大田作物生產是勞動和能源密集型的。種植玉米、小麥、大豆、棉花、紫花苜蓿、蔬菜或水果等商品的傳統方法通常需要用人力驅動的柴油動力拖拉機拉動各種農具在田間進行多次遍歷。這些工具執行諸如犁地、整地、播種、栽培、施用農藥和收割等功能。一年的紫花苜蓿生長（每塊田地收獲多種作物）可能需要 15 次或更多次拖拉機通過，可能會使用數千加侖的化石燃料和數百小時的勞動力。自動駕駛拖拉機實驗曾試圖減少勞動力投資，但收效甚微。為拖拉機供電的嘗試被證明是困難的，因為可用的電池技術沒有能量密度來提供近半兆瓦（大型現代拖拉機的額定功率超過 600 馬力）以進行 10 小時或更長時間的輪班。這是特斯拉 Model S 電動汽車電池容量的 50 倍左右。用一根長延長線將電動拖拉機拴在電網上存在嚴重的可靠性、安全性和實用性問題。

物聯網進入農場

但是，如果我們可以通過采用機器人技術和物聯網 (IoT) 技術完全消除拖拉機呢？一種有趣的方法可以從中心樞軸灌溉系統中得到啟發，其中一個中央塔供水，一長串管道的一端通過一個樞軸連接到它，而另一端緩慢移動以形成一個大圓圈。管段由一系列塔架之間的桁架懸掛，變速驅動輪受控以保持管道筆直。沿管道分布的噴頭灌溉下面的農作物。典型的中心樞軸系統的半徑為四分之一英里（400 米）。要了解這項技術的實際應用，請查看內布拉斯加州奧加拉拉地區農田的衛星圖像。

這里建議的機器人系統加強了桁架和輪式塔架，使重型工具可以懸掛在傳統中心樞軸系統中水管所在的軌道上。機動車在軌道的整個長度上移動，承載著一個轉盤，轉盤又承載著可互換的工具。為了將工具放置在系統命令的現場準確位置，塔的輪子以協調的速度驅動以將軌道旋轉到正確的角度，托架從中心樞軸移動所需的徑向距離，并且轉盤定向實施，以便它能夠完成所需的工作，并且可以跟隨一排排植物，無論它們在田地中的方向如何。欄桿可以高出地面 10 英尺（3 米）或更高，以容納高大的作物。

該系統有多項技術創新。與軌道平行的電氣母線將電力從樞軸傳輸到系統的所有元件——大約 100kW（千瓦）、440V（伏）、3 相。托架上的滑動觸點將母線連接到機具上，支持超過 100hp（馬力）的電力負載。數據網絡將機具、托架、電機、閥門和傳感器互連到中央樞軸，光纖鏈路連接到互聯網和基于云的控制。水管灌溉田地，但單個閥門和機器人灑水頭可以比傳統灌溉系統更精確地澆水。輸送機系統可以在軌道頂部運行，以將種子和農用化學品輸送到農具，并運走收獲的農作物。

用例

這是該系統的一個用例。首先，中心支點固定在場地中央，各種電力、計算機網絡、輸送機和供水系統都埋得相當深以供其供電。然后，將樞軸組裝到軌道段和輪式驅動塔上，以達到覆蓋場地所需的半徑。平整工具連接到平整和平整土地的軌道上，將土壤從高點移到低點。犁和土壤調節器翻耕土壤，準備種植床。接下來，連接一個播種工具，定期用高架傳送帶上的種子重新填充。它精確種植整個田地。如果不同的模式（例如六邊形網格）更適合特定作物，則不需要成行種植。隨著農作物的生長，中耕機具通過控制雜草和害蟲。這項任務可以是機械的或化學的，也可以使用視頻分析和高科技解決方案（例如激光、水射流或冰鏢）來選擇性地消滅雜草和有害昆蟲。灌溉由機器人系統根據需要根據傳感器完成，這些傳感器以平方米的精度測量土壤濕度并準確施加所需的水量。

在收割時節，將適合作物的工具安裝在軌道上，收集作物、清洗和分類，然后將收獲物輸送到輸送系統，然后輸送到中央樞軸，然后運往倉庫或市場。與傳統的收割實踐不同，該系統可以有效地支持多道收割機具，這些機具使用復雜的視覺系統來分析作物和機器人，以僅采摘已達到最佳成熟度的部分。

結論

與傳統農業技術相比，該系統具有多項優勢。這一切都是電動的，避免了排放、碳和石油成本的波動。它需要人力驅動的拖拉機所需勞動力的一小部分。它可以有效地利用種子、水和農藥。它支持選擇性收獲以提高產品質量。可以大大減少土壤板結和侵蝕。它可以通過消除有利于先進的雜草和害蟲控制措施的化學品來實現有機農業。隨著全球人口的增加，這些電子、機器人和物聯網技術在提高農業效率、生產力和環境責任方面應該很有價值。

CHARLES C. BYERS 是工業互聯網聯盟的副首席技術官，現在加入了 OpenFog。他致力于邊緣霧計算系統、通用平臺、媒體處理系統和物聯網的架構和實施。此前，他是思科的首席工程師和平臺架構師，以及阿爾卡特朗訊的貝爾實驗室研究員。在電信網絡行業的三十年中，他在語音交換、寬帶接入、融合網絡、VoIP、多媒體、視頻、模塊化平臺、邊緣霧計算和物聯網等領域做出了重大貢獻。他還是多個標準機構的領導者，包括擔任工業互聯網聯盟和 OpenFog 聯盟的首席技術官，并且是 PICMG 的 AdvancedTCA、AdvancedMC、

Byers 先生在威斯康星大學麥迪遜分校獲得電氣和計算機工程學士學位以及電氣工程碩士學位。在業余時間，他喜歡旅行、烹飪、騎自行車和在他的工作室里修修補補。他擁有 80 多項美國專利。

審核編輯黃宇