Vishal GOYAL

意法半導體南亞和印度區技術營銷經理

引言

農業是世界各地食物的主要來源。它不僅為許多行業提供食物和原材料，還能夠大大促進所有國家的GDP增長和經濟增長。此外，它還是許多國家的主要收入來源。

隨著城市化的發展、天氣的變化和人口的增加，農業部門面臨著諸多挑戰。亟需增加單位面積的產量。由于對資源、肥料和農藥的無節制使用，傳統的耕作方式導致了農田退化。

智能農業日益成為增加產出和優化資源利用的重要舉措。對于消費者所需的水果、蔬菜或糧食的有機耕作和種類增加，智能農業同樣非常重要。

智能耕作不僅對農作物非常重要，還對牲畜也有著重要的意義。技術可以幫助增加牲畜產量，改善其健康狀況，并且可以避免任何疾病的爆發或傳播。

農業物聯網（IoT）由傳感器、處理、連接、網關和云解決方案構成，這些解決方案根據具體用例進行工作優化。

物聯網在農業用例中的作用

作物監測

為了獲得最大的作物生產力，需要對土壤和環境的濕度和溫度進行監測。重要的是，不僅要對絕對濕度和溫度進行監測，還要對短時間和長時間的變化進行監測。該數據可以和作物的理想狀況相關聯。這種監測還有助于確定需要使用農藥和肥料的時間和用量，以便最大限度地減少其用量。

溫室

隨著對各種水果和蔬菜的需求的不斷增長，為特定類型的植物的生長和繁茂創造理想的條件，變得非常重要。支持物聯網的溫室可以進行環境條件監測并作出調整，以避免任何偏差。

遠程灌溉

遠程灌溉是下一步監測舉措，其中根據土壤以及環境溫度和濕度進行灌溉控制。支持物聯網的灌溉系統不僅可以節約用水，還可以確保為作物提供適量的水份。在支持物聯網的灌溉中，根據土壤濕度確定是否需要灌溉，而不是根據預設或預定的間隔進行灌溉。

牲畜監測

在支持物聯網的農場中，對綿羊、豬、雞、牛等牲畜進行健康監測，從而確定所有疾病、授精期和活躍度。將支持物聯網的傳感器安裝在牲畜的耳朵或其他身體部位，以監測其體溫和活躍度。對于溫度異常的牲畜，可以進行隔離并提供醫療護理，以免疾病傳染到其他牲畜。牲畜的活躍度不僅與健康息息相關，還與產出質量相關。活躍牛只的產奶量要多于懶散牛只的產奶量。

支持物聯網的農場還會對飼養牲畜的環境進行監測，以確保其具備適當的生活條件。

地理圍欄

在大型農場中，可以允許牲畜在自然條件下放養和生存。在不對牲畜進行鎖定的情況下，重要的是要確保其安全性，并確保其不會遠離農場。因此，需要使用支持GPS的跟蹤器對其進行監測。跟蹤器包括用于監測其運動的運動傳感器，和支持GPS的地理圍欄，以便在牲畜離開指定區域時發出警報。

支持物聯網的智能農業的架構

在農業中使用的典型物聯網系統包括以下模塊

- 傳感器

- 信號調節

- 處理與安全性

- 能源管理

- 連接

- 定位

意法半導體可以提供各式各樣的半導體設備，能夠滿足上述各種模塊的需求。在本文中，我們將重點介紹構成所有物聯網系統基礎的傳感器和連接解決方案。

傳感器

傳感器用于檢測外部輸入，構成了所有物聯網系統的基礎。

- 加速度計用于檢測運動、活動水平、農場侵入等。意法半導體的超低功耗加速度計LIS2DW12具有可配置的噪音模式，能夠在精度和電流消耗之間進行選擇，甚至具有優化功率的自動睡眠和喚醒功能。

- 濕度和溫度傳感器用于土壤監測、環境空氣監測和牲畜健康監測。這些傳感器為農業用例中物聯網的可實施性提供了數據輸入。意法半導體的HTS221為濕度和溫度傳感器二合一芯片，包括感測元件和模擬前端，可通過數字串行接口提供測量信息。感測元件包括聚合物電介質平面電容器結構，能夠檢測相對濕度的變化。STTS22H是一種超低功耗高精度數字溫度傳感器，在整個工作溫度范圍內都具有高性能。STTS22H是一種帶隙溫度傳感器，可單個ASIC中集成了模數轉換器、信號處理邏輯和I2C/ SMBus 3.0接口。

- 壓力傳感器還可以檢測大氣壓力，并最終用于海拔測量。由于需要使用膜片開口來檢測壓力，壓力傳感器還容易受到水和化學物質的污染。因此，需要一種能夠免受氯和溴等化學物質的影響的壓力傳感器。LPS33HW即為此類傳感器，具有O形圈，耐水性高達10巴（最大深度為90米），并且不受上述化學物質和鹽的影響。

連接

對于農業中的連接解決方案，可以從以下應用需求探知一二。

- 距離：對于室內監測，首選短程射頻（RF）技術，如Bluetooth、BLE和Wi-Fi，因為這些技術可以從傳感器節點收集數據并將其發送到網關，以便進行下一步傳輸。對于大型農場的監測，首選遠程技術，如GPRS和LPWAN（如Sigfox），因為這些技術直接可實現與電信基礎設施的連接。BLE Mesh和6LowPan等Mesh技術可以擴大短程通訊技術的通訊距離，使其適于在室外使用。

- 功耗：大多數農業用例均通過非充電電池供電，因此，與功耗高上數倍的Wi-Fi、藍牙和GPRS相比，應當首選BLE、RF subGhz和LPWAN（如Sigfox）等技術。

因此，在本文中，我們將對BLE和subGhz進行重點介紹，因為這二者似乎是農業生態系統中最適用的連接技術。

低功耗藍牙［BLE］是一種無線個人局域網［WLAN］技術，在實現設備與智能手機互聯時，其電流消耗量僅為傳統藍牙和Wi-Fi的一小部分。它的工作頻率范圍為2.4 Ghz，屬于全球免許可證的ISM頻段。Blue Mesh是一種軟件解決方案，用于將多個BLE（低功耗藍牙）設備連接到Mesh網絡中，以構建物聯網（IoT）解決方案。Mesh解決方案的引入，使得處于網絡直接通訊距離以外的設備也可以實現連接。

意法半導體的BlueNRG-2是一款通過BLE 5.0認證的超低功耗藍牙SoC，可提供與傳感器的無縫連接、支持 Privacy 1.2以及Secure Connection 4.2，最大輸出功率為8dBm，可以實現和互聯網設備的可靠連接。此外，它還完全兼容BLE Mesh協議。

低功耗廣域網（LPWAN）技術是連接領域的另一項革新，這種技術能夠以極低的功耗實現數千米的連接距離，因此可以采用非充電紐扣電池供電。Sigfox是一種LPWAN技術，能夠以極低的電流消耗，實現全球云或長距離連接。

為了能夠在同一套方案中同時實現短距離和長距離，意法半導體推出了一款獨特的解決方案，將BLE和基于S2LP的Sigfox無線通訊技術整合到一個通用解決方案中。雙無線通訊技術的使用可通過Sigfox提供長距連接，并能使用BLE實現與智能手機的連接。智能手機與Sigfox設備連接后，可以通過所支持的用戶界面（UI）， 實現空中固件升級（OTA），以及直接進行配置與控制等其他功能。

邊緣智能

物聯網在農業應用中的最重要的一個方面，是能夠分析單個農作物或牲畜的數據，并將其與實際生產力相關聯。人工智能采用的是一組自然啟發式計算方法，而機器學習是指使機器能夠識別基本模式，以便通過數據分析做出預測和建議的技術。但是，由于支持IoT的農業設備數量眾多，因此，從傳感器發送到云的原始數據要求不斷擴大所需的數據帶寬和云中計算能力。

當某些分析靠近感測節點或處于邊緣時，可以有效利用人工智能。邊緣計算可實現數據隱私，降低帶寬要求以及云計算要求。邊緣計算是指在節點本身進行智能感測和處理，因此這些設備的選擇非常重要。智能節點可以分析數據，運行傳感器算法，估計上下文，并將數據發送到云以進行進一步處理。

結論

農業是所有社會的重要支撐，但隨著人口的不斷增加變得負擔沉重，因此必須最大限度地提高生產力，以最佳方式利用可用資源。支持物聯網的農業有助于實現所期望的結果，并可以協助做出明智決策。隨著超低功耗精密技術的出現，現在可以將所有可能的農作物和牲畜與物聯網連接起來。要成功實現這一點，需要與合適的合作伙伴和技術領導者開展合作。意法半導體是全球物聯網客戶的首選，能夠讓客戶從其推出的尖端技術中獲益匪淺。