物联网设计开源智能农业系统

2020-08-10

在过去的20年中，计算机极大地改变了世界，农业也感受到了影响。先进的设备现在可以提高生产效率；改性种子可以使虫害管理更容易；自动化使许多琐事得以改变，即使它们不会消失。但是，农民越来越发现他们所依赖的技术是一把双刃剑。

同时，农民要面对许多日益严峻的商业挑战。他们还发现自己无法以以前的方式来维修或修理机器，这是因为软件数字版权管理和其他设备设计决策，使设备制造商的服务收入超过了农民。在供应商和农民之间这种紧张关系的最极端情况下，农民甚至成为某些作物种子生产商的关注者，因为与相邻领域中获得专利的转基因植物的异花授粉吸引了种子生产商的诉讼。

这些斗争使世界各地的农民深远地保持竞争力。在这场竞争中，他们发现自己被供应商推向种子，设备，化学品和他们无法完全控制的业务的其他投入。农民们失去了维修设备，保存种子或采取其他经过时间考验，节省成本的措施的选择。他们警惕工作中未提及的技术成本。

伴随着这一挑战，是一个机会来建立农业工具，使农民重新获得权力。如果农民可以建立或保留编辑和使用更多设备的权利，那么通往“更智能”农场的道路将对农民更具吸引力。总体而言，农业正在为诸如物联网和人工智能之类的技术看到大量机遇。开源和其他可使用的实施这些工具的方式对于农民保持竞争优势至关重要

最近在孟加拉国进行的一项研究项目以以前的工作为基础，创建了用于智能农业的开源模型。该模型大量使用了Arduino组件，设计了一个全面的环境监控系统，定义了数据分析方法，并创建了自动农场输入管理的路径。虽然构建的测试系统的主要重点是现场生产，但已经预料到，将来可以将通用体系结构应用于温室，畜牧生产和更多的农业应用。

该项目基于Arduino Mega 2560的所有监视设备，以整个农业领域中设置的“监视节点”网格为中心，单个“中心节点”聚合所有数据，触发自动化事件并将数据传递到云。

每个“监视节点”都向Arduino Mega板添加了一系列传感器。研究人员根据成本，易用性和灵活性选择了适合普遍人群使用的设备。

为了配备单个监视节点，Arduino板扩展了以下内容：

nRF24L01 + PA / LNA无线收发器模块，用于与中心节点的通信—使用嵌入式无线协议和2.4 GHz频谱，该设备可以传输长达1100 m的距离；2.4 GHz频谱允许125个信道，从而扩展了单个服务器场和中央节点可能的连接数量。

DHT11温湿度传感器用于表面温湿度测量。

PIR运动传感器，依靠红外成像来检测运动，以提醒农民注意虫害或侵入者。

MQ-135气体传感器，可检测空气中的多种有机化合物，包括烟雾。

BMP180大气压力传感器可检测大气压力的变化，从而指示可能发生暴风雨或其他天气状况。

土壤湿度传感器，可测量土壤中的电阻以确定地面的水饱和度。

降雨检测传感器，通过测量传感板上的电阻来检查降雨。

pH计，可确定土壤的酸度和添加土壤的潜在需求。

有了各种各样的附件，该研究项目创建了多个传感单元，这些传感单元可以部署在广阔的领域。如果选择了无线通信硬件，则单个中央节点可以为直径最大为2200米的分散监视节点提供服务。为了准备每个监视节点，每个Arduino都连接了其传感器阵列，并进行了编程以存储和共享所有传感器数据，并为通信而寻址。

创建监视节点后，团队将注意力转移到中心节点，负责进一步分析和交流现场情况。

进行沟通和农场管理

监督监视节点的收集是一个“中心节点”，旨在汇总，报告和处理从现场收集的数据。它建立在相同的Arduino Mega 2560平台上，可中继整个服务器场中发生的事情。代替与每个监视节点一起包装的传感器设备，中央节点具有Wi-Fi卡和带有SIM卡的蜂窝无线电，用于“始终在线”将数据传输到云。研究团队进一步概念化了添加伺服器，电动机和类似硬件（如果适用）以及何时对整个测试场中的自动化灌溉和其他互补系统的管理有用。

通过这种设计，单个中央计算机和GSM通信设备可以中继在大片土地上收集的信息。其他优点很多-凭借其集中功能，中央节点可以编程为：

通过SMS通知农民变化的条件和需要的干预措施

管理可访问的输入，例如对需要用水的区域进行灌溉

将收集的数据推送到云中以进行其他处理，分析和操作

将数据收集与总体智能农场管理捆绑在一起

为了给节点网络供电，该团队将光伏太阳能电池板与电池配对，以实现现场一致的电源可用性。所使用组件的基本性质可确保每个节点的功耗都很低，从而减少了操作系统所需的总电源。

有了来自现场的稳定的，可公开访问的数据流，用于自动化更多农场管理的选项变得更加灵活。例如，该研究项目选择Google表格来汇总和分析传感器数据。

在专用农业无人机这一主题上，该团队同样能够创建带有现成组件的基本四轴飞行器。对典型无人机的具体改动最终将包括携带和精确施用农药和肥料有效载荷的能力。时间的进一步改善可能包括采用先进的方法进行虫害检测和消除，收集更多的农作物数据，甚至可以利用机器学习技术对农产品进行分级。

当所有这些组件都安装到位时，用于管理整个服务器场的高性能，开放式概念就形成了。尽管在此概念中并未详尽地解决诸如安全性之类的其他注意事项，但是设计的开放性允许任何潜在的构建者考虑有关管理其自身数据的这一问题和其他问题。通过控制其专用的“物联网”，农民可以享受物联网所承诺的洞察力和效率的提高，而又不会失去可维护性。