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多传感器模块缓解室内农业设计挑战

助工
2018-12-06 10:11:12    评分

控制环境农业(CEA,也称为垂直农业,由于多层设施,容纳作物和基础设施)是一个有前途的利基。通过采用工业物联网(IIoT)并采用全封闭的气候控制环境来消除疾病,害虫或季节性天气变化等外部因素,绿叶蔬菜,草本植物和西红柿等植物的产量可以大幅增加。该技术不依赖于昂贵的耕地,因此适合在任何地方建立 - 包括城市社区的中心。  

垂直农业产生的高产量背后是一些领先的电子工程开发,包括无线传感器网状网络和云连接。基础设施对于CEA企业的成功至关重要,但由于设计,调试和配置的复杂和耗时,它增加了成本。建立所需的工程专业知识和购买当今CEA的成本限制了它对大型,丰富的组织的采用,并阻碍了技术向可能产生最大影响的地方的传播,例如在发展中国家。然而,电子产品制造商正在努力改变这一趋势,将多个传感器(这对于成功的垂直农业而言必不可少)整合到一个模块中,使其更容易实施并降低成本。

一个棘手的企业

虽然垂直农业正在获得动力,但由于这个全球CEA市场在2016年价值约为15亿美元,到2023年项目增长约64亿美元,因此其采用目前仅限于富裕国家,分析公司Statista报道。研究分析师MarketsandMarkets指出,中国,日本,新加坡,美国(美国)和荷兰是迄今为止最大的参与者。同样,尽管垂直农业所需的LED,无线传感器,互联网连接以及在线软件和硬件资源已经过验证和可访问,但大型商业实施很少见。相对稀缺的一个主要原因是CEA系统在设计和实施方面具有挑战性。

垂直农业的成功取决于农场环境的精确管理和维护。通过控制诸如光强度和波长,温度,湿度,气流和CO 2以及挥发性有机化合物(VOC)浓度等因素,监督者可以确保植物尽可能快地生长,同时保持其对消费者的美学,味道和营养价值。例如,研究表明恒定的空气运动(在恒定的蒸汽压力下)在0.3到0.5mps的范围内,可以使CO 2和水蒸气最佳地扩散到叶子中,从而有助于光合作用并最大限度地增加美味的绿叶蔬菜。     

这种对生长条件的精细管理需要监督基于计算机的闭环过程控制系统,该系统采用传感器将数据无线转发到设施中或远程位置的监控计算机。如果传感器读数检测到来自最佳扩散速率的漂移,则监控计算机可以对复位条件进行适当的调整,使其恢复到所需的水平。连通性确保系统保留所有数据,并可以使用它来计算哪些条件最适合特定工厂的增长。

例如,来自总部位于新泽西州纽瓦克的AeroFarms的CEA科学家每次收获时都会监测超过130,000个数据点。然后,技术人员将这些信息与预测分析结合起来,以审查,测试和增强下一次收获的增长系统。

CEA电子工程变得简单

用于单个变量的闭环,网络化无线传感器系统是实施的挑战,但是当控制扩展到决定CEA成功的多个变量时,难度显着增加。这些挑战包括:

  • 为大型传感器群的安装和维护提供资金,

  • 构建和验证基于传感器的系统和相关的网状网络,

  • 调试和配置多种传感器类型,

  • 确保跨大型网络的无冲突通信,以及

  • 管理广泛的传感器群体的电源。

针对这些CEA工程挑战的一种解决方案是以将多个传感器集成到单个模块上的模块的商业介绍的形式出现。产品,如TE连接AmbiMate传感器模块提供上的现成的连接印刷电路板(PCB)组件,其用于易于集成多个传感器到宿主产物。每个模块的结合四个核心传感器(即,运动,光,温度,湿度),而变体可以添加CO 2,VOC和声音(麦克风)的能力。

传感器连接到单个板载微处理器并利用单个电源。嵌入式微处理器配有I2C接口,可以相对简单地连接到无线收发器以进行数据传输。每个模块型号都采用相同的尺寸制造,使设计人员可以在必要时更换为不同的传感器组合。最后,板载传感器能够以CEA所需的精度测量参数。例如,温度和湿度传感器分别提供±0.3°C和±2%相对湿度(RH)测量精度,以及一秒采集速率(图1)。

图1: TE Connectivity的AmbiMate传感器模块MS4系列基于通用封装,使设计人员可以更轻松地为特定应用定制最终产品。(来源:TE Connectivity) 

通过将多个传感器集成到一个模块中,AmbiMate MS4系列等产品可以减少CEA过程控制系统中的节点数量,并减轻许多关键的工程挑战。节点越少,网络越简单,复杂性和成本水平越低,加速测试,配置和佣金。 

鼓励垂直农业

传统农业已经消耗了地球40%的土地,寻找更多种植作物的空间需要减少宝贵的雨林。然而,据美国“ 新闻周刊”报道,到2050年,粮食产量需要增长70%才能满足预计的全球近100亿人口的需求。

根据CEA全球协会的说法,垂直农业是解决方案,因为它结合了农业,工程和技术的科学,在一年365天的规模和持续环境中以及在天气和室外环境限制或排除的地方种植新鲜食物。新鲜食品生产。此外,将城市人口附近的新鲜粮食生产本地化是明智和有效的。通过整合农业和工程,保护水,耕地和能源等有限资源变得可行。

结论

毫无疑问,CEA是一项很有前景的技术,考虑到最佳运行装置的年产量比传统农田的相当面积高出400倍。尽管如此,它还是一个刚刚起步的企业,目前进入的门槛很高,除了非常富裕的国家之外,其他任何国家都被排除在采用该技术之外。障碍很大,因为CEA的成功在很大程度上依赖于目前复杂且昂贵的技术。TE Connectivity的AmbiMate等多传感器模块的推出,是简化基于CEA的工程和发布技术以进一步帮助和养活全世界的重要一步。






关键词: 传感器     农业     设计    

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