將園藝和室內種植搬上雲端

作者 : Aloke Barua,Microchip Technology資深產品行銷工程師

透過雲端連接的IoT網路能夠推動高效的收獲管理系統在園藝和室內種植領域的應用,從而促進可持續性並實現盈利的大規模可控環境農業(CEA)產生和發展...

環境監測是雲端和物聯網(IoT)服務最有前景的商業應用之一,這項技術有助於形成穩定的室內生長環境,從而推進水果、堅果、蔬菜和草藥等非原生作物的本地化種植。雲端連接的IoT網路能夠推動高效的收穫前和收穫後管理系統在園藝業和室內種植領域的應用,從而促進具有道德性和可持續性並最終實現盈利的大規模可控環境農業(CEA)生產和發展。

這些系統利用IoT感測器持續測量和報告環境資料,同時可在需要調整時觸發相應的操作或命令。種植者需要瞭解確定和部署這些系統的最佳實踐(包括採用加密和身份驗證技術的關鍵需求),從而防止駭客破壞操作或竊取有價值的資料。

在地化室內種植案例

在探索如何開發雲端連接的在地化種植系統之前,首先需要瞭解室內種植的潛在優勢。室內種植具有如下三項主要優勢:

  1. 提高農產品供應能力

對於特定地區的非原生水果、堅果、蔬菜和草藥,如果可以在當地進行在地化種植,將會快速、有效地解決全球對這些作物的需求。同時,還有助於縮短食物里程,雖然可能並不能降低營運的碳密集度,但確實有助於提高農產品安全性和農產品供應能力,因為無需將農產品從其他地區長途運輸過來。 此外,還會帶來其他優勢,如延長生長季節使特定糧食作物在一年的12個月中都有供應,以及能夠在全球氣候條件不穩定的情況下保持全球糧食的高效生產等。

  1. 減少棲息地破壞

推進CEA或非糧食作物的室內種植,還可以減少對棲息地的破壞。雖然可能存在爭議,但有充份的理由顯示,人們往往忽視農業對棲息地和環境造成的威脅,因為人們更加關注土地開發和伐木業對森林造成的破壞。世界自然基金會(WWF)的資料顯示,「全球每年減少的森林面積為1,870萬英畝」(基於前三大破壞者的資料),「全球約50%的棲息用地已轉化為農業用地」。土地主要用於畜牧養殖業、大規模農耕作業以及種植供人們食用的蔬菜與穀物,其中三分之一以上的土地專門用於種植玉米、大麥、燕麥、高粱和大豆等畜牧飼料作物。人們越來越清楚地認識到,消耗大量土地資源的耕作技術不具可持續性。

  1. 培養更健康的飲食習慣

除了減少傳統耕作技術對土地的需求外,CEA和室內種植還有助於培養更健康的飲食習慣。醫學界公認的觀點是,雖然人類是雜食性動物,但偏向於混合食用植物、水果和堅果,同時減少肉類攝入的飲食習慣更有益於健康。廣泛採用這種飲食習慣,可以大幅減少畜牧飼料產量,從而促進全球人口在根本上向具有可持續性的生活方式轉變。此外,這種飲食習慣還有助於減少牲畜飼養量,進而減少食品運輸需求和溫室氣體(GHG)排放。根據聯合國糧食及農業組織(FAO)統計,全球畜牧業產生的GHG排放量佔所有人為GHG排放量的14.5%。

目前,大規模CEA和室內種植尚處於起步階段。雖然在大面積土地上部署溫室等室內結構更為常見,但越來越趨向於建設客製的垂直農業設施,包括重新利用多層廠房或倉庫等。這類設施有助於更加高效、務實地利用不動產和土地來種植非糧食作物。垂直農業設施同樣非常適合飼養家禽,提供可能更具可行性的肉類來源。

大規模採用CEA和室內種植需要滿足一些先決條件。複製和保持自然條件要求種植者定期監測溫度、人工照明、室內濕度和土壤濕度等參數,在水培/氣培的情況下,還需要監測營養液成分。重要生產者將會選擇許多具有封閉環境的建築物,每個建築物都必須針對上述生長條件進行最佳化。這就需要使用一個或多個雲端連接的感測器持續測量環境參數水準隨時間的變化,並將資料報告給中央監測站。

系統部署的最佳實踐

首先,要創建本土或非本土室外條件日誌,作為在需要時對環境參數進行必要調整的基準。

接下來,必須確定要部署的網路類型。隨著連接感測器的IoT可用性不斷提高,部署由中央集線器或閘道管理的網路來與本地控制器或電腦進行通訊(見1)非常實用。資料透過控制器上傳至雲端,以便執行進一步分析。雲端可以是專有雲,也可以是由傳統或新興提供商提供的雲服務。

圖1:IoT生態系統的典型實作方案。

如果種植者認為沒有必要,可以選擇不對感測器資料做出即時反應。在這種情況下,可以透過雲端在可接受的時間範圍內發出命令或操作。但是,如需儘量縮短發出感測器資料與中央電腦發出操作或命令之間的延遲甚至實現零延遲,種植者/生產者可以在中間採取相應措施,即在閘道器和雲端之間使用邊緣控制器來縮短從分析到操作的時間。基本上,環境參數控制得越精確,作物生長得越好。

邊緣運算實作方案可分為後端部份和前端部份,每一部份都對最佳化封閉環境下的作物生產發揮著重要作用。後端部份包含邊緣運算和雲端運算元件,而前端部份包含感測器網路和閘道器元件。隨著IoT實作方案不斷增多以及在各產業的應用日益廣泛,為提供支援該解決方案架構所需的所有元件,由硬體供應商和系統整合商組成的生態系統應運而生。感測器網路是其中一個非常重要的元素,因為它將部署在最接近作物的位置,用於監測作物的生長環境並收集相關資料,然後傳輸至閘道器。同時,由於感測器節點眾多,務必要確保每個節點都簡單、可靠、易於維護,以極低的功耗運行從而延長電池使用壽命,並且能夠透過各種無線連接方法與閘道器,最終並與雲端服務供應商進行通訊。

首選的無線連接方案是藍牙低功耗(BLE)或新的802.11ah低功耗Wi-Fi標準。這將確保解決方案可以在免授權頻段執行,並且能夠跨典型的10-100m室內種植距離進行通訊。802.11ah標準的傳輸距離最長,可達1km。BLE和802.11ah Wi-Fi的資料傳輸速率分別為10kbps-10Mbps以及50kbps-100 kbps,能夠為傳輸所需測量的各種參數資料提供充足的頻寬。

此外,感測器節點還必須具有強大的安全性。與任何產業一樣,將有許多農場主或大型企業集團涉足大規模室內種植或CEA產業。任何能夠協助供應商獲得競爭優勢的資訊都會帶來更高的營收和利潤。人們已廣泛認識到,不法份子有意圖並有能力入侵無線網路,獲取可帶來這種優勢的資料。若要降低風險,最佳方法是使用基於硬體的解決方案,這種解決方案可以對資料和節點進行加密和身份驗證。韌體或軟體方案被普遍認為容易受到駭客攻擊。

感測器節點的設計人員和製造商將基於矽解決方案打造其產品,以此確保完成的系統設計易於使用、具有模組化結構且可更新,同時能夠以低功耗模式運行,具有強大的安全性並且可以靈活地支援所需的無線連接方案。此外,這些供應商還積極與重要的雲端服務供應商展開合作。如果必須採用兼容雲端(cloud-agnostic)的解決方案,則供應商應能夠對解決方案進行配置,以便其與具有所有必備功能的專有雲進行通訊。

例如微芯科技(Microchip Technology)提供的Google Cloud IoT核心開發平台(見23)。這些開發板將MCU、安全元件和經過全面認證的Wi-Fi網路控制器集於一身,提供了一種極為簡單、有效的方法來將感測器節點連接到Google Cloud IoT核心平台。使用者可以直接連接到預先配置免費Sandbox帳戶或虛擬測試環境的Google Cloud,以查看光照和溫度資料。使用MikroElektronika應用廣泛的附加Click boards,可以有選擇性地連接其他感測器,從而輕鬆地將其他功能添加到設計中。

2AVR-IoT WG開發板搭載功能強大的AVR MCU、安全元件和Wi-Fi網路控制器

3PIC-IoT WG開發板搭載超低功耗(XLP)PIC MCU、安全元件和Wi-Fi網路控制器

以更好的方式養活全球人口

相較於傳統的耕作方式,CEA和室內種植有望在更小的地理區域內實現更加安全、可靠和高效的全球糧食生產。實現這一承諾需要依靠環境監測技術,在大規模應用的情況下,該技術可為非原生作物提供穩定的室內生長環境。其中最重要的技術就是感測器網路,它用於收集環境監測感測器資料並將其傳輸到雲端或將資料從雲端傳出以進行處理和分析。

領先的雲端服務供應商已經推出快速開發解決方案來應對這些需求,從而提供了簡單、靈活的方法來支援CEA和室內種植的各種應用。

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