智慧農業，也稱為精準農業，使農民可以使用最少的資源（例如水，肥料和種子）來實現最大化產量。通過部署傳感器和測繪田地，農民可以開始從微觀角度了解他們的農作物，節約資源并減少對環境的影響。智能農業的歷史可以追溯到1980年代，當時全球民用定位系統（GPS）的功能變得可以使用。一旦農民能夠準確繪制出他們的耕地圖，他們就可以僅在需要的地方監測和施肥和除草。
在1990年代，早期的精準農業用戶采用了作物產量監測來產生肥料和pH校正建議。由于可以測量更多的變量并將其輸入到作物模型中，因此對于肥料的施用，澆水甚至收獲高峰產量的建議更加準確，
在本文中，我們將探討如何將傳感技術整合到現代大型農業綜合企業中，以提高農業產量以造福世界。
一、農業傳感器
精確農業中使用了許多傳感技術，它們提供的數據可幫助農民監測和優化農作物，并適應不斷變化的環境因素，其中包括：
位置傳感器使用來自GPS衛星的信號來確定英尺內的緯度，經度和高度。三角定位至少需要三顆衛星。精確定位是精準農業的基石。
光學傳感器使用光來測量土壤特性。傳感器在近紅外，中紅外和偏振光譜中測量不同頻率的光反射率，可以放置在諸如無人機甚至衛星之類的車輛或高空平臺上來測量下方的土壤。土壤反射率和植物顏色數據只是光學傳感器的兩個變量，可以進行匯總和處理。目前已經開發出光學傳感器來確定土壤中的粘土，有機物和水分含量。例如，Vishay提供了數百個光電探測器和光電二極管，這是光學傳感器的基本構建塊。
電化學傳感器可提供精密農業所需的關鍵信息：pH和土壤養分水平。傳感器電極通過檢測土壤中的特定離子來工作。當前，安裝在專門設計的“滑板”上的傳感器可幫助收集，處理和繪制土壤化學數據。
機械傳感器可測量土壤壓實度或“機械阻力”。傳感器使用一個探頭，該探頭可穿透土壤并通過稱重傳感器或應變儀記錄電阻。這種技術的類似形式用于大型拖拉機，以預測地面接合設備的牽引要求。像霍尼韋爾 FSG15N1A一樣的張力計可檢測根系在吸水過程中所使用的力，這對于灌溉干預非常有用。
介電土壤濕度傳感器通過測量土壤中的介電常數（電特性隨存在的水分含量而變化）來評估水分含量。
氣流傳感器測量土壤的透氣性。測量可以在單個位置進行，也可以在運動時動態進行。期望的輸出是將預定量的空氣以預定深度推入地面所需的壓力。各種類型的土壤特性，包括壓實度，結構，土壤類型和濕度，都會產生獨特的識別特征。
農業氣象站是獨立的單元，被放置在整個田地的各個位置。這些站結合了適合當地農作物和氣候的傳感器。以預定的間隔測量并記錄諸如氣溫，各種深度的土壤溫度，降雨量，葉片濕度，葉綠素，風速，露點溫度，風向，相對濕度，太陽輻射和大氣壓力等信息。這些數據被編譯并以編程的時間間隔無線發送到中央數據記錄器。它們的便攜性和價格下降使氣象站對各種規模的農場都具有吸引力。
二、傳感器輸出數據在精確耕作上的應用
傳感技術可提供可操作的數據，以根據需要進行處理和實施，以優化作物產量，同時將對環境的影響降至最低。以下是精確耕作利用此數據的幾種方法：
產量監測系統安裝在農作物收割機上，例如聯合收割機和玉米收割機。它們可以通過測量，記錄到30厘米以內的時間，距離或GPS位置來提供農作物的增重產量。
產量映射使用安裝在收割設備上的GPS傳感器的空間坐標數據。產量監控數據與坐標相結合以創建產量圖。
可變速率肥料應用工具使用產量圖以及可能通過著色確定的植物健康的光學調查來控制粒狀，液態和氣態肥料。可變速率控制器既可以手動控制，也可以使用由真實GPS位置引導的車載計算機自動控制。
雜草制圖目前通過GPS接收器和數據記錄儀快速標記位置，從而使用操作員的解釋和輸入來生成地圖。然后，雜草的出現可以與產量圖，肥料圖和噴霧圖重疊。隨著視覺識別系統的改進，手動輸入將很快被安裝在工作設備上的自動化視覺系統所取代。
可變噴涂控制器可打開和關閉除草劑噴桿，并自定義噴灑量（和混合量）。一旦確定了雜草的位置并繪制了地圖，就可以確定噴霧的量和混合量。
可以使用高精度GPS記錄地形和邊界，從而可以對任何領域進行非常精確的地形表示。這些精度圖在解釋產量圖和雜草圖時很有用。可以精確定位田間邊界，現有道路和濕地，以幫助進行農場規劃。
用鹽度計在拖曳受鹽度影響的田間的雪橇上用鹽度計完成鹽度映射。鹽度映射可以解釋新出現的問題以及鹽度隨時間的變化。
引導系統可以使用GPS將移動的車輛準確地定位在30厘米或更短的范圍內。引導系統取代了傳統的噴涂或播種設備。自動駕駛汽車目前正在開發中，很可能會在不久的將來投入使用。
大規模耕作在精確耕作的實踐中早已立足。昂貴的傳感器，基礎設施和處理設備只能由具有足夠資本可用于投資的農業綜合企業現實地使用。那些投資精耕細作的人在作物產量方面獲得了可觀的回報。
三、傳感器在“小型”農業的擴展應用
在美國，小型農場（包括有機農場和傳統農場）占近200萬個農場的91％。僅在美國就有一個潛在的180萬個小型農場的市場，開發商和設計師已經注意到通過整合較小規模的精確耕作技術所帶來的機遇。智能手機傳感器和應用程序以及小型機械使小型農場可以利用精密農業技術。
智能手機工具
僅智能手機就有幾種工具可以適應農業應用。例如，農作物和土壤的觀測結果可以以快照圖片，精確定位，土壤顏色，水，植物葉子和光照特性的形式記錄下來。表1列出了一些可用于收集數據的電話內工具：
現有智能手機工具的農業用途：
智能手機應用
許多智能手機應用程序已開始結合物聯網（IoT）理想，數據聚合和快速處理的功能，以向小農戶提供有關播種，除草，施肥和澆水的最新可行信息。這些應用程序從手持式傳感器，遠程傳感器和氣象站收集數據，從而創建深入的分析和有價值的建議。已經針對小型農民開發了幾種應用程序：
疾病檢測與診斷：可以將可疑植物的照片轉發給專家進行分析。
肥料計算器：土壤傳感器和葉子的顏色可以確定所需的養分。
土壤研究：捕獲土壤圖像以及傳感器的pH值和化學數據，使農民可以監視和適應不斷變化的土壤條件。
水研究：通過照片和亮度記錄確定葉面積指數可以幫助農民確定水需求。
作物收成就緒：使用紫外線和白光拍攝的相機照片可以準確預測成熟度。
當專業應用程序通過分析土壤，作物，雜草和病蟲害變量來提高農場生產率，并為農業決策提供有價值的反饋時，小農的生活質量將得到顯著改善。
小型機械
制造商也在尋找專門針對小型農場的解決方案，例如" Rowbot"，它可以施肥，覆蓋雜草并播種種子來種植農作物。與傳統的耕作設備相比，Rowbot體積小得多，而且靈活得多，它可以安裝在農作物行之間，不會壓實土壤，并且可以分配微量的肥料。通過將機器聯網成“群”，可以擴大規模。
四、傳感器對全球農業的影響
在發展中國家，大約有5億個小農場生產的食品占消費量的80％以上。精準農業技術在全球范圍內變得越來越普及。新的手持設備可以測量植物和土壤的健康狀況，為農民提供準確計算肥料需求所需的信息。鑒于聯合國預測，到2050年，全球對糧食的需求將增長50％，因此將需要用于各種規模農場的精密農業技術。
解決大型和小型農場的問題并幫助農民滿足不斷增長的糧食需求并不是智能，精確農業所能提供的唯一解決方案。智慧農業還提供了許多其他好處，例如：
降低燃料和能源消耗，從而減少二氧化碳排放
通過優化氮肥用量減少從土壤釋放的一氧化二氮
通過明確肥料和病蟲害防治需求來減少化學藥品的使用
通過監測和管理土壤健康來消除養分消耗
通過減少設備流量來控制土壤壓實
最大限度地提高用水效率
結語
精準農業已經發展起來，可以滿足世界范圍內對食品的日益增長的需求，其使用的技術使收集和應用數據，適應不斷變化的環境條件以及最有效地利用資源變得更加簡單和便宜。盡管大型農場是最先采用這些技術的農場，但現在小型農場也可以使用智能電話中內置的工具，相關應用程序和小型機械來受益。而且，這些技術正在為解決方案做出貢獻，其解決方案不僅限于農場，還包括污染，全球變暖和保護。
精準農業的未來發展可能包括增加自動農用車的使用，以及從更智能，更小巧的無人機和無人地面車輛（分別為UAV和UGV）獲得更好的無線數據傳輸和采集。除了監視作物和土壤狀況之外，這些較小的車輛還可以監視農業設備的狀態，從而使農民可以改善機器的維修和保養。總體而言，在工業制造領域獲得的過程改進將繼續進入農業。
在1990年代，早期的精準農業用戶采用了作物產量監測來產生肥料和pH校正建議。由于可以測量更多的變量并將其輸入到作物模型中，因此對于肥料的施用，澆水甚至收獲高峰產量的建議更加準確，
在本文中，我們將探討如何將傳感技術整合到現代大型農業綜合企業中，以提高農業產量以造福世界。
一、農業傳感器
精確農業中使用了許多傳感技術，它們提供的數據可幫助農民監測和優化農作物，并適應不斷變化的環境因素，其中包括：
位置傳感器使用來自GPS衛星的信號來確定英尺內的緯度，經度和高度。三角定位至少需要三顆衛星。精確定位是精準農業的基石。
光學傳感器使用光來測量土壤特性。傳感器在近紅外，中紅外和偏振光譜中測量不同頻率的光反射率，可以放置在諸如無人機甚至衛星之類的車輛或高空平臺上來測量下方的土壤。土壤反射率和植物顏色數據只是光學傳感器的兩個變量，可以進行匯總和處理。目前已經開發出光學傳感器來確定土壤中的粘土，有機物和水分含量。例如，Vishay提供了數百個光電探測器和光電二極管，這是光學傳感器的基本構建塊。
電化學傳感器可提供精密農業所需的關鍵信息：pH和土壤養分水平。傳感器電極通過檢測土壤中的特定離子來工作。當前，安裝在專門設計的“滑板”上的傳感器可幫助收集，處理和繪制土壤化學數據。
機械傳感器可測量土壤壓實度或“機械阻力”。傳感器使用一個探頭，該探頭可穿透土壤并通過稱重傳感器或應變儀記錄電阻。這種技術的類似形式用于大型拖拉機，以預測地面接合設備的牽引要求。像霍尼韋爾 FSG15N1A一樣的張力計可檢測根系在吸水過程中所使用的力，這對于灌溉干預非常有用。
介電土壤濕度傳感器通過測量土壤中的介電常數（電特性隨存在的水分含量而變化）來評估水分含量。
氣流傳感器測量土壤的透氣性。測量可以在單個位置進行，也可以在運動時動態進行。期望的輸出是將預定量的空氣以預定深度推入地面所需的壓力。各種類型的土壤特性，包括壓實度，結構，土壤類型和濕度，都會產生獨特的識別特征。
農業氣象站是獨立的單元，被放置在整個田地的各個位置。這些站結合了適合當地農作物和氣候的傳感器。以預定的間隔測量并記錄諸如氣溫，各種深度的土壤溫度，降雨量，葉片濕度，葉綠素，風速，露點溫度，風向，相對濕度，太陽輻射和大氣壓力等信息。這些數據被編譯并以編程的時間間隔無線發送到中央數據記錄器。它們的便攜性和價格下降使氣象站對各種規模的農場都具有吸引力。
二、傳感器輸出數據在精確耕作上的應用
傳感技術可提供可操作的數據，以根據需要進行處理和實施，以優化作物產量，同時將對環境的影響降至最低。以下是精確耕作利用此數據的幾種方法：
產量監測系統安裝在農作物收割機上，例如聯合收割機和玉米收割機。它們可以通過測量，記錄到30厘米以內的時間，距離或GPS位置來提供農作物的增重產量。
產量映射使用安裝在收割設備上的GPS傳感器的空間坐標數據。產量監控數據與坐標相結合以創建產量圖。
可變速率肥料應用工具使用產量圖以及可能通過著色確定的植物健康的光學調查來控制粒狀，液態和氣態肥料。可變速率控制器既可以手動控制，也可以使用由真實GPS位置引導的車載計算機自動控制。
雜草制圖目前通過GPS接收器和數據記錄儀快速標記位置，從而使用操作員的解釋和輸入來生成地圖。然后，雜草的出現可以與產量圖，肥料圖和噴霧圖重疊。隨著視覺識別系統的改進，手動輸入將很快被安裝在工作設備上的自動化視覺系統所取代。
可變噴涂控制器可打開和關閉除草劑噴桿，并自定義噴灑量（和混合量）。一旦確定了雜草的位置并繪制了地圖，就可以確定噴霧的量和混合量。
可以使用高精度GPS記錄地形和邊界，從而可以對任何領域進行非常精確的地形表示。這些精度圖在解釋產量圖和雜草圖時很有用。可以精確定位田間邊界，現有道路和濕地，以幫助進行農場規劃。
用鹽度計在拖曳受鹽度影響的田間的雪橇上用鹽度計完成鹽度映射。鹽度映射可以解釋新出現的問題以及鹽度隨時間的變化。
引導系統可以使用GPS將移動的車輛準確地定位在30厘米或更短的范圍內。引導系統取代了傳統的噴涂或播種設備。自動駕駛汽車目前正在開發中，很可能會在不久的將來投入使用。
大規模耕作在精確耕作的實踐中早已立足。昂貴的傳感器，基礎設施和處理設備只能由具有足夠資本可用于投資的農業綜合企業現實地使用。那些投資精耕細作的人在作物產量方面獲得了可觀的回報。
三、傳感器在“小型”農業的擴展應用
在美國，小型農場（包括有機農場和傳統農場）占近200萬個農場的91％。僅在美國就有一個潛在的180萬個小型農場的市場，開發商和設計師已經注意到通過整合較小規模的精確耕作技術所帶來的機遇。智能手機傳感器和應用程序以及小型機械使小型農場可以利用精密農業技術。
智能手機工具
僅智能手機就有幾種工具可以適應農業應用。例如，農作物和土壤的觀測結果可以以快照圖片，精確定位，土壤顏色，水，植物葉子和光照特性的形式記錄下來。表1列出了一些可用于收集數據的電話內工具：
現有智能手機工具的農業用途：
智能手機應用
許多智能手機應用程序已開始結合物聯網（IoT）理想，數據聚合和快速處理的功能，以向小農戶提供有關播種，除草，施肥和澆水的最新可行信息。這些應用程序從手持式傳感器，遠程傳感器和氣象站收集數據，從而創建深入的分析和有價值的建議。已經針對小型農民開發了幾種應用程序：
疾病檢測與診斷：可以將可疑植物的照片轉發給專家進行分析。
肥料計算器：土壤傳感器和葉子的顏色可以確定所需的養分。
土壤研究：捕獲土壤圖像以及傳感器的pH值和化學數據，使農民可以監視和適應不斷變化的土壤條件。
水研究：通過照片和亮度記錄確定葉面積指數可以幫助農民確定水需求。
作物收成就緒：使用紫外線和白光拍攝的相機照片可以準確預測成熟度。
當專業應用程序通過分析土壤，作物，雜草和病蟲害變量來提高農場生產率，并為農業決策提供有價值的反饋時，小農的生活質量將得到顯著改善。
小型機械
制造商也在尋找專門針對小型農場的解決方案，例如" Rowbot"，它可以施肥，覆蓋雜草并播種種子來種植農作物。與傳統的耕作設備相比，Rowbot體積小得多，而且靈活得多，它可以安裝在農作物行之間，不會壓實土壤，并且可以分配微量的肥料。通過將機器聯網成“群”，可以擴大規模。
四、傳感器對全球農業的影響
在發展中國家，大約有5億個小農場生產的食品占消費量的80％以上。精準農業技術在全球范圍內變得越來越普及。新的手持設備可以測量植物和土壤的健康狀況，為農民提供準確計算肥料需求所需的信息。鑒于聯合國預測，到2050年，全球對糧食的需求將增長50％，因此將需要用于各種規模農場的精密農業技術。
解決大型和小型農場的問題并幫助農民滿足不斷增長的糧食需求并不是智能，精確農業所能提供的唯一解決方案。智慧農業還提供了許多其他好處，例如：
降低燃料和能源消耗，從而減少二氧化碳排放
通過優化氮肥用量減少從土壤釋放的一氧化二氮
通過明確肥料和病蟲害防治需求來減少化學藥品的使用
通過監測和管理土壤健康來消除養分消耗
通過減少設備流量來控制土壤壓實
最大限度地提高用水效率
結語
精準農業已經發展起來，可以滿足世界范圍內對食品的日益增長的需求，其使用的技術使收集和應用數據，適應不斷變化的環境條件以及最有效地利用資源變得更加簡單和便宜。盡管大型農場是最先采用這些技術的農場，但現在小型農場也可以使用智能電話中內置的工具，相關應用程序和小型機械來受益。而且，這些技術正在為解決方案做出貢獻，其解決方案不僅限于農場，還包括污染，全球變暖和保護。
精準農業的未來發展可能包括增加自動農用車的使用，以及從更智能，更小巧的無人機和無人地面車輛（分別為UAV和UGV）獲得更好的無線數據傳輸和采集。除了監視作物和土壤狀況之外，這些較小的車輛還可以監視農業設備的狀態，從而使農民可以改善機器的維修和保養。總體而言，在工業制造領域獲得的過程改進將繼續進入農業。
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