無線技術(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)民實時跟蹤他們的土地狀況，并更有戰(zhàn)略地用水。水是人類和我們消費的農(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)是配備傳感器的對象網(wǎng)絡(luò)，因此它們可以通過互聯(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駕駛汽車。
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，它涉及到無線地下通信、地下傳感和土壤天線等技術(shù)。這些系統(tǒng)幫助農(nóng)民實時跟蹤他們的土地狀況，并在需要的時間和地點準(zhǔn)確地施用水和其他投入物，例如化肥。

特別是，監(jiān)測土壤狀況對于幫助農(nóng)民更有效地利用水有很大的希望。傳感器現(xiàn)在可以無線集成到灌溉系統(tǒng)中，以提供對土壤濕度水平的實時感知。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。過去20年里，美國西部不斷發(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，水資源專家一直在測量土壤濕度，為水資源管理和灌溉決策提供信息。自動化技術(shù)已經(jīng)在很大程度上取代了手持式土壤濕度測量工具，因為在偏遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)現(xiàn)場，人工測量土壤濕度非常困難。

在過去的十年中，無線數(shù)據(jù)收集技術(shù)已經(jīng)開始提供對土壤濕度數(shù)據(jù)的實時訪問，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)是一個由無線電、天線和傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，可以收集田間作物和土壤的實時信息。為了方便數(shù)據(jù)收集，這些傳感器和天線與農(nóng)場設(shè)備進(jìn)行了無線連接。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個完整的框架，可以檢測農(nóng)田狀況，提出響應(yīng)行動建議，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)可以計劃灌溉，監(jiān)測環(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)分水平和識別害蟲。

將網(wǎng)絡(luò)置于地下的挑戰(zhàn)

無線數(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帶來挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)傳輸傳感器數(shù)據(jù)的天線被埋在土壤中時，它們的工作特性會急劇變化，這取決于土壤的濕潤程度。
農(nóng)民在田里使用重型設(shè)備，所以天線必須埋得足夠深，以避免損壞。當(dāng)土壤變濕時，水分會影響傳感器網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)之間的通信。土壤中的水會吸收信號能量，從而減弱系統(tǒng)發(fā)出的信號。密集的土壤也會阻礙信號的傳輸。
某研究室開發(fā)了一個理論模型和天線，通過改變工作頻率和系統(tǒng)帶寬來減少土壤對地下通信的影響。借助這種天線，放置在土壤表層的傳感器可以向距離長達(dá)650英尺的灌溉系統(tǒng)提供實時土壤狀況信息。
另一個改善土壤中無線通信的解決方案是使用定向天線將信號能量集中在所需的方向上。將能量導(dǎo)向空氣的天線也可以用于遠(yuǎn)程無線地下通信。

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)安全對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)越來越重要。農(nóng)場的網(wǎng)絡(luò)需要先進(jìn)的安全系統(tǒng)來保護(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自多個農(nóng)場的信息。通過這種方式匯總數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生關(guān)于用水等問題的更準(zhǔn)確的決策，同時保護(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)變化和作物生長周期可能會暫時改變農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運行條件。通過使用云計算和機(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)對周圍環(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)的一個問題。例如，許多研究人員在中心樞紐灌溉系統(tǒng)中集成了無線地下傳感器和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，但沒有高速互聯(lián)網(wǎng)接入的農(nóng)民無法安裝這種技術(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，可以幫助尚未實現(xiàn)寬帶連接的農(nóng)場。研究人員還在開發(fā)使用無人機(jī)的車載和移動農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺。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)。