智慧農(nóng)業(yè),也稱(chēng)為精準(zhǔn)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(lái)實(shí)現(xiàn)最大化產(chǎn)量。通過(guò)部署傳感器和測(cè)繪田地,農(nóng)民可以開(kāi)始從微觀角度了解他們的農(nóng)作物,節(jié)約資源并減少對(duì)環(huán)境的影響。智能農(nóng)業(yè)的歷史可以追溯到1980年代,當(dāng)時(shí)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(zhǔn)確繪制出他們的耕地圖,他們就可以?xún)H在需要的地方監(jiān)測(cè)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(cè)和優(yōu)化農(nóng)作物,并適應(yīng)不斷變化的環(huán)境因素,其中包括:
位置傳感器使用來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)來(lái)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基石?! ?/div>
光學(xué)傳感器使用光來(lái)測(cè)量土壤特性。傳感器在近紅外,中紅外和偏振光譜中測(cè)量不同頻率的光反射率,可以放置在諸如無(wú)人機(jī)甚至衛(wèi)星之類(lèi)的車(chē)輛或高空平臺(tái)上來(lái)測(cè)量下方的土壤。土壤反射率和植物顏色數(shù)據(jù)只是光學(xué)傳感器的兩個(gè)變量,可以進(jìn)行匯總和處理。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出光學(xué)傳感器來(lái)確定土壤中的粘土,有機(jī)物和水分含量。例如,Vishay提供了數(shù)百個(gè)光電探測(cè)器和光電二極管,這是光學(xué)傳感器的基本構(gòu)建塊。
電化學(xué)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(guò)檢測(cè)土壤中的特定離子來(lái)工作。當(dāng)前,安裝在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的“滑板”上的傳感器可幫助收集,處理和繪制土壤化學(xué)數(shù)據(jù)?! ?/div>
機(jī)械傳感器可測(cè)量土壤壓實(shí)度或“機(jī)械阻力”。傳感器使用一個(gè)探頭,該探頭可穿透土壤并通過(guò)稱(chēng)重傳感器或應(yīng)變儀記錄電阻。這種技術(shù)的類(lèi)似形式用于大型拖拉機(jī),以預(yù)測(cè)地面接合設(shè)備的牽引要求。像霍尼韋爾 FSG15N1A一樣的張力計(jì)可檢測(cè)根系在吸水過(guò)程中所使用的力,這對(duì)于灌溉干預(yù)非常有用。
介電土壤濕度傳感器通過(guò)測(cè)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(lái)評(píng)估水分含量?! ?/div>
氣流傳感器測(cè)量土壤的透氣性。測(cè)量可以在單個(gè)位置進(jìn)行,也可以在運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行。期望的輸出是將預(yù)定量的空氣以預(yù)定深度推入地面所需的壓力。各種類(lèi)型的土壤特性,包括壓實(shí)度,結(jié)構(gòu),土壤類(lèi)型和濕度,都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的識(shí)別特征?! ?/div>
農(nóng)業(yè)氣象站是獨(dú)立的單元,被放置在整個(gè)田地的各個(gè)位置。這些站結(jié)合了適合當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物和氣候的傳感器。以預(yù)定的間隔測(cè)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(fēng)速,露點(diǎn)溫度,風(fēng)向,相對(duì)濕度,太陽(yáng)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(shí)間間隔無(wú)線(xiàn)發(fā)送到中央數(shù)據(jù)記錄器。它們的便攜性和價(jià)格下降使氣象站對(duì)各種規(guī)模的農(nóng)場(chǎng)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(yīng)用
傳感技術(shù)可提供可操作的數(shù)據(jù),以根據(jù)需要進(jìn)行處理和實(shí)施,以?xún)?yōu)化作物產(chǎn)量,同時(shí)將對(duì)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(cè)系統(tǒng)安裝在農(nóng)作物收割機(jī)上,例如聯(lián)合收割機(jī)和玉米收割機(jī)。它們可以通過(guò)測(cè)量,記錄到30厘米以?xún)?nèi)的時(shí)間,距離或GPS位置來(lái)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(shè)備上的GPS傳感器的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。產(chǎn)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與坐標(biāo)相結(jié)合以創(chuàng)建產(chǎn)量圖?! ?/div>
可變速率肥料應(yīng)用工具使用產(chǎn)量圖以及可能通過(guò)著色確定的植物健康的光學(xué)調(diào)查來(lái)控制粒狀,液態(tài)和氣態(tài)肥料。可變速率控制器既可以手動(dòng)控制,也可以使用由真實(shí)GPS位置引導(dǎo)的車(chē)載計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制?! ?/div>
雜草制圖目前通過(guò)GPS接收器和數(shù)據(jù)記錄儀快速標(biāo)記位置,從而使用操作員的解釋和輸入來(lái)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(jué)識(shí)別系統(tǒng)的改進(jìn),手動(dòng)輸入將很快被安裝在工作設(shè)備上的自動(dòng)化視覺(jué)系統(tǒng)所取代?! ?/div>
可變噴涂控制器可打開(kāi)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?! ?/div>
可以使用高精度GPS記錄地形和邊界,從而可以對(duì)任何領(lǐng)域進(jìn)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(shí)很有用??梢跃_定位田間邊界,現(xiàn)有道路和濕地,以幫助進(jìn)行農(nóng)場(chǎng)規(guī)劃?! ?/div>
用鹽度計(jì)在拖曳受鹽度影響的田間的雪橇上用鹽度計(jì)完成鹽度映射。鹽度映射可以解釋新出現(xiàn)的問(wèn)題以及鹽度隨時(shí)間的變化。
引導(dǎo)系統(tǒng)可以使用GPS將移動(dòng)的車(chē)輛準(zhǔn)確地定位在30厘米或更短的范圍內(nèi)。引導(dǎo)系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的噴涂或播種設(shè)備。自動(dòng)駕駛汽車(chē)目前正在開(kāi)發(fā)中,很可能會(huì)在不久的將來(lái)投入使用。
大規(guī)模耕作在精確耕作的實(shí)踐中早已立足。昂貴的傳感器,基礎(chǔ)設(shè)施和處理設(shè)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(shí)地使用。那些投資精耕細(xì)作的人在作物產(chǎn)量方面獲得了可觀的回報(bào)?! ?/div>
三、傳感器在“小型”農(nóng)業(yè)的擴(kuò)展應(yīng)用
在美國(guó),小型農(nóng)場(chǎng)(包括有機(jī)農(nóng)場(chǎng)和傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng))占近200萬(wàn)個(gè)農(nóng)場(chǎng)的91%。僅在美國(guó)就有一個(gè)潛在的180萬(wàn)個(gè)小型農(nóng)場(chǎng)的市場(chǎng),開(kāi)發(fā)商和設(shè)計(jì)師已經(jīng)注意到通過(guò)整合較小規(guī)模的精確耕作技術(shù)所帶來(lái)的機(jī)遇。智能手機(jī)傳感器和應(yīng)用程序以及小型機(jī)械使小型農(nóng)場(chǎng)可以利用精密農(nóng)業(yè)技術(shù)?! ?/div>
智能手機(jī)工具
僅智能手機(jī)就有幾種工具可以適應(yīng)農(nóng)業(yè)應(yīng)用。例如,農(nóng)作物和土壤的觀測(cè)結(jié)果可以以快照?qǐng)D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(lái)。表1列出了一些可用于收集數(shù)據(jù)的電話(huà)內(nèi)工具:

現(xiàn)有智能手機(jī)工具的農(nóng)業(yè)用途:
智能手機(jī)應(yīng)用
許多智能手機(jī)應(yīng)用程序已開(kāi)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(hù)提供有關(guān)播種,除草,施肥和澆水的最新可行信息。這些應(yīng)用程序從手持式傳感器,遠(yuǎn)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(jià)值的建議。已經(jīng)針對(duì)小型農(nóng)民開(kāi)發(fā)了幾種應(yīng)用程序:
疾病檢測(cè)與診斷:可以將可疑植物的照片轉(zhuǎn)發(fā)給專(zhuān)家進(jìn)行分析?! ?/div>
肥料計(jì)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(xué)數(shù)據(jù),使農(nóng)民可以監(jiān)視和適應(yīng)不斷變化的土壤條件?! ?/div>
水研究:通過(guò)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?! ?/div>
作物收成就緒:使用紫外線(xiàn)和白光拍攝的相機(jī)照片可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成熟度。
當(dāng)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用程序通過(guò)分析土壤,作物,雜草和病蟲(chóng)害變量來(lái)提高農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)率,并為農(nóng)業(yè)決策提供有價(jià)值的反饋時(shí),小農(nóng)的生活質(zhì)量將得到顯著改善。
四、傳感器對(duì)全球農(nóng)業(yè)的影響
在發(fā)展中國(guó)家,大約有5億個(gè)小農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)的食品占消費(fèi)量的80%以上。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在全球范圍內(nèi)變得越來(lái)越普及。新的手持設(shè)備可以測(cè)量植物和土壤的健康狀況,為農(nóng)民提供準(zhǔn)確計(jì)算肥料需求所需的信息。鑒于聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè),到2050年,全球?qū)Z食的需求將增長(zhǎng)50%,因此將需要用于各種規(guī)模農(nóng)場(chǎng)的精密農(nóng)業(yè)技術(shù)。
解決大型和小型農(nóng)場(chǎng)的問(wèn)題并幫助農(nóng)民滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)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(guò)優(yōu)化氮肥用量減少?gòu)耐寥泪尫诺囊谎趸?
?通過(guò)明確肥料和病蟲(chóng)害防治需求來(lái)減少化學(xué)藥品的使用
?通過(guò)監(jiān)測(cè)和管理土壤健康來(lái)消除養(yǎng)分消耗
?通過(guò)減少設(shè)備流量來(lái)控制土壤壓實(shí)
?最大限度地提高用水效率
結(jié)語(yǔ)
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)發(fā)展起來(lái),可以滿(mǎn)足世界范圍內(nèi)對(duì)食品的日益增長(zhǎng)的需求,其使用的技術(shù)使收集和應(yīng)用數(shù)據(jù),適應(yīng)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(jiǎn)單和便宜。盡管大型農(nóng)場(chǎng)是最先采用這些技術(shù)的農(nóng)場(chǎng),但現(xiàn)在小型農(nóng)場(chǎng)也可以使用智能電話(huà)中內(nèi)置的工具,相關(guān)應(yīng)用程序和小型機(jī)械來(lái)受益。而且,這些技術(shù)正在為解決方案做出貢獻(xiàn),其解決方案不僅限于農(nóng)場(chǎng),還包括污染,全球變暖和保護(hù)?! ?/div>
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的未來(lái)發(fā)展可能包括增加自動(dòng)農(nóng)用車(chē)的使用,以及從更智能,更小巧的無(wú)人機(jī)和無(wú)人地面車(chē)輛(分別為UAV和UGV)獲得更好的無(wú)線(xiàn)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(chē)輛還可以監(jiān)視農(nóng)業(yè)設(shè)備的狀態(tài),從而使農(nóng)民可以改善機(jī)器的維修和保養(yǎng)。總體而言,在工業(yè)制造領(lǐng)域獲得的過(guò)程改進(jìn)將繼續(xù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)。
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