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深度解讀智能農業(yè)傳感器及應用

   日期:2021-07-26     來(lái)源:農業(yè)大數據資訊    瀏覽:431    
核心提示:精確農業(yè)中使用了許多傳感技術(shù),它們提供的數據可幫助農民監測和優(yōu)化農作物,并適應不斷變化的環(huán)境因素。傳感技術(shù)可提供可操作的數據,以根據需要進(jìn)行處理和實(shí)施,以?xún)?yōu)化作物產(chǎn)量,同時(shí)將對環(huán)境的影響降至最低。
        智慧農業(yè),也稱(chēng)為精準農業(yè),使農民可以使用最少的資源(例如水,肥料和種子)來(lái)實(shí)現最大化產(chǎn)量。通過(guò)部署傳感器和測繪田地,農民可以開(kāi)始從微觀(guān)角度了解他們的農作物,節約資源并減少對環(huán)境的影響。智能農業(yè)的歷史可以追溯到1980年代,當時(shí)全球民用定位系統(GPS)的功能變得可以使用。一旦農民能夠準確繪制出他們的耕地圖,他們就可以?xún)H在需要的地方監測和施肥和除草?! ?br />
        在1990年代,早期的精準農業(yè)用戶(hù)采用了作物產(chǎn)量監測來(lái)產(chǎn)生肥料和pH校正建議。由于可以測量更多的變量并將其輸入到作物模型中,因此對于肥料的施用,澆水甚至收獲高峰產(chǎn)量的建議更加準確,   

        在本文中,我們將探討如何將傳感技術(shù)整合到現代大型農業(yè)綜合企業(yè)中,以提高農業(yè)產(chǎn)量以造福世界。

深度解讀智能農業(yè)傳感器及應用

一、農業(yè)傳感器

        精確農業(yè)中使用了許多傳感技術(shù),它們提供的數據可幫助農民監測和優(yōu)化農作物,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(lái)自GPS衛星的信號來(lái)確定英尺內的緯度,經(jīng)度和高度。三角定位至少需要三顆衛星。精確定位是精準農業(yè)的基石?! ?br />
        光學(xué)傳感器使用光來(lái)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(wú)人機甚至衛星之類(lèi)的車(chē)輛或高空平臺上來(lái)測量下方的土壤。土壤反射率和植物顏色數據只是光學(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,有機物和水分含量。例如,Vishay提供了數百個(gè)光電探測器和光電二極管,這是光學(xué)傳感器的基本構建塊。

        電化學(xué)傳感器可提供精密農業(yè)所需的關(guān)鍵信息:pH和土壤養分水平。傳感器電極通過(guò)檢測土壤中的特定離子來(lái)工作。當前,安裝在專(zhuān)門(mén)設計的“滑板”上的傳感器可幫助收集,處理和繪制土壤化學(xué)數據?! ?br />
        機械傳感器可測量土壤壓實(shí)度或“機械阻力”。傳感器使用一個(gè)探頭,該探頭可穿透土壤并通過(guò)稱(chēng)重傳感器或應變儀記錄電阻。這種技術(shù)的類(lèi)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(guò)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(guò)測量土壤中的介電常數(電特性隨存在的水分含量而變化)來(lái)評估水分含量?! ?br />
        氣流傳感器測量土壤的透氣性。測量可以在單個(gè)位置進(jìn)行,也可以在運動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)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(lèi)型的土壤特性,包括壓實(shí)度,結構,土壤類(lèi)型和濕度,都會(huì )產(chǎn)生獨特的識別特征?! ?br />
        農業(yè)氣象站是獨立的單元,被放置在整個(gè)田地的各個(gè)位置。這些站結合了適合當地農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(fēng)速,露點(diǎn)溫度,風(fēng)向,相對濕度,太陽(yáng)輻射和大氣壓力等信息。這些數據被編譯并以編程的時(shí)間間隔無(wú)線(xiàn)發(fā)送到中央數據記錄器。它們的便攜性和價(jià)格下降使氣象站對各種規模的農場(chǎng)都具有吸引力?! ?br />
二、傳感器輸出數據在精確耕作上的應用

        傳感技術(shù)可提供可操作的數據,以根據需要進(jìn)行處理和實(shí)施,以?xún)?yōu)化作物產(chǎn)量,同時(shí)將對環(huán)境的影響降至最低。以下是精確耕作利用此數據的幾種方法:

        產(chǎn)量監測系統安裝在農作物收割機上,例如聯(lián)合收割機和玉米收割機。它們可以通過(guò)測量,記錄到30厘米以?xún)鹊臅r(shí)間,距離或GPS位置來(lái)提供農作物的增重產(chǎn)量?! ?br />
        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據。產(chǎn)量監控數據與坐標相結合以創(chuàng )建產(chǎn)量圖?! ?br />
        可變速率肥料應用工具使用產(chǎn)量圖以及可能通過(guò)著(zhù)色確定的植物健康的光學(xué)調查來(lái)控制粒狀,液態(tài)和氣態(tài)肥料??勺兯俾士刂破骷瓤梢允謩?dòng)控制,也可以使用由真實(shí)GPS位置引導的車(chē)載計算機自動(dòng)控制?! ?br />
        雜草制圖目前通過(guò)GPS接收器和數據記錄儀快速標記位置,從而使用操作員的解釋和輸入來(lái)生成地圖。然后,雜草的出現可以與產(chǎn)量圖,肥料圖和噴霧圖重疊。隨著(zhù)視覺(jué)識別系統的改進(jìn),手動(dòng)輸入將很快被安裝在工作設備上的自動(dòng)化視覺(jué)系統所取代?! ?br />
        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?! ?br />
        可以使用高精度GPS記錄地形和邊界,從而可以對任何領(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,現有道路和濕地,以幫助進(jìn)行農場(chǎng)規劃?! ?br />
        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的問(wèn)題以及鹽度隨時(shí)間的變化?! ?br />
        引導系統可以使用GPS將移動(dòng)的車(chē)輛準確地定位在30厘米或更短的范圍內。引導系統取代了傳統的噴涂或播種設備。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,基礎設施和處理設備只能由具有足夠資本可用于投資的農業(yè)綜合企業(yè)現實(shí)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(guān)的回報?! ?br />
三、傳感器在“小型”農業(yè)的擴展應用

        在美國,小型農場(chǎng)(包括有機農場(chǎng)和傳統農場(chǎng))占近200萬(wàn)個(gè)農場(chǎng)的91%。僅在美國就有一個(gè)潛在的180萬(wàn)個(gè)小型農場(chǎng)的市場(chǎng),開(kāi)發(fā)商和設計師已經(jīng)注意到通過(guò)整合較小規模的精確耕作技術(shù)所帶來(lái)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場(chǎng)可以利用精密農業(yè)技術(shù)?! ?br />
        智能手機工具

        僅智能手機就有幾種工具可以適應農業(yè)應用。例如,農作物和土壤的觀(guān)測結果可以以快照圖片,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(lái)。表1列出了一些可用于收集數據的電話(huà)內工具:

深度解讀智能農業(yè)傳感器及應用  

        現有智能手機工具的農業(yè)用途:

        智能手機應用   

        許多智能手機應用程序已開(kāi)始結合物聯(lián)網(wǎng)(IoT)理想,數據聚合和快速處理的功能,以向小農戶(hù)提供有關(guān)播種,除草,施肥和澆水的最新可行信息。這些應用程序從手持式傳感器,遠程傳感器和氣象站收集數據,從而創(chuàng )建深入的分析和有價(jià)值的建議。已經(jīng)針對小型農民開(kāi)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發(fā)給專(zhuān)家進(jìn)行分析?! ?br />
        肥料計算器:土壤傳感器和葉子的顏色可以確定所需的養分?! ?br />
        土壤研究:捕獲土壤圖像以及傳感器的pH值和化學(xué)數據,使農民可以監視和適應不斷變化的土壤條件?! ?br />
        水研究:通過(guò)照片和亮度記錄確定葉面積指數可以幫助農民確定水需求?! ?br />
        作物收成就緒:使用紫外線(xiàn)和白光拍攝的相機照片可以準確預測成熟度?! ?br />
        當專(zhuān)業(yè)應用程序通過(guò)分析土壤,作物,雜草和病蟲(chóng)害變量來(lái)提高農場(chǎng)生產(chǎn)率,并為農業(yè)決策提供有價(jià)值的反饋時(shí),小農的生活質(zhì)量將得到顯著(zhù)改善?! ?br />
        小型機械   

        制造商也在尋找專(zhuān)門(mén)針對小型農場(chǎng)的解決方案,例如" Rowbot",它可以施肥,覆蓋雜草并播種種子來(lái)種植農作物。與傳統的耕作設備相比,Rowbot體積小得多,而且靈活得多,它可以安裝在農作物行之間,不會(huì )壓實(shí)土壤,并且可以分配微量的肥料。通過(guò)將機器聯(lián)網(wǎng)成“群”,可以擴大規模?! ?br />
四、傳感器對全球農業(yè)的影響   

        在發(fā)展中國家,大約有5億個(gè)小農場(chǎng)生產(chǎn)的食品占消費量的80%以上。精準農業(yè)技術(shù)在全球范圍內變得越來(lái)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,全球對糧食的需求將增長(cháng)50%,因此將需要用于各種規模農場(chǎng)的精密農業(yè)技術(shù)?! ?br />
        解決大型和小型農場(chǎng)的問(wèn)題并幫助農民滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的糧食需求并不是智能,精確農業(yè)所能提供的唯一解決方案。智慧農業(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)化氮肥用量減少從土壤釋放的一氧化二氮   

        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)監測和管理土壤健康來(lái)消除養分消耗   

        通過(guò)減少設備流量來(lái)控制土壤壓實(shí)   

        最大限度地提高用水效率   

結語(yǔ)   

        精準農業(yè)已經(jīng)發(fā)展起來(lái),可以滿(mǎn)足世界范圍內對食品的日益增長(cháng)的需求,其使用的技術(shù)使收集和應用數據,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(jiǎn)單和便宜。盡管大型農場(chǎng)是最先采用這些技術(shù)的農場(chǎng),但現在小型農場(chǎng)也可以使用智能電話(huà)中內置的工具,相關(guān)應用程序和小型機械來(lái)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場(chǎng),還包括污染,全球變暖和保護?! ?br />
        精準農業(yè)的未來(lái)發(fā)展可能包括增加自動(dòng)農用車(chē)的使用,以及從更智能,更小巧的無(wú)人機和無(wú)人地面車(chē)輛(分別為UAV和UGV)獲得更好的無(wú)線(xiàn)數據傳輸和采集。除了監視作物和土壤狀況之外,這些較小的車(chē)輛還可以監視農業(yè)設備的狀態(tài),從而使農民可以改善機器的維修和保養??傮w而言,在工業(yè)制造領(lǐng)域獲得的過(guò)程改進(jìn)將繼續進(jìn)入農業(yè)。 
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