物聯網設計開源智能農業系統

2020-08-10

在過去的20年中，計算機極大地改變了世界，農業也感受到了影響。先進的設備現在可以提高生產效率；改性種子可以使蟲害管理更容易；自動化使許多瑣事得以改變，即使它們不會消失。但是，農民越來越發現他們所依賴的技術是一把雙刃劍。

同時，農民要面對許多日益嚴峻的商業挑戰。他們還發現自己無法以以前的方式來維修或修理機器，這是因為軟件數字版權管理和其他設備設計決策，使設備制造商的服務收入超過了農民。在供應商和農民之間這種緊張關系的最極端情況下，農民甚至成為某些作物種子生產商的關注者，因為與相鄰領域中獲得專利的轉基因植物的異花授粉吸引了種子生產商的訴訟。

這些斗爭使世界各地的農民深遠地保持競爭力。在這場競爭中，他們發現自己被供應商推向種子，設備，化學品和他們無法完全控制的業務的其他投入。農民們失去了維修設備，保存種子或采取其他經過時間考驗，節省成本的措施的選擇。他們警惕工作中未提及的技術成本。

伴隨著這一挑戰，是一個機會來建立農業工具，使農民重新獲得權力。如果農民可以建立或保留編輯和使用更多設備的權利，那么通往“更智能”農場的道路將對農民更具吸引力?？傮w而言，農業正在為諸如物聯網和人工智能之類的技術看到大量機遇。開源和其他可使用的實施這些工具的方式對于農民保持競爭優勢至關重要

最近在孟加拉國進行的一項研究項目以以前的工作為基礎，創建了用于智能農業的開源模型。該模型大量使用了Arduino組件，設計了一個全面的環境監控系統，定義了數據分析方法，并創建了自動農場輸入管理的路徑。雖然構建的測試系統的主要重點是現場生產，但已經預料到，將來可以將通用體系結構應用于溫室，畜牧生產和更多的農業應用。

該項目基于Arduino Mega 2560的所有監視設備，以整個農業領域中設置的“監視節點”網格為中心，單個“中心節點”聚合所有數據，觸發自動化事件并將數據傳遞到云。

每個“監視節點”都向Arduino Mega板添加了一系列傳感器。研究人員根據成本，易用性和靈活性選擇了適合普遍人群使用的設備。

為了配備單個監視節點，Arduino板擴展了以下內容：

nRF24L01 + PA / LNA無線收發器模塊，用于與中心節點的通信—使用嵌入式無線協議和2.4 GHz頻譜，該設備可以傳輸長達1100 m的距離；2.4 GHz頻譜允許125個信道，從而擴展了單個服務器場和中央節點可能的連接數量。

DHT11溫濕度傳感器用于表面溫濕度測量。

PIR運動傳感器，依靠紅外成像來檢測運動，以提醒農民注意蟲害或侵入者。

MQ-135氣體傳感器，可檢測空氣中的多種有機化合物，包括煙霧。

BMP180大氣壓力傳感器可檢測大氣壓力的變化，從而指示可能發生暴風雨或其他天氣狀況。

土壤濕度傳感器，可測量土壤中的電阻以確定地面的水飽和度。

降雨檢測傳感器，通過測量傳感板上的電阻來檢查降雨。

pH計，可確定土壤的酸度和添加土壤的潛在需求。

有了各種各樣的附件，該研究項目創建了多個傳感單元，這些傳感單元可以部署在廣闊的領域。如果選擇了無線通信硬件，則單個中央節點可以為直徑最大為2200米的分散監視節點提供服務。為了準備每個監視節點，每個Arduino都連接了其傳感器陣列，并進行了編程以存儲和共享所有傳感器數據，并為通信而尋址。

創建監視節點后，團隊將注意力轉移到中心節點，負責進一步分析和交流現場情況。

進行溝通和農場管理

監督監視節點的收集是一個“中心節點”，旨在匯總，報告和處理從現場收集的數據。它建立在相同的Arduino Mega 2560平臺上，可中繼整個服務器場中發生的事情。代替與每個監視節點一起包裝的傳感器設備，中央節點具有Wi-Fi卡和帶有SIM卡的蜂窩無線電，用于“始終在線”將數據傳輸到云。研究團隊進一步概念化了添加伺服器，電動機和類似硬件（如果適用）以及何時對整個測試場中的自動化灌溉和其他互補系統的管理有用。

通過這種設計，單個中央計算機和GSM通信設備可以中繼在大片土地上收集的信息。其他優點很多-憑借其集中功能，中央節點可以編程為：

通過SMS通知農民變化的條件和需要的干預措施

管理可訪問的輸入，例如對需要用水的區域進行灌溉

將收集的數據推送到云中以進行其他處理，分析和操作

將數據收集與總體智能農場管理捆綁在一起

為了給節點網絡供電，該團隊將光伏太陽能電池板與電池配對，以實現現場一致的電源可用性。所使用組件的基本性質可確保每個節點的功耗都很低，從而減少了操作系統所需的總電源。

有了來自現場的穩定的，可公開訪問的數據流，用于自動化更多農場管理的選項變得更加靈活。例如，該研究項目選擇Google表格來匯總和分析傳感器數據。

在專用農業無人機這一主題上，該團隊同樣能夠創建帶有現成組件的基本四軸飛行器。對典型無人機的具體改動最終將包括攜帶和精確施用農藥和肥料有效載荷的能力。時間的進一步改善可能包括采用先進的方法進行蟲害檢測和消除，收集更多的農作物數據，甚至可以利用機器學習技術對農產品進行分級。

當所有這些組件都安裝到位時，用于管理整個服務器場的高性能，開放式概念就形成了。盡管在此概念中并未詳盡地解決諸如安全性之類的其他注意事項，但是設計的開放性允許任何潛在的構建者考慮有關管理其自身數據的這一問題和其他問題。通過控制其專用的“物聯網”，農民可以享受物聯網所承諾的洞察力和效率的提高，而又不會失去可維護性。