8位元微控制器如何助力實現智慧農業?

作者 : Grace San Giacomo,Microchip 8位元微控制器商務部

如今的農業及園藝產業,正在經歷一場技術革新。透過網路即時觸及動植物的健康數據,正在改變農場的經營模式,進而帶來更高的產量和更高的土地生存力。其中,8位元的微控制器(MCU)可望扮演關鍵要角...

科技的進步,使現代的農業同時受到祝福和詛咒。現代農業及園藝技術運用更小的足跡創造更多的作物產量,支持著持續增加的人口。然而,如今農耕食物的新鮮度持不斷惡化,因為產量仍舊難以維持農民的獲利。

農耕產業本質上是不穩定的,這很大一部分是因為外在環境情況逐年對產業帶來衝擊。業界對更具備一致性及永續性的渴望,正驅使產業推動另一種現代化的技術─進入智慧農業。

導入聯網型牲畜監控系統,確實提升健康牲畜的數量,進而提升食物品質。土壤和植物健康監測儀,使農民得以監測作物健康狀況,資訊的詳細程度更是前所未見。得益於當今的嵌入式聯網型感測器系統,未來的「智慧農場」將擁有提高產量和盈利能力所需的工具和功能,同時仍支持挑剔的客戶們所需的質量水平。

從感測器收集到的資訊,可以幫助農民為農場做出最佳的決定,使他們在培育作物和牲畜上能提高生產力,同時減少水、殺蟲劑和化肥的使用。這將有助減少弄場對自然環境的衝擊,並改善土地質量,因此確保後代的永續性。

嵌入式系統及無線的關鍵賦能者

簡而言之,確保現代農場永續性的主要解決方案,即為替農民提供有用的訊息。由於當今在嵌入式及無線技術上的創新,這個目標可藉由導入大量低成本、聯網型的感測器來實現。這些感測器通常會監測農田和牲畜的幾個現場狀況,包括溫度、pH值、濕度、活動數據及定位座標等。接下來,這些感測器將透過無線通訊網路(如4G、5G等蜂巢式網路或LoRa),把數據傳輸集中式的雲端資料庫。

數據可藉由任何聯網設備取得及快速分析,以決定是否需要採取校正措施。這讓農民能在世界各地觸及到農場的相關分析。

聯網型的感測器節點,並不是新的概念,不過要在這個獨特且困難的場域中確保一定程度的效能及可靠度,必須滿足某些關鍵的需求。首先,他們需要非常可靠的電源,因為農場沒有1,000英尺的延長線,這件事情並不容易解決。因此節點上的感測器,就需要由電池供電,且在不用換電池的情況下,效率足以支持數月甚至數年。

這項挑戰需要相當高的系統效率,這件事一般來說,可藉由微控制器(MCU)系統來實現。該系統可不大量使用中央處理器(CPU)核心,管理各種複雜的任務,在系統處於非活動狀態時就會維持低載運行。

其次,在智慧農場的感測器節點需要在環境惡劣且偏遠的地區,抑或是安裝在動物身上,仍可正常運行。整個系統所處環境的具備的元素,需要實用且創新的解決方案,確保其穩固性及功能性。節點上的需要長時間留在現場,且需要相當低的硬體服務。所有軟體更新必須藉由遠端安全的完成。這就需要通過農場所在地最常見的廣域網絡 (WAN) 基礎設施,實現可靠的遠端連接。

在設計於智慧農場應用的網路系統時,工程師必須預期到要監測的植物和動物的種類繁多。植物健康監測系統可以測量各種環境條件,包括水位、土壤條件、pH 值和光照水平等;牲畜追踪器則可結合定位坐標、步態監測器、脈搏血氧計及其他監測關鍵健康數據的感測器。

任何一種情況下,理想的商用解決方案是以基礎節點設計,藉此可便於適應個別農場在採購上的需求。為達成這個目標,基本節點必須夠有彈性以連接各類類比和數位感測器。

另一個更困難的設計挑戰,在於涉及實現此類系統所需的多樣化工程規範。智慧農場元件的設計者或工程團隊需要在傳統嵌入式設計技術,以及LoRa、Wi-Fi、及蜂巢式網絡拓樸等射頻傳輸(RF)技術,還有網路安全等方面擁有專業等級的經驗,此外,還得精通雲端基礎架構。

導入8位元MCU

拓展智慧農場基礎設施的途徑,通常始於討論尖端技術時不常提及的部分。因為絕大多數的感測器節點都是電池供電、遠端定位且不經常性的維護,因此最佳的控制解決方案必須採用地球上最節能的MCU。

8位元MCU已經陪伴在我們周遭50年,他們一直是大多數遷入式系統最低功耗的選項,最新的裝置經由現代化的改良,可直接滿足智慧農業和園藝的需求。眾多的新功能中,PIC和AVR MCU具備獨立於內部核心的周邊(CIPs),堪稱是嵌入式設計的「力量倍增器」。

CIPs可獨立於晶片的CPU運行,允許設計者將他們設置以用最低功耗處理常見及重複性的工作。CIP在低維護環境提供的另一個好處是他們可協助助設計者提升系統可靠度的能力。由於CIPs程式設計讓他們就像是包含在MCU中的微型FPGA,他們可以有效降低像堆疊溢位、欠位等軟體偏移的影響。

使用相同的聯網節點控制器連接各類類比和數位感測器,可能也成為一個挑戰。幸運的是,現代MCU專為這種應用設計,同時最大限度地減少周邊零件。這類MCU提供SPI及I2C傳輸介面用於連接數位感測器、帶可程式化增益放大器(PGA)的差分類比數位轉換器(ADC)、以及數位類比轉換器(DAX),藉此實現更高的感測器彈性(如圖1)。這讓設計者可自由替智慧農場的相關應用,建立高度客製化和模組化的感測器。

圖1:在智慧農業場域中追求永續性,小型、高效率的MCU將扮演關鍵要角。 (來源:Microchip)

除了現代化的MCU架構,其搭配的開發硬體及軟體環境也有長足的進步。對有些並未把嵌入式系統、RF 天線設計和雲端連接作為其核心競爭力的小型公司工程團隊來說,快速原型開發板宛如救星。這讓開發人員有一個簡單的案例去依循,甚至包括帶有韌體、和知名的雲端供應商連接的一個GitHub儲存庫。

遠端感測器技術

如今的農業及園藝產業,正在經歷一場技術革新。透過網路即時觸及動植物的健康數據,正在改變農場的經營模式,進而帶來更高的產量和更高的土地生存力(如圖2)。這場革命最重要的是「隨處可用」的雲端連接,而其基礎將由8位元MCU所打造。現代的MCU架構,比如帶有CIPs設計的AVR和PIC,將是開發者現在到未來發展永續性的產品、縮小感測器與雲端間鴻溝的關鍵零組件。

圖2:導入8位元MCU的遠端感測技術,監控農場健康以確保農作物得到所需的照護而成長茁壯。 (來源:Microchip)

責編:Ryan Tsai

(參考原文:How 8-bit MCUs enable smart farm technology,By Grace San Giacomo)

活動簡介

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