构建开源互联农场

最近的一个研究项目探索了如何通过将嵌入式智能电子设备放置在物联网传感器网络中来创建负担得起的智能农场。本文探讨了农民今天面临的挑战、研究项目的发现，以及这些发现如何帮助解决现代农业的一些困难。

在过去的 20 年中，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提高生产效率；改良种子可以使害虫管理更容易；自动化使许多杂务发生了变化，即使它们并没有消失。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，农民也在与一系列日益严峻的商业挑战作斗争。他们还发现，由于软件数字版权管理和其他设备设计决策偏向于设备制造商的服务收入，而不是农民，他们还发现自己无法像以前那样维修或维修他们的机器。在供应商和农民之间这种紧张关系的最极端情况下，农民甚至对某些作物的种子独家生产商产生了感激之情，因为在相邻田地中与获得专利的转基因植物进行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挖掘以保持竞争力。在这场竞争中，他们发现自己被供应商推向他们无法完全控制的种子、设备、化学品和其他业务投入。农民正在失去修理设备、保存种子或采取其他经过时间考验的、节省成本的措施的选择。他们对工作中未提及的技术成本持谨慎态度。

面对这一挑战，我们有机会制造农业工具，为农民提供电力。如果农民能够建造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。该模型大量使用了Arduino 组件，布局了一个全面的环境监测系统，定义了数据分析的方法，并为自动化农场输入管理创建了路径。虽然构建的测试系统的主要重点是田间生产，但已经预计通用架构将来可以应用于温室、畜牧生产和更多的农业应用。

该项目基于 Arduino Mega 2560 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，使用单个“中央节点”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”都为 Arduino Mega 板添加了一系列传感器。所涉及的研究人员根据成本、易用性和灵活性选择了可供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

该设备使用嵌入式无线协议和 2.4-GHz 频谱，传输距离可达 1，100 m；2.4-GHz 频谱允许 125 个独特的通道，从而扩展了单个场和中央节点的连接数量。

DHT11温湿度传感器，用于表面温湿度测量

PIR 运动传感器，它依靠红外成像来检测运动，以提醒农民注意害虫或侵入者

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 气压传感器可检测气压变化，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，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，通过测量感应板上的电阻来检查降雨

pH计，可确定土壤酸度和土壤添加的潜在需求

该研究项目手头有多种附件可供选择，因此创建了几个可以部署在大范围内的传感单元。鉴于所选的无线通信硬件，单个中央节点可以为直径达 2，200 米的分散监控节点提供服务。为了准备每个监控节点，每个 Arduino 都连接到其传感器阵列，编程为存储和共享所有传感器数据并为通信而寻址。

创建监控节点后，团队将注意力转向中央节点，负责进一步分析和沟通现场条件。

装备通讯和农场管理

监督监控节点的集合是一个“中心节点”，旨在汇总、报告和处理从现场周围收集的数据。它建立在同一个 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“始终在线”将数据传输到云端。研究团队进一步概念化了添加伺服系统、电机和类似硬件是否以及何时对管理整个测试农场的自动灌溉和其他补充系统有用。

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——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措施

管理可访问的输入，例如在需要水的区域开启灌溉

将收集的数据推送到云端以进行额外的处理、分析和操作

将数据收集与全面智能农场管理联系起来

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，从而在现场提供一致的电力供应。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整体电源。

随着从田间源源不断地流出可公开访问的数据，自动化更多农场管理的选项变得灵活。例如，该研究项目选择谷歌表格来聚合和分析传感器数据。虽然Google 的软件非常适合此目的，尤其是 Google 套件是免费的，但许多数据存储和分析工具可以提供相同的功能。

关于专用农业无人机的主题，该团队同样能够创建一个带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有效载荷的能力。时间上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。

随着这些部分的落实，一个用于管理整个农场的高性能、开放的概念就形成了。虽然在这个概念中没有明确地详细讨论安全性等其他考虑因素，但设计的开放性允许任何潜在的构建者考虑管理他们自己的数据的这个问题和其他问题。通过控制他们专门构建的“物联网”，农民可以享受物联网承诺的洞察力和效率改进，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一系列以可负担的方式进入智能农业的工作，但其价值进一步扩大。使用流行且广泛可用的组件（如 Arduinos）的概念不仅降低了进入智能农业的成本；这也意味着农民对他们的生意有更多的控制权。

特别是对于世界各地的自给农民和中型企业而言，这种民主化发生在他们应对艰难的商业决策的关键时刻。　　

      审核编辑：彭静