作者：Microchip Technology Inc. 資深產(chǎn)品營(yíng)銷工程師 Aloke Barua

環(huán)境監(jiān)測(cè)是云和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）服務(wù)最有前景的商業(yè)應(yīng)用之一，這種技術(shù)有助于形成穩(wěn)定的室內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境，從而推進(jìn)水果、堅(jiān)果、蔬菜和草藥等非本土作物的本土化種植。云連接的IoT網(wǎng)絡(luò)能夠推動(dòng)高效的收獲前和收獲后管理系統(tǒng)在園藝業(yè)和室內(nèi)種植領(lǐng)域的應(yīng)用，從而促進(jìn)具有道德性和可持續(xù)性并最終實(shí)現(xiàn)盈利的大規(guī)模可控環(huán)境農(nóng)業(yè)（CEA）產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展。這些系統(tǒng)利用IoT傳感器持續(xù)測(cè)量和報(bào)告環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)可在需要調(diào)整時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的操作或命令。種植者需要了解確定和部署這些系統(tǒng)的最佳實(shí)踐（包括采用加密和身份驗(yàn)證技術(shù)的關(guān)鍵需求），從而防止黑客破壞操作或竊取有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

本土化室內(nèi)種植案例

在探索如何開發(fā)云連接的本土化種植系統(tǒng)之前，首先需要了解室內(nèi)種植的潛在優(yōu)勢(shì)。室內(nèi)種植具有如下三項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)：

1.  提高農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)能力 

對(duì)于特定地區(qū)的非本土水果、堅(jiān)果、蔬菜和草藥，如果可以在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行本土化種植，將會(huì)快速、有效地解決全球?qū)@些作物的需求。同時(shí)，還有助于縮短食物里程，雖然可能并不能降低運(yùn)營(yíng)的碳密集度，但確實(shí)有助于提高農(nóng)產(chǎn)品安全性和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)能力，因?yàn)闊o(wú)需將農(nóng)產(chǎn)品從其他地區(qū)長(zhǎng)途運(yùn)輸過(guò)來(lái)。  此外，還會(huì)帶來(lái)其他優(yōu)勢(shì)，如延長(zhǎng)生長(zhǎng)季節(jié)使特定糧食作物在一年的12個(gè)月中都有供應(yīng)，以及能夠在全球氣候條件不穩(wěn)定的情況下保持全球糧食的高效生產(chǎn)等。

2. 減少棲息地破壞

推進(jìn)CEA或非糧食作物的室內(nèi)種植還可以減少對(duì)棲息地的破壞。雖然可能存在爭(zhēng)議，但有充分的理由表明，人們往往忽視農(nóng)業(yè)對(duì)棲息地和環(huán)境造成的威脅，因?yàn)槿藗兏雨P(guān)注土地開發(fā)和伐木業(yè)對(duì)森林造成的破壞。世界自然基金會(huì)（WWF）的數(shù)據(jù)顯示，“全球每年減少的森林面積為1870萬(wàn)英畝”（基于前三大破壞者的數(shù)據(jù)），“全球約50%的棲息用地已轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)用地”。土地主要用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)、大規(guī)模農(nóng)耕作業(yè)以及種植供人們食用的蔬菜與谷物，其中三分之一以上的土地專門用于種植玉米、大麥、燕麥、高粱和大豆等畜牧飼料作物。人們?cè)絹?lái)越清楚地認(rèn)識(shí)到，消耗大量土地資源的耕作技術(shù)不具可持續(xù)性。

3. 培養(yǎng)更健康的飲食習(xí)慣

除了減少傳統(tǒng)耕作技術(shù)對(duì)土地的需求外，CEA和室內(nèi)種植還有助于培養(yǎng)更健康的飲食習(xí)慣。醫(yī)學(xué)界公認(rèn)的觀點(diǎn)是，雖然人類是雜食性動(dòng)物，但偏向于混合食用植物、水果和堅(jiān)果同時(shí)減少肉類攝入的飲食習(xí)慣更有益于健康。廣泛采用這種飲食習(xí)慣，可以大幅減少畜牧飼料產(chǎn)量，從而促進(jìn)全球人口在根本上向具有可持續(xù)性的生活方式轉(zhuǎn)變。此外，這種飲食習(xí)慣還有助于減少牲畜飼養(yǎng)量，進(jìn)而減少食品運(yùn)輸需求和溫室氣體（GHG）排放。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，全球畜牧業(yè)產(chǎn)生的GHG排放量占所有人為GHG排放量的14.5%。

目前，大規(guī)模CEA和室內(nèi)種植尚處于起步階段。雖然在大面積土地上部署溫室等室內(nèi)結(jié)構(gòu)更為常見(jiàn)，但越來(lái)越趨向于建設(shè)定制的垂直農(nóng)業(yè)設(shè)施，包括重新利用多層廠房或倉(cāng)庫(kù)等。這類設(shè)施有助于更加高效、務(wù)實(shí)地利用不動(dòng)產(chǎn)和土地來(lái)種植非糧食作物。垂直農(nóng)業(yè)設(shè)施同樣非常適合飼養(yǎng)家禽，提供可能更具可行性的肉類來(lái)源。

大規(guī)模采用CEA和室內(nèi)種植需要滿足一些先決條件。復(fù)制和保持自然條件要求種植者定期監(jiān)測(cè)溫度、人工照明、室內(nèi)濕度和土壤濕度等參數(shù)，在水培/氣培的情況下，還需要監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)液成分。重要生產(chǎn)者將會(huì)選擇許多具有封閉環(huán)境的建筑物，每個(gè)建筑物都必須針對(duì)上述生長(zhǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化。這就需要使用一個(gè)或多個(gè)云連接的傳感器持續(xù)測(cè)量環(huán)境參數(shù)水平隨時(shí)間的變化，并將數(shù)據(jù)報(bào)告給中央監(jiān)測(cè)站。

系統(tǒng)部署的最佳實(shí)踐

首先，要?jiǎng)?chuàng)建本土或非本土室外條件日志，作為在需要時(shí)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行必要調(diào)整的基準(zhǔn)。

接下來(lái)，必須確定要部署的網(wǎng)絡(luò)類型。隨著連接傳感器的IoT的可用性不斷提高，部署由中央集線器或網(wǎng)關(guān)管理的網(wǎng)絡(luò)來(lái)與本地控制器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信（見(jiàn)圖1）非常實(shí)用。數(shù)據(jù)通過(guò)控制器上傳至云端，以便進(jìn)行進(jìn)一步分析。云可以是專有云，也可以是由傳統(tǒng)或新興提供商提供的云服務(wù)。

圖1：IoT生態(tài)系統(tǒng)的典型實(shí)現(xiàn)方案

如果種植者認(rèn)為沒(méi)有必要，可以選擇不對(duì)傳感器數(shù)據(jù)做出即時(shí)反應(yīng)。在這種情況下，可以通過(guò)云端在可接受的時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)出命令或操作。但是，如需盡量縮短發(fā)出傳感器數(shù)據(jù)與中央計(jì)算機(jī)發(fā)出操作或命令之間的延時(shí)甚至實(shí)現(xiàn)零延時(shí)，種植者/生產(chǎn)者可以在中間采取相應(yīng)措施，即在網(wǎng)關(guān)和云之間使用邊緣控制器來(lái)縮短從分析到操作的時(shí)間。基本上，環(huán)境參數(shù)控制得越精確，作物生長(zhǎng)得越好。

邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)方案可分為后端部分和前端部分，每一部分都對(duì)優(yōu)化封閉環(huán)境下的作物生產(chǎn)發(fā)揮著重要作用。后端部分包含邊緣計(jì)算和云計(jì)算組件，而前端部分包含傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)組件。隨著IoT實(shí)現(xiàn)方案不斷增多以及在各行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，為提供支持該解決方案架構(gòu)所需的所有組件，由硬件供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商組成的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其中一個(gè)非常重要的元素，因?yàn)樗鼘⒉渴鹪谧罱咏魑锏奈恢茫糜诒O(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)環(huán)境并收集相關(guān)數(shù)據(jù)，然后傳輸至網(wǎng)關(guān)。同時(shí)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)眾多，務(wù)必要確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)都簡(jiǎn)單、可靠、易于維護(hù)、以極低的功耗運(yùn)行從而延長(zhǎng)電池使用壽命，并且能夠通過(guò)各種無(wú)線連接方法與網(wǎng)關(guān)并最終與云服務(wù)供應(yīng)商進(jìn)行通信。

首選的無(wú)線連接方案是藍(lán)牙低功耗（BLE）或新的802.11ah低功耗Wi-Fi®標(biāo)準(zhǔn)。這將確保解決方案可以在免許可頻段運(yùn)行，并且能夠跨典型的10到100米（m）室內(nèi)種植距離進(jìn)行通信。802.11ah標(biāo)準(zhǔn)的傳輸距離最長(zhǎng)，可達(dá)1千米（km）。BLE和802.11ah Wi-Fi®的數(shù)據(jù)傳輸速率分別為10 kbps（千比特每秒）–10 Mbps以及50 kbps –100 kbps，能夠?yàn)閭鬏斔铚y(cè)量的各種參數(shù)數(shù)據(jù)提供充足的帶寬。

此外，傳感器節(jié)點(diǎn)還必須具有強(qiáng)大的安全性。與任何行業(yè)一樣，將有許多農(nóng)場(chǎng)主或大型企業(yè)集團(tuán)涉足大規(guī)模室內(nèi)種植或CEA行業(yè)。任何能夠幫助供應(yīng)商獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的信息都會(huì)帶來(lái)更高的收入和利潤(rùn)。人們已廣泛認(rèn)識(shí)到，不法分子有意圖并有能力入侵無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，獲取可帶來(lái)這種優(yōu)勢(shì)的數(shù)據(jù)。若要降低風(fēng)險(xiǎn)，最佳方法是使用基于硬件的解決方案，這種解決方案可以對(duì)數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加密和身份驗(yàn)證。固件或軟件方案被普遍認(rèn)為容易受到黑客攻擊。

傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)人員和制造商將基于硅解決方案打造其產(chǎn)品，以此確保完成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)易于使用、具有模塊化結(jié)構(gòu)且可更新，同時(shí)能夠以低功耗模式運(yùn)行，具有強(qiáng)大的安全性并且可以靈活地支持所需的無(wú)線連接方案。此外，這些供應(yīng)商還積極與重要的云服務(wù)提供商開展合作。如果必須采用云不可知（cloud-agnostic）解決方案，則供應(yīng)商應(yīng)能夠?qū)鉀Q方案進(jìn)行配置，以便其與具有所有必備功能的專有云進(jìn)行通信。

Microchip Technology提供的Google Cloud IoT內(nèi)核開發(fā)平臺(tái)（見(jiàn)圖2和圖3）即為這類解決方案的一個(gè)示例。這些開發(fā)板將單片機(jī)、安全元件和經(jīng)過(guò)全面認(rèn)證的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)控制器集于一身，提供了一種極為簡(jiǎn)單、有效的方法來(lái)將傳感器節(jié)點(diǎn)連接到Google Cloud IoT內(nèi)核平臺(tái)。用戶可以直接連接到預(yù)先配置有免費(fèi)沙盒帳戶或虛擬測(cè)試環(huán)境的Google Cloud，以查看光照和溫度數(shù)據(jù)。使用MikroElektronika應(yīng)用廣泛的附加Click boards™，可以有選擇性地連接其他傳感器，從而輕松地將其他功能添加到設(shè)計(jì)中。

圖2：AVR-IoT WG開發(fā)板搭載功能強(qiáng)大的AVR®單片機(jī)（MCU）、安全元件和Wi-Fi®網(wǎng)絡(luò)控制器

圖3：PIC-IoT WG開發(fā)板搭載超低功耗（XLP）PIC® MCU、安全元件和Wi-Fi®網(wǎng)絡(luò)控制器

以更好的方式養(yǎng)活全球人口

相較于傳統(tǒng)的耕作方式，CEA和室內(nèi)種植有望在更小的地理區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)更加安全、可靠和高效的全球糧食生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)這一承諾需要依靠環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，在大規(guī)模應(yīng)用的情況下，該技術(shù)可為非本土作物提供穩(wěn)定的室內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境。其中最重要的技術(shù)就是傳感器網(wǎng)絡(luò)，它用于收集環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)皆贫嘶驅(qū)?shù)據(jù)從云端傳出以進(jìn)行處理和分析。領(lǐng)先的云服務(wù)提供商已經(jīng)推出快速開發(fā)解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些需求，從而提供了簡(jiǎn)單、靈活的方法來(lái)支持CEA和室內(nèi)種植的各種應(yīng)用。