聊一聊智慧農(nóng)業(yè)中，那些風格迥異的傳感技術

國際糧農(nóng)組織在2022《世界糧食安全和營養(yǎng)狀況》報告中提到，2021年全球受饑餓影響的人數(shù)已經(jīng)增加到8.28億人。令人憂心的是，生活在地球上的人口總數(shù)還在不斷攀升，根據(jù)聯(lián)合國的數(shù)據(jù)，到2050年，世界人口預計將達到97億。而受極端天氣、土壤惡化、土地干燥和生態(tài)系統(tǒng)崩潰等影響，糧食生產(chǎn)正變得越來越復雜和困難。眼下有沒有辦法破解這一困境呢？

答案是：智慧農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展讓我們看到了希望。

什么是智慧農(nóng)業(yè)？

智慧農(nóng)業(yè)是指利用先進的技術和更多的數(shù)據(jù)來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的系統(tǒng)。簡單地說，智慧農(nóng)業(yè)不僅能夠大幅提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，解決糧食需求等農(nóng)業(yè)問題，還能使現(xiàn)在的農(nóng)場或農(nóng)莊更加智能。因此，Statista預測，預計到2026年，全球智慧農(nóng)業(yè)的市場價值將達到約340億美元。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是一種發(fā)展迅猛的現(xiàn)代技術，從零售業(yè)、制造業(yè)、運輸業(yè)到航空業(yè)，全球許多行業(yè)都在充分利用物聯(lián)網(wǎng)，當然，農(nóng)業(yè)也不例外。隨著物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應用不斷擴大，人類和整個地球的生活都將發(fā)生質(zhì)的變化。專家估計，到2022年，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場預計將達到231.4億美元，未來幾年有望部署7,500萬個用于農(nóng)業(yè)目的的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

對精準農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)的需求不斷增加，是物聯(lián)網(wǎng)成為農(nóng)業(yè)必備技術的誘因?，F(xiàn)在，越來越多的農(nóng)業(yè)公司和農(nóng)民正在采用物聯(lián)網(wǎng)技術和智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)來提高產(chǎn)量。聯(lián)合國的數(shù)據(jù)顯示，2010年至2050年間，預計全球農(nóng)業(yè)產(chǎn)量將增長69%。結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術和解決方案的智慧農(nóng)業(yè)，通過實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和控制機制的部署，大幅提高了農(nóng)業(yè)運營效率，成為提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的助推劑。

在智慧農(nóng)業(yè)領域，我們經(jīng)常會聽到精準農(nóng)業(yè)這個詞語。精準農(nóng)業(yè)的目的是為農(nóng)民提供現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)管理方式，涉及利用信息技術進行高度精確和受控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不僅提高了生產(chǎn)力，還能有效改善作物和土壤質(zhì)量。精準農(nóng)業(yè)的實施主要通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器收集和分析有關土壤和作物狀況的數(shù)據(jù)，然后，農(nóng)民利用這些數(shù)據(jù)和信息來決定何時種植和收獲特定作物，作物需要多少水等。如今，精準農(nóng)業(yè)正在成為發(fā)達國家最具影響力的農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢，市場價值預計也將從2021年的67.3億美元增長到2027年的144.4億美元。

物聯(lián)網(wǎng)：建立智慧農(nóng)業(yè)的關鍵要素

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的一些常見元素包括：用于跟蹤和管理土壤狀況、濕度、溫度、污染水平和其他參數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備；用于傳輸現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)的蜂窩、LoRa和Wi-Fi等連接技術；專用軟件；位置跟蹤系統(tǒng)；操作自主設備或無人機的機器人；數(shù)據(jù)分析服務等。

在實際應用中，從精準農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)到智能溫室自動化，幾乎任何智慧農(nóng)業(yè)技術都是基于物聯(lián)網(wǎng)設備而建立的。與其他行業(yè)一樣，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應用實現(xiàn)了以前難以獲得的高效率、資源和成本的降低。在此過程中，傳感器數(shù)據(jù)分析推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的透明度，并為農(nóng)民提供了關于土壤和環(huán)境等各項參數(shù)，僅憑田間土壤傳感器，農(nóng)民就可以管理他們現(xiàn)有的資源，使總收入增加近20%。

智慧農(nóng)業(yè)中的傳感技術

我們今天談論的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，通常是指將傳感、自動化和分析技術添加到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程。傳感器在這場技術革命中發(fā)揮著至關重要的作用。

農(nóng)業(yè)中使用的物聯(lián)網(wǎng)傳感器種類繁多，它們常常被用來探測大氣和土壤的溫濕度、光照情況、二氧化碳含量、田地位置、土壤成分等。這些傳感器被安裝在整個田地、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)、智慧農(nóng)業(yè)設備以及農(nóng)業(yè)氣象站上。來自不同傳感器的數(shù)據(jù)組合使農(nóng)民能夠建立作物模型，預測作物在給定條件下的生長方式，整合精準農(nóng)業(yè)實踐，制定收割策略等。

1位置傳感

精準定位是精準農(nóng)業(yè)的基礎，使用來自GPS衛(wèi)星的信號獲得的緯度、經(jīng)度等數(shù)據(jù)能準確地確定田地所處的位置，當使用自動化機械耕種田地時，設備中配備的自動引導系統(tǒng)可輕松優(yōu)化田地路線，減少完成任務所需的時間。在農(nóng)業(yè)機械中，用于植物種植和收割的設備和車輛在其高精度車輛制導系統(tǒng)中也會采用GPS傳感技術。當然，GPS傳感技術也可以用來對飼養(yǎng)的牲畜進行跟蹤和監(jiān)測。在實際應用中，對一個位置進行三角測量時至少需要三顆衛(wèi)星。

u-blox公司的ZED-F9T全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）模塊采用了多頻段射頻前端架構，將F9多頻段平臺集成在一個22毫米x17毫米的小型表面安裝器件中，支持所有四個主要的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，如GPS、伽利略、GLONASS和北斗。這些多頻段GNSS模塊提供5ns（1西格瑪）的定時精度，且以超低功耗工作。ZED-F9T模塊具有可同時接收和跟蹤多個GNSS系統(tǒng)的GNSS接收器，工作電壓范圍為-0.5V至3.6V，輸出電流為100mA。

圖1：u-blox公司ZED-F9T全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)模塊

（來源：u-blox）

日本Nisshinbo公司的NJG115xP前端模塊（FEM）專為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)設計，包括GPS、GLONASS、北斗和伽利略應用。該器件可以在1.5V至3.3V的電壓范圍內(nèi)工作。其中，NJG1157PCD主要針對GPS和GLONASS應用而設計，該FEM具有高增益、低噪聲系數(shù)、高線性度和高帶外抑制特性，這些特性由高性能前置SAW濾波器、低噪聲放大器（LNA）和post-SAW濾波器支持。

圖2：NJG1157PCD簡單易用，只需兩個外部元件

（來源：Nisshinbo）

2 溫/濕度傳感

溫/濕度傳感器在智慧農(nóng)業(yè)的兩個關鍵應用中都發(fā)揮著重要作用，一是土壤溫/濕度檢測，另一個是環(huán)境條件監(jiān)測。土壤溫/濕度是地下植物生長活動的一個重要因素，它能直接影響根系的生長和呼吸。物聯(lián)網(wǎng)溫度傳感器可以通過測量空氣溫度和其他因素來估計土壤溫度，也可以使用埋在土壤中的探針進行準確的測量。

ADI公司的數(shù)字溫度傳感器DS18B20能提供9位至12位攝氏溫度測量，具有用戶可編程的上下觸發(fā)點報警功能。傳感器的分辨率可由用戶配置為9、10、11或12位，分別對應0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃的增量。通電時的默認分辨率為12位。DS18B20具有獨特的1-wire接口，與中央微處理器進行通信只需要一條數(shù)據(jù)線路（和接地）。每個DS18B20都有一個唯一的64位串行代碼，允許多個DS18B20在同一條單線總線上工作。因此，使用一個微處理器即可控制分布在大面積上的許多DS18B20。此外，DS18B20還能直接從數(shù)據(jù)線上獲得電源（“寄生電源”），無需外部電源。

圖3：DS18B20可從數(shù)據(jù)線上直接獲得寄生電源，無需外部供電（來源：ADI）

土壤的含水量可以使用帶電極的埋入式探針進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)高效、無浪費的灌溉。TE公司的HTG3500系列為即插即用型溫濕度傳感器，專為需要可靠精確測量的應用而設計，尤其適用于要求低功耗和嚴苛的應用。產(chǎn)品采用濕度線性電壓輸出和直接NTC輸出，可直接與微控器連接。

圖4：HTG3500系列溫濕度傳感器

（來源：TE）

Amphenol公司的T9501是一款IP67級濕度和溫度傳感器，基于電容聚合物傳感器芯片，為幾乎任何類型的惡劣環(huán)境應用提供了先進、經(jīng)濟高效的溫濕度傳感解決方案。

圖5：Amphenol公司T9501濕度和溫度傳感器

（來源：Mouser）

3 土壤成分探測

土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)對植物的生長起到?jīng)Q定性作用。為了優(yōu)化植物的生長環(huán)境并獲得高產(chǎn)收成，必須對農(nóng)產(chǎn)品種植的土壤條件有深入和定量的了解。使用pH傳感器可以提供有關土壤養(yǎng)分缺乏或有害化學物質(zhì)存在的關鍵反饋。最近行業(yè)熱門的NPK土壤傳感器提供了一種使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器測量關鍵土壤養(yǎng)分的方法，包括土壤的pH值以及氮磷鉀的含量。對農(nóng)業(yè)市場來說NPK土壤傳感器還是一種較新的產(chǎn)品，目前正處于開發(fā)階段，市場上很難找到具體的產(chǎn)品。

4 農(nóng)業(yè)中的陀螺儀和圖像傳感器

陀螺儀和圖像傳感器廣泛用于機器人、自動駕駛汽車和無人機。無人機在智慧農(nóng)業(yè)中的使用在很大程度上依賴于加速度計和慣性測量單元來跟蹤運動、速度以及在空中的位置。陀螺儀和圖像傳感器雖然與農(nóng)作物或植物的生長沒有密切關系，但在整個智慧農(nóng)業(yè)行業(yè)同樣發(fā)揮著重要作用。現(xiàn)在，在田間健康監(jiān)測、地理測繪和土地分析、自動灌溉和作物施肥等應用中也采用了大量的陀螺儀和圖像傳感器。

STMicroelectronics的I3G4250D是一款低功耗的三軸角速率傳感器，能夠在零速率水平下提供前所未有的穩(wěn)定性，并在溫度和時間上提供靈敏度。它包括傳感元件和IC接口，能夠通過標準向應用程序提供測量的角速率SPI數(shù)字接口，還提供了I2C兼容接口。傳感元件是使用意法半導體開發(fā)的專用微機械加工工藝制造的。IC接口是使用CMOS工藝制造的，以更好地匹配感測元件的特性。I3G4250D具有可選擇的滿量程（±245/±500/±2,000dps），能夠使用用戶可選擇的帶寬測量速率。

圖6：I3G4250D三軸角速率傳感器

（來源：STMicroelectronics）

5 農(nóng)業(yè)中的智能相機

現(xiàn)在，智能相機在農(nóng)業(yè)中的應用也非常普遍。害蟲防治一直是農(nóng)業(yè)面臨的最重大挑戰(zhàn)之一。在不傷害對農(nóng)作物有益的昆蟲的情況下，農(nóng)民現(xiàn)在可以利用智能相機進行實時害蟲檢測和監(jiān)測，進而采取專門針對害蟲的有效行動。此外，智能相機還能提供葉片健康狀況、光照亮度、葉綠素測量和成熟度水平的圖片，供農(nóng)民隨時了解作物的生長情況。

安森美（Onsemi）的SECO-RSL10-CAM-COLOR-GEVK RSL10智能相機是一個完整的節(jié)點到云的平臺，能夠為便攜式、低占空比的物聯(lián)網(wǎng)應用實現(xiàn)智能圖像捕獲。它基于RSL10多協(xié)議藍牙系統(tǒng)和ARX3A0 CMOS圖像傳感器，具有多種觸發(fā)模式，包括時間、運動檢測和環(huán)境傳感器觸發(fā)。ARX3A0在可見光和近紅外波長下都具有高靈敏度，并且具有超低功耗模式，激活時僅消3.2mW。此外，設計人員還可以對ARX3A0進行編程，以監(jiān)控其視場的特定區(qū)域，并在場景內(nèi)容發(fā)生變化時自動拍攝圖像。

圖7：安森美SECO-RSL10-CAM-COLOR-GEVK RSL10智能相機（來源：Mouser）

智慧農(nóng)業(yè)的未來

智慧農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的未來，這是不可否認的。毫無疑問，未來的農(nóng)業(yè)屬于由大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)設備、智能傳感器、無人機和自動化溫室管理系統(tǒng)驅(qū)動的智慧農(nóng)業(yè)。

根據(jù)Insider Intelligence的數(shù)據(jù)，到2023年，全球?qū)惭b近1,200萬個農(nóng)業(yè)傳感器，使用物聯(lián)網(wǎng)設備的農(nóng)場平均每天將產(chǎn)生超過50萬個數(shù)據(jù)點。再加上大規(guī)模采用的用于灌溉、噴灑和田間監(jiān)測的無人機，所有這些數(shù)據(jù)點的整合和利用，將會構成現(xiàn)實生活中智慧農(nóng)業(yè)應有的樣子。

精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展?jié)M足了全球?qū)Z食日益增長的需求，所采用的傳感技術使得精準農(nóng)業(yè)中必須具備的收集和應用數(shù)據(jù)變得更簡單、更便宜。同時，精準農(nóng)業(yè)的未來發(fā)展還將增加自動駕駛農(nóng)用車，以及更智能、更小的無人機的使用。物聯(lián)網(wǎng)設備、智能傳感器的使用為精準農(nóng)業(yè)的實施和落實提供了保障，在不久的將來必將為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來革命性的變化。