無(wú)線(xiàn)技術(shù)如何幫助農(nóng)民節(jié)約用水

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以幫助農(nóng)民實(shí)時(shí)跟蹤他們的土地狀況，并更有戰(zhàn)略地用水。水是人類(lèi)和我們消費(fèi)的農(nóng)作物生命中最重要的資源。在世界范圍內(nèi)，農(nóng)業(yè)占所有淡水使用量的70%。
物聯(lián)網(wǎng)是配備傳感器的對(duì)象網(wǎng)絡(luò)，因此它們可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接收和傳輸數(shù)據(jù)。示例包括可穿戴健身設(shè)備、智能家居恒溫器和自動(dòng)駕駛汽車(chē)。
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，它涉及到無(wú)線(xiàn)地下通信、地下傳感和土壤天線(xiàn)等技術(shù)。這些系統(tǒng)幫助農(nóng)民實(shí)時(shí)跟蹤他們的土地狀況，并在需要的時(shí)間和地點(diǎn)準(zhǔn)確地施用水和其他投入物，例如化肥。

特別是，監(jiān)測(cè)土壤狀況對(duì)于幫助農(nóng)民更有效地利用水有很大的希望。傳感器現(xiàn)在可以無(wú)線(xiàn)集成到灌溉系統(tǒng)中，以提供對(duì)土壤濕度水平的實(shí)時(shí)感知。研究表明，這種策略可以在不影響農(nóng)田日常操作的情況下，將灌溉用水需求減少20%至72%。
什么是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)
即使在像中東和北非這樣干旱的地方，通過(guò)有效的水資源管理也可以進(jìn)行農(nóng)業(yè)。但氣候變化導(dǎo)致的極端天氣事件讓這變得更加困難。過(guò)去20年里，美國(guó)西部不斷發(fā)生干旱，再加上野火等其他災(zāi)害，給農(nóng)作物造成了數(shù)十億美元的損失。

幾十年來(lái)，水資源專(zhuān)家一直在測(cè)量土壤濕度，為水資源管理和灌溉決策提供信息。自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在很大程度上取代了手持式土壤濕度測(cè)量工具，因?yàn)樵谄h(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，人工測(cè)量土壤濕度非常困難。

在過(guò)去的十年中，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收集技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始提供對(duì)土壤濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，這有助于更好的水資源管理決策。這些技術(shù)還可能在公共安全、城市基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)和食品安全等領(lǐng)域有許多先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)由無(wú)線(xiàn)電、天線(xiàn)和傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，可以收集田間作物和土壤的實(shí)時(shí)信息。為了方便數(shù)據(jù)收集，這些傳感器和天線(xiàn)與農(nóng)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)連接。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)完整的框架，可以檢測(cè)農(nóng)田狀況，提出響應(yīng)行動(dòng)建議，并向農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)送命令。
田間土壤濕度和溫度傳感器等互聯(lián)裝置使控制灌溉系統(tǒng)和自主節(jié)水成為可能。該系統(tǒng)可以計(jì)劃灌溉，監(jiān)測(cè)環(huán)境條件和控制農(nóng)業(yè)機(jī)械，如播種機(jī)和施肥機(jī)。其他應(yīng)用包括估算土壤養(yǎng)分水平和識(shí)別害蟲(chóng)。

將網(wǎng)絡(luò)置于地下的挑戰(zhàn)

無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收集有可能幫助農(nóng)民更有效地利用水，但將這些組件放入地下會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)傳輸傳感器數(shù)據(jù)的天線(xiàn)被埋在土壤中時(shí)，它們的工作特性會(huì)急劇變化，這取決于土壤的濕潤(rùn)程度。
農(nóng)民在田里使用重型設(shè)備，所以天線(xiàn)必須埋得足夠深，以避免損壞。當(dāng)土壤變濕時(shí)，水分會(huì)影響傳感器網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)之間的通信。土壤中的水會(huì)吸收信號(hào)能量，從而減弱系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)。密集的土壤也會(huì)阻礙信號(hào)的傳輸。
某研究室開(kāi)發(fā)了一個(gè)理論模型和天線(xiàn)，通過(guò)改變工作頻率和系統(tǒng)帶寬來(lái)減少土壤對(duì)地下通信的影響。借助這種天線(xiàn)，放置在土壤表層的傳感器可以向距離長(zhǎng)達(dá)650英尺的灌溉系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)土壤狀況信息。
另一個(gè)改善土壤中無(wú)線(xiàn)通信的解決方案是使用定向天線(xiàn)將信號(hào)能量集中在所需的方向上。將能量導(dǎo)向空氣的天線(xiàn)也可以用于遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)地下通信。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)下一步是什么
隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的成熟，網(wǎng)絡(luò)安全對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越重要。農(nóng)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)需要先進(jìn)的安全系統(tǒng)來(lái)保護(hù)它們傳輸?shù)男畔?。還需要解決方案，使研究人員和農(nóng)業(yè)推廣人員能夠合并來(lái)自多個(gè)農(nóng)場(chǎng)的信息。通過(guò)這種方式匯總數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生關(guān)于用水等問(wèn)題的更準(zhǔn)確的決策，同時(shí)保護(hù)種植者的隱私。
這些網(wǎng)絡(luò)還需要適應(yīng)不斷變化的當(dāng)?shù)貤l件，如溫度、降雨和風(fēng)。季節(jié)變化和作物生長(zhǎng)周期可能會(huì)暫時(shí)改變農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行條件。通過(guò)使用云計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)，科學(xué)家可以幫助農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)對(duì)周?chē)h(huán)境的變化。

最后，缺乏高速互聯(lián)網(wǎng)接入仍然是許多農(nóng)村社區(qū)的一個(gè)問(wèn)題。例如，許多研究人員在中心樞紐灌溉系統(tǒng)中集成了無(wú)線(xiàn)地下傳感器和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，但沒(méi)有高速互聯(lián)網(wǎng)接入的農(nóng)民無(wú)法安裝這種技術(shù)。
將基于衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)連接與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，可以幫助尚未實(shí)現(xiàn)寬帶連接的農(nóng)場(chǎng)。研究人員還在開(kāi)發(fā)使用無(wú)人機(jī)的車(chē)載和移動(dòng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。這樣的系統(tǒng)可以在田間提供持續(xù)的連接，使更多地方的更多農(nóng)民能夠使用數(shù)字技術(shù)。