作者： Steven Keeping

當某個工程師輕蔑地描述某項技術是“農業技術”時，通常，他是暗指這項技術格局有限或已過時。但實則，這種暗示是不公平的。農業經營關乎商業化作物和畜牧生產，以及將糧食運送到人們餐盤里的過程，這里是最早采用高科技的領域。現代聯合收割機具有許多計算機控制的屬性，如采用GPS、激光制導、自我水準測量和液壓傳動等。況且目前，農業經濟也投身行業物聯網(IIoT)，以此提高可控環境農業(CEA或“室內農業”)的商業可行性。

CEA使用全封閉式溫控設備來消除外部環境因素的干擾，如疾病、害蟲或惡劣天氣。有了這項技術，我們不需要昂貴肥沃的耕地，便可以在任何地方建立農業基地，甚至是在城市的社區中心。根據2012年的一項研究顯示，在美國，將糧食從傳統的農場運輸給城市居民，這個過程占總能量預算的10%，而在臨近消費者的地方生產糧食則有效解決了這一問題。

水資源的關鍵角色

早期采用的技術已經使農業的產量顯示提高。例如，根據美國農業部(USDA)的數據顯示，2000年，農民每小時的產量是1950年時的12倍。然而，這些收益是有代價的，其中最為明顯的就是居高不下的用水量。這并不為奇，因為水資源是作物產量最大化的關鍵因素，即使所有其他促進作物生長的因素已達到平衡，但若沒有可靠的水源供應，作物也無法存活。

近年來，盡管農業經濟取得了長足的進步，但傳統的農業灌溉仍然十分浪費資源，主要原因在于，灌溉用水在被作物吸收之前，70%~90%都已隨著土壤流失。就全球而言，農業是最大的水資源消耗者——尤其是在一些干旱的國家和地區，約有85%的水用于農作物的灌溉。

削減過度用水是CEA最大的優勢之一。不過，節約用水不僅是出于環保的要求，也是出于經濟效益的考慮。搭建CEA設施可謂造價昂貴，且僅有優化投入成本和作物生長時，這些投資才有合理的回報。而水資源的利用在這個過程中扮演著至關重要的角色。

IIoT的控制

一家不依賴大自然灌溉的農業企業，可以通過IIoT大幅降低用水量——與傳統農業相比，用水量可以減少90%。流入土壤的水可以將顆粒、氟化物和重金屬污染物去除，并在輸送前控制營養物質的添加。蒸發的水分也可以達到最小化，且可以再獲取及再利用(封閉的環境可以簡化循環利用)。外排的污水同樣可以被處理后進行再利用。這里使用的技術包括滴灌。滴灌可以保持土壤永久濕潤，甚至還可以完全不經過土壤，便直達作物的裸根。

通過無線連接到IIoT的傳感器可以對作物進行密切監視，如水量吸收了多少，流失了多少，以此來控制用水情況。傳感器還可以將作物的生長與供水量和養分濃度關聯起來。通過實時分析收集的數據可以控制閉環系統，甚至還可以調節單個作物的用水量。

創建IIoT灌溉系統

IIoT灌溉系統通過利用先進的無線傳感器和執行器、無線傳感器網絡和云資源，可以從容應對CEA過程控制系統在工程上的挑戰。無線傳感器使用藍牙低功耗等技術監測作物的生長參數。隨著室內農場的發展，傳感器將成為網狀網絡的一部分，并改善可靠性，支持快速擴展。根據傳感器的輸出數據，信號返回網狀網絡指示傳動器，以此增減灌溉量。

盡管有這些已驗證的系統，但設計基于網狀網絡的灌溉系統并非易事。不過，通過使用芯片廠商的開發工具，最困難的部分——構建無線系統，也變得相當容易。例如，微控制器和模擬半導體供應商的領導者Microchip，提供了一系列的組件和工具，包括啟動工具包、開發工具包擴展板以及藍牙低功耗系統芯片(SoC)，這樣，即使欠缺RF經驗的工程師也可以設計CEA應用程序的無線網絡。

IIoT連接的最大優點在于其對云資源的訪問。IIoT使用云資源運行強大的算法，對來自室內農場的持續數據流進行分析，從而使生長過程不斷改進。隨著時間的推移，信息被構建至數據庫中，以作出即時回應，了解特定增長參數的微小變化對輸入成本、作物質量及最終的室內農場盈利能力有何影響。

幫助農民創收

為證明與傳統農場相比，它們的高成本是合情合理，CEA的安裝必須提高產量，這就要求對灌溉進行精確的監測和控制。通過使用網絡無線IIoT傳感器，工程師可以設計一套實時提供用水量數據的系統，并作為閉環控制系統的一部分，以最大限度地提高產量。

采用CEA的農民希望創建盈利可觀的糧食銷售業務，而不是對技術進行修修補補。通過使用IIoT控制農業過程，CEA的企業主可以依賴已驗證成功的技術，即來自電子產品供應商和成熟的平臺(互聯網)的技術，并將精力集中在手頭的業務上。

盡管CEA不可能完全取代種植大宗商品作物的大型農場，如小麥或常見的根菜類蔬菜，同時，也不適合飼養家畜的農場。但這種技術對于流動率高且具有可觀利潤的作物來說是理想的選擇，如：綠葉菜、草藥、甚至可食用的花。預計到2050年，全球人口將接近100億(根據聯合國的預測)，任何可促進糧食產量的可持續發展戰略都將廣受歡迎。

史蒂文?科平獲得了英國布萊頓大學本科學位，后在Eurotherm和BOC公司電子部工作7年。隨后，他加入《電子產品》雜志，并在接下來的13年里，擔任電子產品制造、測試和設計等領域的高級編輯和出版人，包括英國和澳大利亞的三一鏡報、CMP和RBI的《電子產品的新技術》、《澳大利亞電子工程》等。2006年，史蒂文成為專攻電子領域的自由撰稿人，目前在悉尼定居。

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