传感器与智能网络将助力精准农业发展

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两个强大的趋势——物联网(IoT)和数据分析,正为各种产业和基础设施应用带来大量动力。但在这些技术应用中,还有另一个应用领域正在悄然获得动力:精准农业。农民通过更有针对性地使用肥料和水等资源,提高了产量,减少了损失,降低了成本。这种“精准农业”的关键点是传感器和无线网络。

精准农业涉及的类型主要有三种:空中、地面和固定系统。三种类型倾向使用的传感器和网络技术各不相同,但也有一些重叠。不过,这些平台的一个共同点是,能够解决农业问题的方向是多种多样的。

多旋翼无人机越来越受到欢迎,多用于中小型农田的精准农业

多旋翼无人机越来越受到欢迎,多用于中小型农田的精准农业

这些无人机或者空中平台利用遥感收集农作物和农田的数据。传感器起初安装在有人驾驶的飞机或卫星上,但现在则更多地由固定翼或旋翼无人机携带。无人机装备有精确定位传感器,特别适合中小面积的植物健康监测,而飞机和卫星则被用于大面积监测。

用于植物健康监测的传感器主要是一种多光谱相机,它可以在可见光和近红外(NIR)光下拍摄高分辨率图像。大多数CMOS图像传感器可以提供这样的图像,当然大多数商用相机还是不能提供的。

下图显示了典型CMOS图像传感器的量子效率即灵敏度,该传感器内置了红色,绿色和蓝色过滤器,即使使用蓝色过滤器,仍然有相当的灵敏度在红外波长。因此,大多数通用相机在传感器前添加一个红外阻挡滤光片,以便更准确地渲染可见光颜色。

传感器量子效率 典型的彩色图像传感器还包括NIR,这是一般的相机会过滤掉的

彩色图像传感器还包括红外NIR,这是一般的相机会过滤掉的

对于植物健康监测来说,这种红外数据是很重要的。健康植物的叶片比病害植物的叶片反射更多的红外光谱,吸收更多的红光。这使得植物科学家们将“归一化植被指数”(NDVI)定义为衡量植物健康的指标。通过适当的滤波和一些基本的图像处理,CMOS图像传感器就可以变成NDVI传感器。空中平台提供了用单一系统测量整个农田植物健康状况所需的多种视角。

红外 NDVI提供了整个农田植物的健康状况,并指出了水资源和化肥等资源的需求

NDVI提供了整个农田植物的健康状况,并指出了水资源和化肥等资源的需求

 

移动系统

在大多情况下,航空的网络通信需求是最小的。一些系统为智能手机提供了WiFi连接和实时通讯。然而,大多数只是简单地将图像数据存储在闪存卡上,以备以后处理。

这种使用闪存而不是网络连接的方式,在地面农业平台上也很常见,比如拖拉机和机器人车辆。他们的传感器收集的数据可能会实时显示给驾驶员,但是像无人机一样,数据很少被实时发送到网络。这其中涉及的传感器类型将完全不同。

这些无人机平台通常携带电化学传感器,监测多种作物的生长条件,包括pH值、土壤电导率(与作物产量有关)、含水量和氮含量等因素。伽马射线传感器检测自然背景辐射的变化,以测量土壤成分和结构。光学传感器有助于测量土壤的有机含量,包括农作物的残渣。这类无人机监测比传统的手工核心取样技术提供了更精细的颗粒分辨率的土壤测绘。同样的,这种测绘还可以帮助农民更精确地施用肥料。

这些无人机能提供的厘米级精度的地图,这需要的不仅仅是卫星导航,因为卫星导航通常只能精确到一米左右。为了进一步精确定位,这就需要某种惯性测量单元(IMU),例如模拟设备中用到的那些。这种厘米级的精度可以用于指导种子、化肥和杀虫剂的应用,以及指导收割机械,避免收割区域重叠。

无人机 收割机

无人机和收割机协同工作

 

固定系统

这些固定平台提供了比其他平台更广的传感器类型。如本地化的环境和天气监测(温度、降雨、日照、风等),使植物的实际生长与预期相匹配。通过陷阱以确定潜在的虫害。使用传感器确定土壤水分、蒸散率、叶片湿度、株高、甚至茎和树干的厚度或种植水果的大小等各种农业参数。

在精准农业的传感器产品开发中,很多都是在固定系统上进行的,很大原因是它们提供了最大的利润。一个单一的空中或移动传感系统就可以为农民的所有土地提供服务,但是为了最大限度地收集足够粒度的数据,还需要部署许多固定的传感器系统。由于这一机会,许多中小型公司,已经开始专门提供精准农业市场的产品。这些系统的主要特点是太阳能、低成本以及和云服务的集成来处理数据。大公司也注意到了这一机遇。他们正在提供传感器平台,这些平台可以接受各种各样的农业传感器类型,并通过它们的网络将数据发送到云服务进行分析。

 

尽管精准农业已经探索了十多年,但是这种传感器驱动的农业仍然是一个新兴产业,在整个农业产业中占比不高。当然,基础设备价格的下降已经吸引了很多新兴农民的目光。未来几年,世界人口有望超过90亿,预计至少要增加70%的粮食产量,全面实施精准农业将成为满足粮食需求的必然条件。对于开发者来说,这意味着农业传感器系统市场仍有巨大的潜力。

 

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