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云技術讓園藝業和室內種植的管理系統更高效

2021-09-16
作者:Microchip Technology Inc. 資深產品營銷工程師 Aloke Barua
來源:Microchip Technology
關鍵詞: 物聯網 Microchip

  環境監測是物聯網(IoT)服務最有前景的商業應用之一,這種技術有助于形成穩定的室內生長環境,從而推進水果、堅果、蔬菜和草藥等非本土作物的本土化種植。云連接的IoT網絡能夠推動高效的收獲前和收獲后管理系統在園藝業和室內種植領域的應用,從而促進具有道德性和可持續性并最終實現盈利的大規模可控環境農業(CEA)產業的產生和發展。這些系統利用IoT傳感器持續測量和報告環境數據,同時可在需要調整時觸發相應的操作或命令。種植者需要了解確定和部署這些系統的最佳實踐(包括采用加密和身份驗證技術的關鍵需求),從而防止黑客破壞操作或竊取有價值的數據。

  本土化室內種植案例

  在探索如何開發云連接的本土化種植系統之前,首先需要了解室內種植的潛在優勢。室內種植具有如下三項主要優勢:

  1.提高農產品供應能力

  對于特定地區的非本土水果、堅果、蔬菜和草藥,如果可以在當地進行本土化種植,將會快速、有效地解決全球對這些作物的需求。同時,還有助于縮短食物里程,雖然可能并不能降低運營的碳密集度,但確實有助于提高農產品安全性和農產品供應能力,因為無需將農產品從其他地區長途運輸過來。  此外,還會帶來其他優勢,如延長生長季節使特定糧食作物在一年的12個月中都有供應,以及能夠在全球氣候條件不穩定的情況下保持全球糧食的高效生產等。

  2.減少棲息地破壞

  推進CEA或非糧食作物的室內種植還可以減少對棲息地的破壞。雖然可能存在爭議,但有充分的理由表明,人們往往忽視農業對棲息地和環境造成的威脅,因為人們更加關注土地開發和伐木業對森林造成的破壞。世界自然基金會(WWF)的數據顯示,“全球每年減少的森林面積為1870萬英畝”(基于前三大破壞者的數據),“全球約50%的棲息用地已轉化為農業用地”。土地主要用于畜牧養殖業、大規模農耕作業以及種植供人們食用的蔬菜與谷物,其中三分之一以上的土地專門用于種植玉米、大麥、燕麥、高粱和大豆等畜牧飼料作物。人們越來越清楚地認識到,消耗大量土地資源的耕作技術不具可持續性。

  3.培養更健康的飲食習慣

  除了減少傳統耕作技術對土地的需求外,CEA和室內種植還有助于培養更健康的飲食習慣。醫學界公認的觀點是,雖然人類是雜食性動物,但偏向于混合食用植物、水果和堅果同時減少肉類攝入的飲食習慣更有益于健康。廣泛采用這種飲食習慣,可以大幅減少畜牧飼料產量,從而促進全球人口在根本上向具有可持續性的生活方式轉變。此外,這種飲食習慣還有助于減少牲畜飼養量,進而減少食品運輸需求和溫室氣體(GHG)排放。據聯合國糧食及農業組織(FAO) 統計,全球畜牧業產生的GHG排放量占所有人為GHG排放量的14.5%。

  目前,大規模CEA和室內種植尚處于起步階段。雖然在大面積土地上部署溫室等室內結構更為常見,但越來越趨向于建設定制的垂直農業設施,包括重新利用多層廠房或倉庫等。這類設施有助于更加高效、務實地利用不動產和土地來種植非糧食作物。垂直農業設施同樣非常適合飼養家禽,提供可能更具可行性的肉類來源。

  大規模采用CEA和室內種植需要滿足一些先決條件。復制和保持自然條件要求種植者定期監測溫度、人工照明、室內濕度和土壤濕度等參數,在水培/氣培的情況下,還需要監測營養液成分。重要生產者將會選擇許多具有封閉環境的建筑物,每個建筑物都必須針對上述生長條件進行優化。這就需要使用一個或多個云連接的傳感器持續測量環境參數水平隨時間的變化,并將數據報告給中央監測站。

  系統部署的最佳實踐

  首先,要創建本土或非本土室外條件日志,作為在需要時對環境參數進行必要調整的基準。

  接下來,必須確定要部署的網絡類型。隨著連接傳感器的IoT的可用性不斷提高,部署由中央集線器或網關管理的網絡來與本地控制器或計算機進行通信(見圖1)非常實用。數據通過控制器上傳至云端,以便進行進一步分析。云可以是專有云,也可以是由傳統或新興提供商提供的云服務。

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  圖1:IoT生態系統的典型實現方案

  如果種植者認為沒有必要,可以選擇不對傳感器數據做出即時反應。在這種情況下,可以通過云端在可接受的時間范圍內發出命令或操作。但是,如需盡量縮短發出傳感器數據與中央計算機發出操作或命令之間的延時甚至實現零延時,種植者/生產者可以在中間采取相應措施,即在網關和云之間使用邊緣控制器來縮短從分析到操作的時間。基本上,環境參數控制得越精確,作物生長得越好。

  邊緣計算實現方案可分為后端部分和前端部分,每一部分都對優化封閉環境下的作物生產發揮著重要作用。后端部分包含邊緣計算和云計算組件,而前端部分包含傳感器網絡和網關組件。隨著IoT實現方案不斷增多以及在各行業的應用日益廣泛,為提供支持該解決方案架構所需的所有組件,由硬件供應商和系統集成商組成的生態系統應運而生。傳感器網絡是其中一個非常重要的元素,因為它將部署在最接近作物的位置,用于監測作物的生長環境并收集相關數據,然后傳輸至網關。同時,由于傳感器節點眾多,務必要確保每個節點都簡單、可靠、易于維護、以極低的功耗運行從而延長電池使用壽命,并且能夠通過各種無線連接方法與網關并最終與云服務供應商進行通信。

  首選的無線連接方案是藍牙低功耗(BLE)或新的802.11ah低功耗Wi-Fi?標準。這將確保解決方案可以在免許可頻段運行,并且能夠跨典型的10到100米(m)室內種植距離進行通信。802.11ah標準的傳輸距離最長,可達1千米(km)。BLE和802.11ah Wi-Fi?的數據傳輸速率分別為10 kbps(千比特每秒)- 10 Mbps以及50 kbps - 100 kbps,能夠為傳輸所需測量的各種參數數據提供充足的帶寬。

  此外,傳感器節點還必須具有強大的安全性。與任何行業一樣,將有許多農場主或大型企業集團涉足大規模室內種植或CEA行業。任何能夠幫助供應商獲得競爭優勢的信息都會帶來更高的收入和利潤。人們已廣泛認識到,不法分子有意圖并有能力入侵無線網絡,獲取可帶來這種優勢的數據。若要降低風險,最佳方法是使用基于硬件的解決方案,這種解決方案可以對數據和節點進行加密和身份驗證。固件或軟件方案被普遍認為容易受到黑客攻擊。

  傳感器節點的設計人員和制造商將基于硅解決方案打造其產品,以此確保完成的系統設計易于使用、具有模塊化結構且可更新,同時能夠以低功耗模式運行,具有強大的安全性并且可以靈活地支持所需的無線連接方案。此外,這些供應商還積極與重要的云服務提供商開展合作。如果必須采用云不可知(cloud-agnostic)解決方案,則供應商應能夠對解決方案進行配置,以便其與具有所有必備功能的專有云進行通信。

  Microchip Technology提供的Google Cloud IoT內核開發平臺(見圖2和圖3)即為這類解決方案的一個示例。這些開發板將單片機、安全元件和經過全面認證的Wi-Fi網絡控制器集于一身,提供了一種極為簡單、有效的方法來將傳感器節點連接到Google Cloud IoT內核平臺。用戶可以直接連接到預先配置有免費沙盒帳戶或虛擬測試環境的Google Cloud,以查看光照和溫度數據。使用MikroElektronika應用廣泛的附加Click boards?,可以有選擇性地連接其他傳感器,從而輕松地將其他功能添加到設計中。

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  圖2:AVR-IoT WG開發板搭載功能強大的AVR?單片機(MCU)、安全元件和Wi-Fi?網絡控制器

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  圖3:PIC-IoT WG開發板搭載超低功耗(XLP)PIC? MCU、安全元件和Wi-Fi?網絡控制器

  以更好的方式養活全球人口

  相較于傳統的耕作方式,CEA和室內種植有望在更小的地理區域內實現更加安全、可靠和高效的全球糧食生產。實現這一承諾需要依靠環境監測技術,在大規模應用的情況下,該技術可為非本土作物提供穩定的室內生長環境。其中最重要的技術就是傳感器網絡,它用于收集環境監測傳感器數據并將其傳輸到云端或將數據從云端傳出以進行處理和分析。領先的云服務提供商已經推出快速開發解決方案來應對這些需求,從而提供了簡單、靈活的方法來支持CEA和室內種植的各種應用。


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