多傳感器模塊緩解室內(nèi)農(nóng)業(yè)設(shè)計挑戰(zhàn)

受控環(huán)境農(nóng)業(yè)（CEA，由于容納作物和基礎(chǔ)設(shè)施的多層設(shè)施，也稱為垂直農(nóng)業(yè)）是一個有前途的利基市場。通過采用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT) 并采用全封閉、氣候可控的環(huán)境來消除疾病、害蟲或季節(jié)性天氣變化等外部因素，綠葉蔬菜、香草和西紅柿等植物的產(chǎn)量可以大幅增加。該技術(shù)不依賴于昂貴的耕地，因此適合在任何地方建立——包括城市社區(qū)的中心。

垂直農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的高產(chǎn)量背后是一些領(lǐng)先的電子工程發(fā)展，包括無線傳感器、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和云連接。基礎(chǔ)設(shè)施對于 CEA 企業(yè)的成功至關(guān)重要，但由于復(fù)雜且耗時的設(shè)計、調(diào)試和配置，它會增加成本。構(gòu)建當今 CEA 所需的工程專業(yè)知識和購買成本將其采用限制在大型、富有的組織中，并阻礙了技術(shù)傳播到它可能產(chǎn)生最大影響的地方，例如發(fā)展中國家。然而，電子產(chǎn)品制造商正在努力改變這一趨勢，他們推出的產(chǎn)品將垂直農(nóng)業(yè)成功所必需的多個傳感器組合到一個模塊中，從而更容易實施并降低成本。

棘手的企業(yè)

分析公司 Statista 報告稱，雖然垂直農(nóng)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，但隨著全球 CEA 市場在 2016 年達到約 15 億美元的價值，并預(yù)計到 2023 年將增長約 64 億美元，其采用目前僅限于富裕國家。研究分析師 MarketsandMarkets 指出，中國、日本、新加坡、美國 (US) 和荷蘭是迄今為止最大的參與者。同樣，盡管垂直農(nóng)業(yè)所需的 LED、無線傳感器、互聯(lián)網(wǎng)連接以及在線軟件和硬件資源已得到證實且易于獲取，但大規(guī)模的商業(yè)實施卻很少見。相對稀缺的一個主要原因是 CEA 系統(tǒng)的設(shè)計和實施具有挑戰(zhàn)性。

垂直農(nóng)業(yè)的成功取決于對農(nóng)場環(huán)境的精確管理和維護。通過控制光強度和波長、溫度、濕度、氣流和 CO 2以及揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 濃度等因素，監(jiān)管人員可以確保植物盡可能快地生長，同時為消費者保留其審美、口味和營養(yǎng)價值。例如，研究表明，在 0.3 至 0.5mps 范圍內(nèi)的恒定空氣流動（在恒定的蒸氣壓下）可使 CO 2和水蒸氣最佳地擴散到葉子中，以幫助光合作用并最大限度地促進美味綠葉蔬菜的生長。

這種對生長條件的精細管理需要基于計算機的閉環(huán)過程控制系統(tǒng)的監(jiān)督，這些系統(tǒng)使用傳感器將數(shù)據(jù)無線轉(zhuǎn)發(fā)到設(shè)施內(nèi)或遠程位置的監(jiān)控計算機。如果傳感器讀數(shù)檢測到偏離最佳擴散速率的漂移，則監(jiān)控計算機可以進行適當?shù)恼{(diào)整以將條件重置回理想水平。連通性確保系統(tǒng)保留所有數(shù)據(jù)，并可以使用它來計算證明哪些條件最適合特定植物的生長。

例如，位于新澤西州紐瓦克的 AeroFarms 的 CEA 科學家在每次收獲時監(jiān)測超過 130,000 個數(shù)據(jù)點。然后，技術(shù)人員將這些信息與預(yù)測分析一起使用，以審查、測試和增強下一次收獲的生長系統(tǒng)。

CEA 電子工程變得簡單

用于單個變量的閉環(huán)、網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器系統(tǒng)的實施是一項挑戰(zhàn)，但當控制擴展到?jīng)Q定 CEA 成功的多個變量時，難度會大大增加。這些挑戰(zhàn)包括：

資助大量傳感器的安裝和維護，

構(gòu)建和驗證基于傳感器的系統(tǒng)和相關(guān)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，

調(diào)試和配置多種傳感器類型，

確?？绱笮途W(wǎng)絡(luò)的無沖突通信，以及

管理廣泛傳感器群體的權(quán)力。

這些 CEA 工程挑戰(zhàn)的解決方案是以商業(yè)引入模塊的形式出現(xiàn)，這些模塊將多個傳感器集成到單個模塊上。TE Connectivity的AmbiMate傳感器模塊等產(chǎn)品在可直接連接的印刷電路板 (PCB) 組件上提供多個傳感器，以便輕松集成到主機產(chǎn)品中。每個模塊都結(jié)合了四個核心傳感器（即運動、光、溫度和濕度），而變體可以添加 CO 2、VOC 和聲音（麥克風）功能。

這些傳感器連接到單個機載微處理器并利用單個電源。嵌入式微處理器配備了一個 I2C 接口，可以相對簡單地連接到無線收發(fā)器進行數(shù)據(jù)傳輸。每個模塊變體都在相同的占地面積上制造，使設(shè)計人員可以在必要時輕松切換到不同的傳感器組合。最后，機載傳感器能夠以 CEA 所需的精度測量參數(shù)。例如，溫度和濕度傳感器分別提供 ±0.3°C 和 ±2% 的相對濕度 (RH) 測量精度，以及一秒的采集速率（圖 1）。

圖 1：TE Connectivity 的 AmbiMate 傳感器模塊 MS4 系列基于通用封裝，使設(shè)計人員更容易為特定應(yīng)用定制最終產(chǎn)品。（來源：TE Connectivity）

通過將多個傳感器集成到一個模塊中，AmbiMate 的 MS4 系列等產(chǎn)品可以減少 CEA 過程控制系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)量，并緩解許多關(guān)鍵的工程挑戰(zhàn)。更少的節(jié)點導(dǎo)致更簡單的網(wǎng)絡(luò)和更低的復(fù)雜性和成本水平，并加速測試、配置和調(diào)試。

鼓勵垂直農(nóng)業(yè)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)已經(jīng)消耗了地球 40% 的土地，要找到更多種植作物的空間就需要砍伐寶貴的熱帶雨林。然而，據(jù)美國報紙《新聞周刊》報道，到 2050 年，糧食產(chǎn)量需要擴大 70%，才能養(yǎng)活預(yù)計將近 100 億的全球人口。

根據(jù) CEA 全球協(xié)會的說法，垂直農(nóng)業(yè)是答案，因為它結(jié)合了農(nóng)業(yè)科學、工程和技術(shù)，一年 365 天在規(guī)?；统掷m(xù)的環(huán)境中以及在天氣和室外環(huán)境否則會限制或排除的地方種植新鮮食物生鮮食品生產(chǎn)。此外，將新鮮食品生產(chǎn)本地化到城市人口附近是明智且高效的。通過整合農(nóng)業(yè)和工程，水、耕地和能源等有限資源的保護變得可行。

結(jié)論

毫無疑問，CEA 是一項很有前途的技術(shù)，考慮到運行最好的設(shè)施每年的產(chǎn)量比同等面積的傳統(tǒng)農(nóng)田高出近 400 倍。盡管如此，它仍然是一個剛剛起步的企業(yè)，目前的進入門檻非常高，以至于除了非常富裕的國家之外，其他任何國家都被排除在采用這項技術(shù)之外。壁壘很高，因為 CEA 的成功在很大程度上依賴于目前復(fù)雜且昂貴的技術(shù)。TE Connectivity 的 AmbiMate 等多傳感器模塊的推出是簡化基于 CEA 的工程和發(fā)布技術(shù)以進一步幫助和養(yǎng)活世界的道路上邁出的重要一步。

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