农业及时灌溉的重要性
在全世界,灌溉(农业用水或农作物用水)可能是水最重要的用途(可能除了饮用水和清洗用水)。估计数据有所不同,但是全世界大约有70%的淡水抽取量用于灌溉用途。如果不利用江、河、蓄水池和水井的水用于农田灌溉,大规模的农业将无法为世界上的大批人口提供粮食。所有的农民和种植者都认为水的使用和供应是农作物生产的基本要素。可靠持续的供水对提升质量、提高产量至关重要。以最小的浪费、在正确的时间、合适的用水量来灌溉也非常重要。植物没有获得足够的水分时会承受压力。干旱压力会导致植物叶气孔的关闭,限制了光合作用,进而减少生长。应用灌溉避免干旱压力产生。相反,灌溉可以提高雨育农作物的产量,也能提升农作物的质量,这对企业而言更为重要,通常被指定为合同和销售的条件。及时灌溉也能抑制许多病虫害,尽管这些病虫害的发生和严重性也受其他因素影响,如品种、位置、营养、土壤类型等等。然而,过度灌溉也会导致疾病问题。
增加产量的无线传感器解决方案——电池的问题
有效灌溉的关键是在正确的时间、正确的地方给农作物浇适量的水。说比做容易,但是新技术正在改变农业贸易,加入实时信息、从计划种植到收获的每一步分析都在指尖完成。通过APP、无线传感器 、大数据、改进了的蜂窝服务、云计算,还有很多,各种规模的农场都在应用先进工具来提高产量、提升效率,节省资源——提升盈利能力。尽管农民体力上工作很辛苦,这种新型的数据驱动技术为许多人提供了更聪明工作的机会,并有可能在这个过程中赚更多的钱。现在已经有了使农作物全天候都处在接近理想状态下的技术,甚至不需要农民去到田间。传统上,种植者根据天气状况进行灌溉。最近,土壤传感器仅在土壤干燥或压力室时帮助种植者浇水,通过测量植物从土壤中吸取水分的努力程度来提供更准确的读数。这使得农民根据植物压力灌溉,而不是根据天气状态来工作。这种新的传感器解决方案通常与无线通讯系统相连。现在农民可以获得关于他们资产的实时信息,并根据客观数据采取行动。
然而,传感器和通讯解决方案需要某种电源。尽管能量收集装置可用于提升电池的预期寿命,尤其是开阔空间的太阳能板,这些系统还是需要电池运行。另外,电池迟早需要更换。如果你只使用几十个传感器,这不是一个大问题。如果你使用几百个传感器,就需要维护人员来进行电池更换。电池是安全的,但是涉及到植物和食物需要采取预防措施。电池在废物处理上是一个问题。电池是通过不同的化学物质相互反应来产生电能。其中一些化学物质,如镍和镉,是剧毒物质,会对人类和环境产生危害。而且,它们会导致土壤和水污染,危及野生动物。这些化学物质能在食物中生物积累,使得这种食物不适于人们食用。
无线无源传感器概念
为了避免潜在危害终端用户的有毒物质产生的问题,市场上产生了新型的传感器系统。这些系统是基于无需电池的传感器进行无线通讯。实际上,传感器装置可以分散在监测区域内。它们处于“休眠“状态,直到发射器(称为RFID读写器)经过这些传感器。读写器经过时,传感器被唤醒,进行测量,并通过无线通讯方式向读写器发送测量数据。无源的概念可用于不同的低能耗传感器,比如环境温度、表面/接触温度、环境湿度、土壤湿度或环境光。每一个传感器有唯一的识别码。传感器数据与唯一的识别码关联,因此不可能出现串读。
传感器数据从RFID读写器发送到农民的数据库中。典型的应用会用到GPRS,WIFI,甚至会将数据存储在读写器中,随后再通过以太网下载。不同的应用以不同的方式实现,充分发挥其优势。数据会被处理,并显示一些列事件的报警。比如“激活闪烁#43“这类动作是自动的,灌溉系统可基于植物压力的客观数据、在连续模式下工作,而无需人为干预。
无源系统的优势:
Ø 没有电池损坏导致有毒物质产生的风险
Ø 降低维护成本——永远无需充电
Ø 比标准的无线传感器成本更低
这些优势是通用的,可在特定应用中扩展。比如,查看温室中和开阔空间中,系统是如何工作的。
温室中高价值植物监测
温室经常被用作农作物变异的试验田。作为试验田,工作人员会非常忙碌的监测不同种子的生长过程,目的是选择最适合农田状况生长的种子。监测生长是非常辛苦的工作,需要连续测量,形成数据历史,对这些数据进行处理做出最后决定。从传感器触发到数据转录到公司数据库,这个数据采集过程是手动的。通常,工作人员经过一个通道、在笔记本上记录下植物ID,相关情况和状态。这些信息随后会输入计算机中做进一步处理。
这个过程非常耗时,而且容易出错。手持设备的引进减少了人为干预,但是这还是一个手工过程。采用无源RFID传感器,一个传感器标签附着在一颗植物上。通过这种方法,依靠RFID的识别号能识别唯一一颗植物。
传感器标签通常包括土壤湿度传感器和温度传感器。工作人员携带手持设备通过通道就可以采集数据,无需其他操作。数据存储在手持读写器中,随后可通过WIFI、以太网、USB或其他任何方式转录到公司数据库中。整个监测过程无需人工干预即可完成。
这个程度的自动化提供两点改进:
Ø 因人工干预而出错的几率接近0%
Ø 由于数据自动采集而提升了效率
没有更换传感器电池的维护成本。而且,没有因为电池损坏产生有毒化学物质导致的健康风险。
大面积农作物监控
大面积监测农作物生长是另一个挑战。因为覆盖面积甚广,无法给每一颗植物安置传感器标签。
大面积监测的目标是在关键位置安装传感器标签,并创建有意义的关联。通过这样,一套土壤湿度传感器读数会转化为特定分区的灌溉需求信息。- 传感器标签会按照基于农作物生长和种植面积精心设计的模式放置在田间。让工作人员携带手持阅读器走过传感器标签,这对于长距离来说是不可行的。然而,配备了RFID读写器的自动导引车(AGVs)或无人机(UAVs)会更快的采集数据。传感器标签上没有使用电池,因此,没有因电池而产生有害化学物质的风险,也没有更换传感器标签电池的维护成本。