重要角色，協(xié)助人們克服此一挑戰(zhàn)。

致力推動(dòng)技術(shù)發(fā)展 25 年
25 年來(lái)，u-blox致力于推動(dòng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)普及化，從為使用者帶來(lái)第一款微型 GNSS 接收器開(kāi)始，進(jìn)而擴(kuò)展到藍(lán)牙、Wi-Fi 和蜂巢式無(wú)線(xiàn)通信，最后構(gòu)建了穩(wěn)固的數(shù)據(jù)、定位和安全服務(wù)?，F(xiàn)在u-blox率先開(kāi)發(fā)藍(lán)牙室內(nèi)定位解決方案，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的室內(nèi)外定位解決方案。

除了芯片與模塊等硬件外，u-blox也提供各種通訊、定位、與資安等服務(wù)，讓使用單位可以快速且輕易地建立與維護(hù)復(fù)雜的IoT系統(tǒng)。這些先進(jìn)的技術(shù)能夠幫助全球小型農(nóng)場(chǎng)提升農(nóng)業(yè)效率，以更具成本效益的數(shù)字投資，帶入精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的效益，并進(jìn)而普及化。

（本文作者Nabeel Khan為u-blox美洲區(qū)域應(yīng)用營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理）