【導讀】duixiandainongchangeryan，jishudejinbulibijiecun。liyongxiandainongyeheyuanyijishu
，keyizaigengxiaodegengzhongmianjishangshixiangengduodezuowuchanliang
，congermanzuriyizengchangderenkouxuqiu。raner，rujinnongchangchanchudexinxianshipindepinzhizaibuduanxiahua，ershuliangrengranbuzuyirangnongchangzhubaochiyingli。

duixiandainongchangeryan
，jishudejinbulibijiecun。liyongxiandainongyeheyuanyijishu，keyizaigengxiaodegengzhongmianjishangshixiangengduodezuowuchanliang
，congermanzuriyizengchangderenkouxuqiu。raner，rujinnongchangchanchudexinxianshipindepinzhizaibuduanxiahua，ershuliangrengranbuzuyirangnongchangzhubaochiyingli。

nongyebenshenfeichangbuwending。yuanyinzaiyu，meiniandechanlianghendachengdushangshoudaowaibuhuanjingdeyingxiang。weilemanzutigaonongyeyizhixinghekechixuxingdexuqiu
，xuyaojianglingyizhongxiandaijishuyingyongdaonongyezhong（圖1）。我們先來了解智能農場。

圖1. 農場主可以遠程監控作物和畜牧的健康狀況
，提供有價值的信息，確保農業的一致性

強(qiang)大(da)的(de)聯(lian)網(wang)畜(chu)牧(mu)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)有(you)助(zhu)於(yu)增(zeng)加(jia)健(jian)康(kang)動(dong)物(wu)的(de)數(shu)量(liang)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)食(shi)品(pin)質(zhi)量(liang)。利(li)用(yong)土(tu)壤(rang)和(he)植(zhi)物(wu)健(jian)康(kang)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)，農(nong)場(chang)主(zhu)能(neng)夠(gou)在(zai)前(qian)所(suo)未(wei)有(you)的(de)細(xi)節(jie)水(shui)平(ping)上(shang)監(jian)控(kong)作(zuo)物(wu)的(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況(kuang)。借(jie)助(zhu)當(dang)今(jin)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)聯(lian)網(wang)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)

，未(wei)來(lai)的(de)“智能農場”將擁有提高產量和利潤所需的各種工具和能力，同時仍然能夠滿足挑剔客戶的質量要求。

這些傳感器收集的信息可幫助指導農場主針對其農場製定最佳決策
，從而在減少水、農(nong)藥(yao)和(he)肥(fei)料(liao)用(yong)量(liang)的(de)同(tong)時(shi)，提(ti)高(gao)作(zuo)物(wu)和(he)畜(chu)牧(mu)的(de)生(sheng)產(chan)率(lv)。這(zhe)不(bu)但(dan)有(you)助(zhu)於(yu)降(jiang)低(di)農(nong)場(chang)對(dui)自(zi)然(ran)環(huan)境(jing)的(de)影(ying)響(xiang)，還(hai)能(neng)改(gai)良(liang)土(tu)地(di)質(zhi)量(liang)
，確(que)保(bao)子(zi)孫(sun)後(hou)代(dai)的(de)可(ke)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)。

嵌入式和無線技術的關鍵推動者

簡(jian)單(dan)地(di)說(shuo)，確(que)保(bao)現(xian)代(dai)農(nong)場(chang)可(ke)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)的(de)主(zhu)要(yao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)向(xiang)農(nong)場(chang)主(zhu)提(ti)供(gong)有(you)用(yong)的(de)信(xin)息(xi)。由(you)於(yu)當(dang)今(jin)嵌(qian)入(ru)式(shi)和(he)無(wu)線(xian)技(ji)術(shu)的(de)創(chuang)新(xin)
，可(ke)通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)大(da)量(liang)低(di)成(cheng)本(ben)聯(lian)網(wang)傳(chuan)感(gan)器(qi)陣(zhen)列(lie)來(lai)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)目(mu)標(biao)。這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)監(jian)控(kong)農(nong)田(tian)或(huo)畜(chu)牧(mu)的(de)各(ge)種(zhong)現(xian)場(chang)狀(zhuang)況(kuang)，包(bao)括(kuo)溫(wen)度(du)、pH值
、濕度、活動數據和GPS坐標。接下來，這些傳感器通過4G/5G蜂窩和LoRa等無線通信網絡將上述數據傳輸到通常基於雲的集中式數據庫。

之zhi後hou，可ke以yi通tong過guo任ren意yi聯lian網wang設she備bei在zai線xian訪fang問wen這zhe些xie數shu據ju，並bing對dui其qi進jin行xing快kuai速su分fen析xi以yi確que定ding是shi否fou需xu要yao采cai取qu糾jiu正zheng措cuo施shi。這zhe樣yang

，農nong場chang主zhu便bian可ke從cong世shi界jie任ren何he地di方fang訪fang問wen農nong場chang的de分fen析xi結jie果guo。

聯網傳感器節點並非新概念
；但dan是shi，為wei了le確que保bao在zai這zhe種zhong獨du特te的de嚴yan苛ke環huan境jing下xia保bao持chi足zu夠gou的de性xing能neng和he可ke靠kao性xing
，必bi須xu滿man足zu一yi些xie關guan鍵jian要yao求qiu。首shou先xian
，需xu要yao可ke靠kao的de電dian源yuan，這zhe個ge挑tiao戰zhan很hen難nan解jie決jue，因yin為wei農nong場chang一yi般ban不bu會hui配pei備bei長chang達da1000英尺的延長線。

節點需采用電池供電
，並且能效必須足夠高
，可以在不更換電池的情況下使用數月甚至數年。為應對這一挑戰，需要利用基於單片機（MCU）的係統來實現極高的係統效率
，這種係統隻需較低的核心CPU使用率即可管理各種複雜任務，而且在係統不工作時不會斷電。

其qi次ci
，智zhi能neng農nong場chang中zhong的de傳chuan感gan器qi節jie點dian需xu要yao在zai惡e劣lie的de偏pian遠yuan地di區qu保bao持chi可ke操cao作zuo性xing，甚shen至zhi會hui安an裝zhuang到dao動dong物wu身shen上shang。就jiu整zheng個ge係xi統tong而er言yan，需xu要yao采cai用yong既ji實shi用yong又you創chuang新xin的de解jie決jue方fang案an才cai能neng確que保bao穩wen定ding性xing和he功gong能neng性xing。節jie點dian需xu要yao長chang時shi間jian保bao留liu在zai現xian場chang，並bing且qie需xu要yao極ji少shao的de硬ying件jian維wei護hu。所suo有you軟ruan件jian更geng新xin都dou需xu要yao以yi遠yuan程cheng方fang式shi安an全quan完wan成cheng。為wei滿man足zu這zhe種zhong需xu求qiu，需xu要yao在zai農nong場chang現xian場chang通tong過guo最zui常chang見jian的de廣guang域yu網wang（WAN）基礎設施提供可靠的遠程連接。

zaishejiyongyuzhinengnongchangyingyongdelianwangxitongshi，gongchengshibixukaolvdaoshoujiankongzhiwuhedongwudeduoyangxing。zhiwujiankangjiankongxitongkeyicelianggezhonghuanjingtiaojian，baokuoshuiwei、土壤條件
、pH值和光照水平

，而畜牧跟蹤係統則需要包含GPS坐標

、步態監視器、脈搏血氧儀和監控關鍵健康數據點的其他傳感器。

針(zhen)對(dui)任(ren)意(yi)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang)，理(li)想(xiang)的(de)商(shang)用(yong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)都(dou)是(shi)通(tong)用(yong)的(de)基(ji)礎(chu)節(jie)點(dian)設(she)計(ji)，直(zhi)接(jie)購(gou)買(mai)采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)的(de)產(chan)品(pin)即(ji)可(ke)滿(man)足(zu)個(ge)別(bie)農(nong)場(chang)的(de)需(xu)求(qiu)。為(wei)實(shi)現(xian)此(ci)目(mu)標(biao)，基(ji)礎(chu)節(jie)點(dian)必(bi)須(xu)足(zu)夠(gou)靈(ling)活(huo)
，以(yi)便(bian)與(yu)各(ge)種(zhong)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)接(jie)口(kou)。

buguo，haiyoulingyigegengkunnandeshejitiaozhan，shejidaoxuyaozaicileixitongzhongyingyongdegezhonggongchengxueke。duiyuzhinengnongchangzujianshejirenyuanhuogongchengtuanduilaishuo，chulejingtongyunjichusheshiwai
，tamenhaixuyaozaichuantongqianrushishejijishu、射頻通信（包括LoRa、Wi-Fi和蜂窩拓撲的全部細節）以及網絡安全方麵擁有專家級經驗。

8位MCU登場

要擴展智能農場的基礎設施
，首先從探討前沿應用時考慮不到的方麵開始。由於智能農場裏的絕大多數傳感器節點都采用電池供電、支持遠程定位且偶爾需要維護，因此要實現最佳的控製解決方案，必須采用全球最節能的單片機。

8位MCU擁有50餘yu年nian的de曆li史shi，雖sui然ran它ta們men一yi直zhi是shi大da多duo數shu低di功gong耗hao嵌qian入ru式shi任ren務wu的de選xuan擇ze，但dan最zui新xin款kuan器qi件jian已yi加jia入ru許xu多duo現xian代dai特te性xing，可ke以yi直zhi接jie滿man足zu智zhi能neng農nong業ye和he園yuan藝yi係xi統tong的de需xu求qiu。在zai許xu多duo新xin功gong能neng中zhong
，PIC®和AVR®單片機上獨立於內核的外設（CIP）是嵌入式設計的“增強器”。

CIP可以獨立於芯片的CPU工作
，這樣一來，設計人員便可將它們設置為在最低功耗模式下處理常見的重複性任務。在低維護環境下，CIP還能提供另一項優勢
，即幫助設計人員提高係統可靠性。由於經過編程後，CIP可以起到類似於MCU中的微型FPGA的作用，因此能夠有效避免堆棧上溢或下溢等軟件偏差。

使用同一個聯網基礎節點控製器與各種數字和模擬傳感器接口可能頗具挑戰。幸運的是，有一些現代MCU可滿足這類特殊應用的需求，同時最大限度地減少外部組件。此類MCU提供用於數字傳感器連接的SPI和I2C接口，以及帶可編程增益放大器（PGA）的差分模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC），可實現極高的傳感器靈活性（圖2）。利用這些特性，設計人員能夠針對智能農場應用自由構建高度可定製的模塊化傳感器節點。

圖2. 體積小
、效率高的MCU是確保智能農業可持續發展的關鍵

隨著MCU架構的現代化
，其配套開發硬件和軟件環境也逐漸發展成熟。對於小型公司的工程團隊而言
，嵌入式係統、射she頻pin天tian線xian設she計ji和he雲yun連lian接jie並bing非fei核he心xin競jing爭zheng力li，快kuai速su原yuan型xing設she計ji板ban才cai是shi靈ling丹dan妙miao藥yao。原yuan型xing設she計ji板ban為wei設she計ji人ren員yuan提ti供gong了le簡jian單dan的de參can考kao示shi例li，甚shen至zhi包bao括kuo可ke與yu最zui常chang見jian的de雲yun提ti供gong商shang連lian接jie的deGitHub資源庫和固件。

遠程傳感器技術

dangjindenongyeheyuanyiyezhengzaijingliyichangjishugeming。tongguohulianwangshishifangwenzhiwuhedongwujiankangshujuzhengzaibiangenongchangdeyunyingfangshi，dailaidejieguoshitigaolechanliangbingzengqiangletudidehuoli（圖3）。

圖3. 利用采用8位MCU的遠程傳感器技術監控農場健康狀況，確保作物獲得必要的照料以茁壯成長

這場革命的前沿是“隨處可用”的雲連接，但其基礎仍然是使用成熟的8位單片機構建的。無論現在還是未來，對於可持續性增強型產品的開發人員而言
，現代化MCU架構（如具有CIP的AVR和PIC）都將是在傳感器和雲之間架起橋梁的關鍵組件。

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