|
作者：Microchip Technology Inc. 資深產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師 Aloke Barua 環(huán)境監測是云和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）服務(wù)最有前景的商業(yè)應用之一，這種技術(shù)有助于形成穩定的室內生長(cháng)環(huán)境，從而推進(jìn)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(wǎng)絡(luò )能夠推動(dòng)高效的收獲前和收獲后管理系統在園藝業(yè)和室內種植領(lǐng)域的應用，從而促進(jìn)具有道德性和可持續性并最終實(shí)現盈利的大規�？煽丨h(huán)境農業(yè)（CEA）產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展。這些系統利用IoT傳感器持續測量和報告環(huán)境數據，同時(shí)可在需要調整時(shí)觸發(fā)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(shí)踐（包括采用加密和身份驗證技術(shù)的關(guān)鍵需求），從而防止黑客破壞操作或竊取有價(jià)值的數據。 本土化室內種植案例 在探索如何開(kāi)發(fā)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(yōu)勢。室內種植具有如下三項主要優(yōu)勢： 1. 提高農產(chǎn)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(jìn)行本土化種植，將會(huì )快速、有效地解決全球對這些作物的需求。同時(shí)，還有助于縮短食物里程，雖然可能并不能降低運營(yíng)的碳密集度，但確實(shí)有助于提高農產(chǎn)品安全性和農產(chǎn)品供應能力，因為無(wú)需將農產(chǎn)品從其他地區長(cháng)途運輸過(guò)來(lái)。 此外，還會(huì )帶來(lái)其他優(yōu)勢，如延長(cháng)生長(cháng)季節使特定糧食作物在一年的12個(gè)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(chǎn)等。 2.減少棲息地破壞 推進(jìn)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(yè)對棲息地和環(huán)境造成的威脅，因為人們更加關(guān)注土地開(kāi)發(fā)和伐木業(yè)對森林造成的破壞。世界自然基金會(huì )（WWF）的數據顯示，“全球每年減少的森林面積為1870萬(wàn)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(yè)用地”。土地主要用于畜牧養殖業(yè)、大規模農耕作業(yè)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(zhuān)門(mén)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(lái)越清楚地認識到，消耗大量土地資源的耕作技術(shù)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(shù)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(xué)界公認的觀(guān)點(diǎn)是，雖然人類(lèi)是雜食性動(dòng)物，但偏向于混合食用植物、水果和堅果同時(shí)減少肉類(lèi)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(chǎn)量，從而促進(jìn)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(jìn)而減少食品運輸需求和溫室氣體（GHG）排放。據聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織（FAO）統計，全球畜牧業(yè)產(chǎn)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(jiàn)，但越來(lái)越趨向于建設定制的垂直農業(yè)設施，包括重新利用多層廠(chǎng)房或倉庫等。這類(lèi)設施有助于更加高效、務(wù)實(shí)地利用不動(dòng)產(chǎn)和土地來(lái)種植非糧食作物。垂直農業(yè)設施同樣非常適合飼養家禽，提供可能更具可行性的肉類(lèi)來(lái)源。 大規模采用CEA和室內種植需要滿(mǎn)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(yíng)養液成分。重要生產(chǎn)者將會(huì )選擇許多具有封閉環(huán)境的建筑物，每個(gè)建筑物都必須針對上述生長(cháng)條件進(jìn)行優(yōu)化。這就需要使用一個(gè)或多個(gè)云連接的傳感器持續測量環(huán)境參數水平隨時(shí)間的變化，并將數據報告給中央監測站。 系統部署的最佳實(shí)踐 首先，要創(chuàng )建本土或非本土室外條件日志，作為在需要時(shí)對環(huán)境參數進(jìn)行必要調整的基準。 接下來(lái)，必須確定要部署的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型。隨著(zhù)連接傳感器的IoT的可用性不斷提高，部署由中央集線(xiàn)器或網(wǎng)關(guān)管理的網(wǎng)絡(luò )來(lái)與本地控制器或計算機進(jìn)行通信（見(jiàn)圖1）非常實(shí)用。數據通過(guò)控制器上傳至云端，以便進(jìn)行進(jìn)一步分析。云可以是專(zhuān)有云，也可以是由傳統或新興提供商提供的云服務(wù)。 
圖1：IoT生態(tài)系統的典型實(shí)現方案 如果種植者認為沒(méi)有必要，可以選擇不對傳感器數據做出即時(shí)反應。在這種情況下，可以通過(guò)云端在可接受的時(shí)間范圍內發(fā)出命令或操作。但是，如需盡量縮短發(fā)出傳感器數據與中央計算機發(fā)出操作或命令之間的延時(shí)甚至實(shí)現零延時(shí)，種植者/生產(chǎn)者可以在中間采取相應措施，即在網(wǎng)關(guān)和云之間使用邊緣控制器來(lái)縮短從分析到操作的時(shí)間�；旧�，環(huán)境參數控制得越精確，作物生長(cháng)得越好。 邊緣計算實(shí)現方案可分為后端部分和前端部分，每一部分都對優(yōu)化封閉環(huán)境下的作物生產(chǎn)發(fā)揮著(zhù)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(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)關(guān)組件。隨著(zhù)IoT實(shí)現方案不斷增多以及在各行業(yè)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(tài)系統應運而生。傳感器網(wǎng)絡(luò )是其中一個(gè)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(cháng)環(huán)境并收集相關(guān)數據，然后傳輸至網(wǎng)關(guān)。同時(shí)，由于傳感器節點(diǎn)眾多，務(wù)必要確保每個(gè)節點(diǎn)都簡(jiǎn)單、可靠、易于維護、以極低的功耗運行從而延長(cháng)電池使用壽命，并且能夠通過(guò)各種無(wú)線(xiàn)連接方法與網(wǎng)關(guān)并最終與云服務(wù)供應商進(jìn)行通信。 首選的無(wú)線(xiàn)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(jìn)行通信。802.11ah標準的傳輸距離最長(cháng)，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(diǎn)還必須具有強大的安全性。與任何行業(yè)一樣，將有許多農場(chǎng)主或大型企業(yè)集團涉足大規模室內種植或CEA行業(yè)。任何能夠幫助供應商獲得競爭優(yōu)勢的信息都會(huì )帶來(lái)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，獲取可帶來(lái)這種優(yōu)勢的數據。若要降低風(fēng)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(diǎn)進(jìn)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(diǎn)的設計人員和制造商將基于硅解決方案打造其產(chǎn)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(shí)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(wú)線(xiàn)連接方案。此外，這些供應商還積極與重要的云服務(wù)提供商開(kāi)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(jìn)行配置，以便其與具有所有必備功能的專(zhuān)有云進(jìn)行通信。 Microchip Technology提供的Google Cloud IoT內核開(kāi)發(fā)平臺（見(jiàn)圖2和圖3）即為這類(lèi)解決方案的一個(gè)示例。這些開(kāi)發(fā)板將單片機、安全元件和經(jīng)過(guò)全面認證的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )控制器集于一身，提供了一種極為簡(jiǎn)單、有效的方法來(lái)將傳感器節點(diǎn)連接到Google Cloud IoT內核平臺。用戶(hù)可以直接連接到預先配置有免費沙盒帳戶(hù)或虛擬測試環(huán)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。
圖2：AVR-IoT WG開(kāi)發(fā)板搭載功能強大的AVR單片機（MCU）、安全元件和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )控制器
圖3：PIC-IoT WG開(kāi)發(fā)板搭載超低功耗（XLP）PIC MCU、安全元件和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )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(shí)現更加安全、可靠和高效的全球糧食生產(chǎn)。實(shí)現這一承諾需要依靠環(huán)境監測技術(shù)，在大規模應用的情況下，該技術(shù)可為非本土作物提供穩定的室內生長(cháng)環(huán)境。其中最重要的技術(shù)就是傳感器網(wǎng)絡(luò )，它用于收集環(huán)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(jìn)行處理和分析。領(lǐng)先的云服務(wù)提供商已經(jīng)推出快速開(kāi)發(fā)解決方案來(lái)應對這些需求，從而提供了簡(jiǎn)單、靈活的方法來(lái)支持CEA和室內種植的各種應用。 |
