植物用可穿戴设备和空投的传感器可为农业播下大数据的种子
2018-09-12   IEEE电气电子工程师学会

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照片来源:KAUST

伸缩的植物可穿戴设备和无人机投放的智能标签,其目的是帮助农业向大数据化方向改造。大规模地对植株进行监测的技术在成本上已经变得相对便宜,从2019年开始,将在三个国家的大型温室或农田中对有关技术进行现场试验。

这一想法来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的一些研究人员,他们拥有柔性电子技术方面的专业知识。与在温室中培育基因工程植物的同事交谈之后,他们认识到需要可大规模部署并能报告每株植物的情况的便宜传感器。他们早期的产品包括用于测量植物生长过程中的微米级变化的可伸缩传感器以及可通过无人机投放、在空中螺旋式下降而落到植物上去的“PlantCopter”温度和湿度传感器。

KAUST电气工程教授Muhammad Mustafa Hussain说:“ 得益于其设计架构,在部署PlantCopter时, 它们会战略性地附着到植物的叶子上。很显然,并不是每一个PlantCopter都能附着到植物上,考虑到它们的低成本,非100%的附着率也还是可以接受的。”

Hussain及其同事们的愿景是通过便宜的生物可降解材料和低功耗的蓝牙无线通信技术,将物联网应用到植物上去。他们的研究成果于2019年9月10日在线发表在npj Flexible Electronics期刊上,其第一作者为目前加州理工学院博士后研究员的Joanna Nassar

市场上出售的很多农业监测系统往往采用经过广泛训练的计算机视觉相机系统来监测植物生长,以及插在土壤中的棒状传感器来测量诸如温度湿度等的环境条件。但是这些设备往往是要么能力不足以监测植物和环境条件的微小变化,要么对于许多农场主来说太昂贵而无法大规模使用。

你能Home Depot或Amazon上买到的植物监测系统都是相当昂贵的,而且必须走遍整块田地,把它们一个个放置好否则它们不能进行通信Hussain解释说。“当它们在通信方面变得更聪明时,价格会上涨。

KAUST开发的这两种传感器依赖的都是一个低功率系统,在早期实验室测试中该系统每两秒记录一次数据,平均待机时长为151天。该系统由一个小型可充电锂离子电池和一个可编程片上系统组成,后者具有可用于记录和存储数据的256kB内部闪存。蓝牙芯片使传感器能够将数据传输到附近的无人机或智能手机上。

首先,研究人员发明了一种植物可穿戴传感器,这种传感器由聚合物和很薄的金色金属薄膜制成,可以灵活地附着在植物的任何位置。他们在大麦和富贵竹进行了几个小时或几天的试验,测试这种可伸缩的应变传感器,以证明它们能够探测到即使是最微小的生长变化。

其次,该研究团队创了一3D打印的、可以从无人机上大量投放下来的温度和湿度传感器。发明PlantCopter传感器的灵感来自像微型直升机一样漂浮在空中蒲公英种子和枫树种子。这种设计可以以最小的努力实现传感器的广泛散布,而用于测量植物生长情况植物用可穿戴设备仍须以手工方式将其附着在植物上

初步演示表明,PlantCopter50英尺的高度落并着陆到地面上时,该团队可以智能手机与之保持蓝牙连接。但是,他们还没有对通过无人机大规模空投PlantCopter的这种更大胆想法进行试验

尽管如此,该团队还是计划在2019年4月之前开发出一种既具有足够电池寿命又具有一定自主能力的无人机来履行空投职责。这一时间表恰好与在印度、斯里兰卡和赞比亚三个国家进行现场试验的计划相吻合。

所有那些关于单个植物传感器的讨论似乎都微不足道,但将这些传感器大规模投放和综合起来使用的话,这些传感器或类似的解决方案可能会成为席卷整个农业的大数据革命的一部分。为了通过精心部署的无人机、机器人设备和智能传感器来提高生产力,农场主们将需要尽可能多的细粒度数据来了解田地上正在发生的事情

Hussain说“我的首要目标是收集大量数据并将人工智能注入其中,这样无人机可以做出实时决策,如视需要施肥撒药。我的愿景是生产力提高哪怕百分之一,我认为那就能养活更多人。


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