设计开源智能农业系统

在过去的 20 年里，计算极大地改变了世界，农业也感受到了影响。先进的设备现在可以带来更高效的生产；改良种子可以使害虫管理更容易；自动化让许多琐事发生了变化，即使它们没有消失。然而，越来越多的农民发现他们所依赖的技术是一把双刃剑。

与此同时，农民正在努力应对一系列日益严峻的商业挑战。他们还发现，由于软件数字版权管理和其他有利于设备制造商服务收入而非农民的设备设计决策，他们无法像以前那样维修或修理他们的机器。在供应商和农民之间的这种紧张关系的最极端情况下，农民甚至对某些作物的种子生产商产生了依赖，因为与相邻田地中获得专利的转基因植物异花授粉会引起种子生产商的诉讼。

这些斗争让世界各地的农民深入了解以保持竞争力。在这场竞争中，他们发现自己被供应商推向了他们无法完全控制的种子、设备、化学品和其他业务投入。农民失去了修理设备、保存种子或采取其他经过时间考验的节省成本措施的选择。他们对工作中未提及的技术成本持谨慎态度。

伴随着这一挑战而来的是制造农具的机会，这些农具将电力还给农民。如果农民能够建立或保留编辑和使用更多设备的权利，那么通往“更智能”农场的道路对农民来说就变得更具吸引力。总体而言，农业正在看到物联网和人工智能等前沿技术的巨大机遇。实施这些工具的开源和其他可用方法对于农民保持竞争优势至关重要。

设计开源、低成本的智能农场系统

最近在孟加拉国进行的一项研究项目建立在以前的工作基础上，为智能农业创建了一个开源模型。该模型大量使用 Arduino 组件，布局综合环境监测系统，定义数据分析方法，并为自动化农场输入管理创建路径。虽然构建的测试系统的主要重点是田间生产，但已经可以预期通用架构在未来可以应用于温室、畜牧生产和更多农业应用。

该项目基于 Arduino Mega 2560 上的所有监控设备，以设置在整个农田中的“监控节点”网格为中心，单个“中心节点”聚合所有数据，触发自动化事件，并将数据传递到云端。

构建传感器网格

每个“监控节点”都向 Arduino Mega 板添加了一组传感器。参与研究的研究人员根据成本、易用性和灵活性选择了适合广泛人群使用的设备。

为了配备单个监控节点，Arduino 板扩展了以下内容：

• nRF24L01+PA/LNA 无线收发模块，用于与中心节点通信——使用嵌入式无线协议和 2.4-GHz 频谱，该设备可以传输最远 1,100 m； 2.4 GHz 频谱支持 125 个独特的信道，从而扩展了单个农场和中央节点可能的连接数量。
• DHT11 温湿度传感器，用于测量表面温湿度。
• PIR 运动传感器，它依靠红外成像来检测运动，以提醒农民注意害虫或入侵者。
• 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 气压传感器，用于检测气压变化，指示风暴或其他即将到来的天气模式的可能性。
• 土壤湿度传感器，用于测量土壤内的电阻以确定地面的含水饱和度。
• 降雨检测传感器，通过测量感应板的电阻来检查是否有降雨。
• pH 计，用于确定土壤酸度和土壤添加物的潜在需求。

有了广泛的附件选择，该研究项目创建了几个可以部署在大范围内的传感单元。给定选择的无线通信硬件，单个中央节点可以为直径达 2,200 米的分散监测节点提供服务。为了准备每个监控节点，每个 Arduino 都与其传感器阵列相连，经过编程以存储和共享所有传感器数据并为通信寻址。

创建监测节点后，团队将注意力转向中心节点，负责对现场情况进行进一步分析和交流。

设备通讯与农场管理

监督监测节点的收集是一个“中心节点”，旨在聚合、报告和处理从一个领域收集的数据。它建立在相同的 Arduino Mega 2560 平台上，可以传达整个农场发生的事情。代替与每个监控节点打包在一起的传感器设备，中央节点有一个 Wi-Fi 卡和带有 SIM 卡的蜂窝无线电，用于将数据“始终在线”传输到云端。研究团队进一步构思了添加伺服器、电机和类似硬件的概念，如果这些硬件有助于管理整个测试农场的自动灌溉和其他补充系统。

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——鉴于其集中功能，中央节点被编程为：

• 通过短信提醒农民不断变化的条件和需要的干预
• 管理可访问的输入，例如对需要水的地区进行灌溉
• 将收集到的数据推送到云端以进行额外的处理、分析和操作

将数据收集与全面的智能农场管理联系起来

为了为节点网络供电，该团队将光伏太阳能电池板与电池配对，从而在现场保持一致的电力可用性。所用组件的基本特性确保了每个节点的低功耗，从而减少了操作系统所需的总电源。

随着来自现场的源源不断、可公开访问的数据流，自动化更多农场管理的选项变得灵活。例如，该研究项目选择 Google Sheets 来汇总和分析传感器数据。虽然 Google 的软件非常适合这一目的，而且 Google 套件尤其是免费的，但许多数据存储和分析工具可以提供相同的功能。

在专用农业无人机的主题上，该团队同样能够创建具有现成组件的基本四轴飞行器。对典型无人机的具体改造最终将包括携带和精确施用农药和化肥的有效载荷的能力。时间的进一步改进可能包括害虫检测和消除方面的先进方法、额外的作物数据收集，甚至可以利用机器学习在农产品分级方面的进步。

随着这些部分中的每一个都落实到位，管理整个农场的高性能、开放式概念就形成了。虽然在这个概念中没有明确地详细说明安全性等其他考虑因素，但设计的开放性允许任何潜在的建设者考虑这一点和其他有关管理自己数据的问题。通过控制他们专门构建的“物联网”，农民可以享受物联网带来的洞察力和效率的改进，而不会失去可维护性。

接下来是什么

虽然该研究项目旨在增加以负担得起的方式进入智能农业的一系列工作，但其价值进一步扩大。使用流行且广泛可用的组件（例如 Arduinos）的概念不仅降低了进入智能农业的成本；这也意味着农民可以更好地控制他们的业务。

特别是对于世界各地的自给农民和中型企业来说，这种民主化正在关键时刻发生，因为他们需要做出艰难的商业决策。

>>本文的早期版本最初发布在我们的姊妹网站 EEWeb 上。