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智能傳感器在智慧農(nóng)業(yè)中的應用

   2021-08-19 36813
核心提示：精確農(nóng)業(yè)中使用了許多傳感技術(shù)，它們提供的數(shù)據(jù)可幫助農(nóng)民監(jiān)測和優(yōu)化農(nóng)作物，并適應不斷變化的環(huán)境因素。
智慧農(nóng)業(yè)，也稱為精準農(nóng)業(yè)，使農(nóng)民可以使用最少的資源（例如水，肥料和種子）來實現(xiàn)最大化產(chǎn)量。通過部署傳感器和測繪田地，農(nóng)民可以開始從微觀角度了解他們的農(nóng)作物，節(jié)約資源并減少對環(huán)境的影響。智能農(nóng)業(yè)的歷史可以追溯到1980年代，當時全球民用定位系統(tǒng)（GPS）的功能變得可以使用。一旦農(nóng)民能夠準確繪制出他們的耕地圖，他們就可以僅在需要的地方監(jiān)測和施肥和除草?！　?/div>
 
一、農(nóng)業(yè)傳感器 　　
 
精確農(nóng)業(yè)中使用了許多傳感技術(shù)，它們提供的數(shù)據(jù)可幫助農(nóng)民監(jiān)測和優(yōu)化農(nóng)作物，并適應不斷變化的環(huán)境因素，其中包括：　　
 
位置傳感器使用來自GPS衛(wèi)星的信號來確定英尺內(nèi)的緯度，經(jīng)度和高度。三角定位至少需要三顆衛(wèi)星。精確定位是精準農(nóng)業(yè)的基石?！　?/div>
 
光學傳感器使用光來測量土壤特性。傳感器在近紅外，中紅外和偏振光譜中測量不同頻率的光反射率，可以放置在諸如無人機甚至衛(wèi)星之類的車輛或高空平臺上來測量下方的土壤。土壤反射率和植物顏色數(shù)據(jù)只是光學傳感器的兩個變量，可以進行匯總和處理。目前已經(jīng)開發(fā)出光學傳感器來確定土壤中的粘土，有機物和水分含量。例如，Vishay提供了數(shù)百個光電探測器和光電二極管，這是光學傳感器的基本構(gòu)建塊。
 
電化學傳感器可提供精密農(nóng)業(yè)所需的關(guān)鍵信息：pH和土壤養(yǎng)分水平。傳感器電極通過檢測土壤中的特定離子來工作。當前，安裝在專門設計的“滑板”上的傳感器可幫助收集，處理和繪制土壤化學數(shù)據(jù)。　　
 
機械傳感器可測量土壤壓實度或“機械阻力”。傳感器使用一個探頭，該探頭可穿透土壤并通過稱重傳感器或應變儀記錄電阻。這種技術(shù)的類似形式用于大型拖拉機，以預測地面接合設備的牽引要求。像霍尼韋爾 FSG15N1A一樣的張力計可檢測根系在吸水過程中所使用的力，這對于灌溉干預非常有用。
 
介電土壤濕度傳感器通過測量土壤中的介電常數(shù)（電特性隨存在的水分含量而變化）來評估水分含量。　　
 
氣流傳感器測量土壤的透氣性。測量可以在單個位置進行，也可以在運動時動態(tài)進行。期望的輸出是將預定量的空氣以預定深度推入地面所需的壓力。各種類型的土壤特性，包括壓實度，結(jié)構(gòu)，土壤類型和濕度，都會產(chǎn)生獨特的識別特征。　　
 
農(nóng)業(yè)氣象站是獨立的單元，被放置在整個田地的各個位置。這些站結(jié)合了適合當?shù)剞r(nóng)作物和氣候的傳感器。以預定的間隔測量并記錄諸如氣溫，各種深度的土壤溫度，降雨量，葉片濕度，葉綠素，風速，露點溫度，風向，相對濕度，太陽輻射和大氣壓力等信息。這些數(shù)據(jù)被編譯并以編程的時間間隔無線發(fā)送到中央數(shù)據(jù)記錄器。它們的便攜性和價格下降使氣象站對各種規(guī)模的農(nóng)場都具有吸引力?！　?/div>
 
二、傳感器輸出數(shù)據(jù)在精確耕作上的應用 　　
 
傳感技術(shù)可提供可操作的數(shù)據(jù)，以根據(jù)需要進行處理和實施，以優(yōu)化作物產(chǎn)量，同時將對環(huán)境的影響降至最低。以下是精確耕作利用此數(shù)據(jù)的幾種方法：
 
產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)安裝在農(nóng)作物收割機上，例如聯(lián)合收割機和玉米收割機。它們可以通過測量，記錄到30厘米以內(nèi)的時間，距離或GPS位置來提供農(nóng)作物的增重產(chǎn)量?！　?/div>
 
產(chǎn)量映射使用安裝在收割設備上的GPS傳感器的空間坐標數(shù)據(jù)。產(chǎn)量監(jiān)控數(shù)據(jù)與坐標相結(jié)合以創(chuàng)建產(chǎn)量圖。　　
 
可變速率肥料應用工具使用產(chǎn)量圖以及可能通過著色確定的植物健康的光學調(diào)查來控制粒狀，液態(tài)和氣態(tài)肥料?？勺兯俾士刂破骷瓤梢允謩涌刂?，也可以使用由真實GPS位置引導的車載計算機自動控制?！　?/div>
 
雜草制圖目前通過GPS接收器和數(shù)據(jù)記錄儀快速標記位置，從而使用操作員的解釋和輸入來生成地圖。然后，雜草的出現(xiàn)可以與產(chǎn)量圖，肥料圖和噴霧圖重疊。隨著視覺識別系統(tǒng)的改進，手動輸入將很快被安裝在工作設備上的自動化視覺系統(tǒng)所取代?！　?/div>
 
可變噴涂控制器可打開和關(guān)閉除草劑噴桿，并自定義噴灑量（和混合量）。一旦確定了雜草的位置并繪制了地圖，就可以確定噴霧的量和混合量。　　
 
可以使用高精度GPS記錄地形和邊界，從而可以對任何領域進行非常精確的地形表示。這些精度圖在解釋產(chǎn)量圖和雜草圖時很有用。可以精確定位田間邊界，現(xiàn)有道路和濕地，以幫助進行農(nóng)場規(guī)劃。　　
 
用鹽度計在拖曳受鹽度影響的田間的雪橇上用鹽度計完成鹽度映射。鹽度映射可以解釋新出現(xiàn)的問題以及鹽度隨時間的變化?！　?/div>
 
引導系統(tǒng)可以使用GPS將移動的車輛準確地定位在30厘米或更短的范圍內(nèi)。引導系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的噴涂或播種設備。自動駕駛汽車目前正在開發(fā)中，很可能會在不久的將來投入使用。
 
大規(guī)模耕作在精確耕作的實踐中早已立足。昂貴的傳感器，基礎設施和處理設備只能由具有足夠資本可用于投資的農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)現(xiàn)實地使用。那些投資精耕細作的人在作物產(chǎn)量方面獲得了可觀的回報。　　
 
三、傳感器在“小型”農(nóng)業(yè)的擴展應用 　　
 
在美國，小型農(nóng)場（包括有機農(nóng)場和傳統(tǒng)農(nóng)場）占近200萬個農(nóng)場的91％。僅在美國就有一個潛在的180萬個小型農(nóng)場的市場，開發(fā)商和設計師已經(jīng)注意到通過整合較小規(guī)模的精確耕作技術(shù)所帶來的機遇。智能手機傳感器和應用程序以及小型機械使小型農(nóng)場可以利用精密農(nóng)業(yè)技術(shù)?！　?/div>
 
智能手機工具 　　
 
僅智能手機就有幾種工具可以適應農(nóng)業(yè)應用。例如，農(nóng)作物和土壤的觀測結(jié)果可以以快照圖片，精確定位，土壤顏色，水，植物葉子和光照特性的形式記錄下來。表1列出了一些可用于收集數(shù)據(jù)的電話內(nèi)工具：
 
現(xiàn)有智能手機工具的農(nóng)業(yè)用途：
 
智能手機應用 　　
 
許多智能手機應用程序已開始結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）理想，數(shù)據(jù)聚合和快速處理的功能，以向小農(nóng)戶提供有關(guān)播種，除草，施肥和澆水的最新可行信息。這些應用程序從手持式傳感器，遠程傳感器和氣象站收集數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)建深入的分析和有價值的建議。已經(jīng)針對小型農(nóng)民開發(fā)了幾種應用程序：　　
 
疾病檢測與診斷：可以將可疑植物的照片轉(zhuǎn)發(fā)給專家進行分析。　　
 
肥料計算器：土壤傳感器和葉子的顏色可以確定所需的養(yǎng)分?！　?/div>
 
土壤研究：捕獲土壤圖像以及傳感器的pH值和化學數(shù)據(jù)，使農(nóng)民可以監(jiān)視和適應不斷變化的土壤條件?！　?/div>
 
水研究：通過照片和亮度記錄確定葉面積指數(shù)可以幫助農(nóng)民確定水需求。　　
 
作物收成就緒：使用紫外線和白光拍攝的相機照片可以準確預測成熟度。　　
 
當專業(yè)應用程序通過分析土壤，作物，雜草和病蟲害變量來提高農(nóng)場生產(chǎn)率，并為農(nóng)業(yè)決策提供有價值的反饋時，小農(nóng)的生活質(zhì)量將得到顯著改善。
 
四、傳感器對全球農(nóng)業(yè)的影響 　　
 
在發(fā)展中國家，大約有5億個小農(nóng)場生產(chǎn)的食品占消費量的80％以上。精準農(nóng)業(yè)技術(shù)在全球范圍內(nèi)變得越來越普及。新的手持設備可以測量植物和土壤的健康狀況，為農(nóng)民提供準確計算肥料需求所需的信息。鑒于聯(lián)合國預測，到2050年，全球?qū)Z食的需求將增長50％，因此將需要用于各種規(guī)模農(nóng)場的精密農(nóng)業(yè)技術(shù)?！　?/div>
 
解決大型和小型農(nóng)場的問題并幫助農(nóng)民滿足不斷增長的糧食需求并不是智能，精確農(nóng)業(yè)所能提供的唯一解決方案。智慧農(nóng)業(yè)還提供了許多其他好處，例如：　　
?降低燃料和能源消耗，從而減少二氧化碳排放 　　
?通過優(yōu)化氮肥用量減少從土壤釋放的一氧化二氮 　　
?通過明確肥料和病蟲害防治需求來減少化學藥品的使用 　　
?通過監(jiān)測和管理土壤健康來消除養(yǎng)分消耗 　　
?通過減少設備流量來控制土壤壓實 　　
?最大限度地提高用水效率 　　
 
結(jié)語 　　
 
精準農(nóng)業(yè)已經(jīng)發(fā)展起來，可以滿足世界范圍內(nèi)對食品的日益增長的需求，其使用的技術(shù)使收集和應用數(shù)據(jù)，適應不斷變化的環(huán)境條件以及最有效地利用資源變得更加簡單和便宜。盡管大型農(nóng)場是最先采用這些技術(shù)的農(nóng)場，但現(xiàn)在小型農(nóng)場也可以使用智能電話中內(nèi)置的工具，相關(guān)應用程序和小型機械來受益。而且，這些技術(shù)正在為解決方案做出貢獻，其解決方案不僅限于農(nóng)場，還包括污染，全球變暖和保護?！　?/div>
 
精準農(nóng)業(yè)的未來發(fā)展可能包括增加自動農(nóng)用車的使用，以及從更智能，更小巧的無人機和無人地面車輛（分別為UAV和UGV）獲得更好的無線數(shù)據(jù)傳輸和采集。除了監(jiān)視作物和土壤狀況之外，這些較小的車輛還可以監(jiān)視農(nóng)業(yè)設備的狀態(tài)，從而使農(nóng)民可以改善機器的維修和保養(yǎng)。總體而言，在工業(yè)制造領域獲得的過程改進將繼續(xù)進入農(nóng)業(yè)。
 
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