【原创深度】智能城市的发展：IIoT灌溉监测是室内农业成功的关键

作者： Steven Keeping

当某个工程师轻蔑地描述某项技术是“农业技术”时，通常，他是暗指这项技术格局有限或已过时。但实则，这种暗示是不公平的。农业经营关乎商业化作物和畜牧生产，以及将粮食运送到人们餐盘里的过程，这里是最早采用高科技的领域。现代联合收割机具有许多计算机控制的属性，如采用GPS、激光制导、自我水准测量和液压传动等。况且目前，农业经济也投身行业物联网(IIoT)，以此提高可控环境农业(CEA或“室内农业”)的商业可行性。

CEA使用全封闭式温控设备来消除外部环境因素的干扰，如疾病、害虫或恶劣天气。有了这项技术，我们不需要昂贵肥沃的耕地，便可以在任何地方建立农业基地，甚至是在城市的社区中心。根据2012年的一项研究显示，在美国，将粮食从传统的农场运输给城市居民，这个过程占总能量预算的10%，而在临近消费者的地方生产粮食则有效解决了这一问题。

水资源的关键角色

早期采用的技术已经使农业的产量显示提高。例如，根据美国农业部(USDA)的数据显示，2000年，农民每小时的产量是1950年时的12倍。然而，这些收益是有代价的，其中最为明显的就是居高不下的用水量。这并不为奇，因为水资源是作物产量最大化的关键因素，即使所有其他促进作物生长的因素已达到平衡，但若没有可靠的水源供应，作物也无法存活。

近年来，尽管农业经济取得了长足的进步，但传统的农业灌溉仍然十分浪费资源，主要原因在于，灌溉用水在被作物吸收之前，70%~90%都已随着土壤流失。就全球而言，农业是最大的水资源消耗者——尤其是在一些干旱的国家和地区，约有85%的水用于农作物的灌溉。

削减过度用水是CEA最大的优势之一。不过，节约用水不仅是出于环保的要求，也是出于经济效益的考虑。搭建CEA设施可谓造价昂贵，且仅有优化投入成本和作物生长时，这些投资才有合理的回报。而水资源的利用在这个过程中扮演着至关重要的角色。

IIoT的控制

一家不依赖大自然灌溉的农业企业，可以通过IIoT大幅降低用水量——与传统农业相比，用水量可以减少90%。流入土壤的水可以将颗粒、氟化物和重金属污染物去除，并在输送前控制营养物质的添加。蒸发的水分也可以达到最小化，且可以再获取及再利用(封闭的环境可以简化循环利用)。外排的污水同样可以被处理后进行再利用。这里使用的技术包括滴灌。滴灌可以保持土壤永久湿润，甚至还可以完全不经过土壤，便直达作物的裸根。

通过无线连接到IIoT的传感器可以对作物进行密切监视，如水量吸收了多少，流失了多少，以此来控制用水情况。传感器还可以将作物的生长与供水量和养分浓度关联起来。通过实时分析收集的数据可以控制闭环系统，甚至还可以调节单个作物的用水量。

创建IIoT灌溉系统

IIoT灌溉系统通过利用先进的无线传感器和执行器、无线传感器网络和云资源，可以从容应对CEA过程控制系统在工程上的挑战。无线传感器使用蓝牙低功耗等技术监测作物的生长参数。随着室内农场的发展，传感器将成为网状网络的一部分，并改善可靠性，支持快速扩展。根据传感器的输出数据，信号返回网状网络指示传动器，以此增减灌溉量。

尽管有这些已验证的系统，但设计基于网状网络的灌溉系统并非易事。不过，通过使用芯片厂商的开发工具，最困难的部分——构建无线系统，也变得相当容易。例如，微控制器和模拟半导体供应商的领导者Microchip，提供了一系列的组件和工具，包括启动工具包、开发工具包扩展板以及蓝牙低功耗系统芯片(SoC)，这样，即使欠缺RF经验的工程师也可以设计CEA应用程序的无线网络。

IIoT连接的最大优点在于其对云资源的访问。IIoT使用云资源运行强大的算法，对来自室内农场的持续数据流进行分析，从而使生长过程不断改进。随着时间的推移，信息被构建至数据库中，以作出即时回应，了解特定增长参数的微小变化对输入成本、作物质量及最终的室内农场盈利能力有何影响。

帮助农民创收

为证明与传统农场相比，它们的高成本是合情合理，CEA的安装必须提高产量，这就要求对灌溉进行精确的监测和控制。通过使用网络无线IIoT传感器，工程师可以设计一套实时提供用水量数据的系统，并作为闭环控制系统的一部分，以最大限度地提高产量。

采用CEA的农民希望创建盈利可观的粮食销售业务，而不是对技术进行修修补补。通过使用IIoT控制农业过程，CEA的企业主可以依赖已验证成功的技术，即来自电子产品供应商和成熟的平台(互联网)的技术，并将精力集中在手头的业务上。

尽管CEA不可能完全取代种植大宗商品作物的大型农场，如小麦或常见的根菜类蔬菜，同时，也不适合饲养家畜的农场。但这种技术对于流动率高且具有可观利润的作物来说是理想的选择，如：绿叶菜、草药、甚至可食用的花。预计到2050年，全球人口将接近100亿(根据联合国的预测)，任何可促进粮食产量的可持续发展战略都将广受欢迎。

史蒂文•科平获得了英国布莱顿大学本科学位，后在Eurotherm和BOC公司电子部工作7年。随后，他加入《电子产品》杂志，并在接下来的13年里，担任电子产品制造、测试和设计等领域的高级编辑和出版人，包括英国和澳大利亚的三一镜报、CMP和RBI的《电子产品的新技术》、《澳大利亚电子工程》等。2006年，史蒂文成为专攻电子领域的自由撰稿人，目前在悉尼定居。

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