如果要加强粮食供应链并缓解短缺问题，必须启动农业部门的数字化转型。

作者：Juli Ban，产品经理，Murata

媒体广泛报道，农业行业和政府决策者对粮食生产能否满足未来前所未有的需求越来越担忧。人口不断增加（特别是在发展中国家），加上有限的适当土地储备和劳动力问题，再加上许多不同的环境因素，意味着粮食供应短缺的严重风险越来越普遍。
现在人们普遍认识到，技术将需要在下一代农业活动中发挥关键作用，有助于从效率较低的传统方法过渡到不再依赖手工作业。这种技术将使每公顷土地的作物产量显著提高，更好地利用基本资源，同时降低劳动力成本。
 
促进全球粮食生产
根据联合国的数据，有人推断，全球人口将在未来35年内从目前的79亿增长到100多亿。因此，在我们今天的基础上，至少还有20亿人需要养活（而参加目前的人口已经证明是一项挑战）。应对气候变化和保护生物多样性意味着通过砍伐森林获得更多土地是不可接受的。因此，必须找到更好地利用现有农田的方法。
采用智慧农业实践的关键在于数据的获取和后续分析。传感器设备将部署在农业现场，以提供影响粮食生产的关键参数（如气温、湿度、光照度等）的持续更新。这意味着农民能够获得所需的信息，以应对不断变化的环境——无论是生长条件的短期波动，还是需要长期解决的趋势的揭示。
灌溉和化肥使用都是农民的主要运营费用。同样，为垂直农场和室内园艺场地提供照明将是他们每年最大的财政支出之一。因此，确保这些方面得到最佳利用至关重要，这就是为什么需要先进的传感器实施。

基本传感器属性
在农业环境中使用的传感器如果要在其指定的功能中有效，就需要具有某些特性。首先，它们必须足够强大，以应对所处的应用环境（以便可以依赖于持续运行）。其次，他们需要提供准确的数据，否则农民根据这些数据做出的决定可能是错误的，从而导致作物产量或作物质量受损。最后，这些传感器必须配备适当的连接。

土壤测量
在农业的许多不同领域中，不断更新的参数数据将具有实际价值，其中一个领域与土壤有关。这将使农民能够测量存在的营养物质和盐离子的数量，并检查是否有足够的降雨量。他们将能够深入了解他们是否使用了正确的化肥量，或者灌溉系统是否运行良好，以及寻找地下水污染的迹象。
土壤传感器的分布将取决于正在种植的作物的性质，以及需要监测的参数。对于价值更高的作物（如酿酒用的葡萄），更高的传感器密度是合理的。需要多长时间获取数据也取决于作物，以及使用的实际方法。对于户外农业操作，每30分钟更新一次可能就足够了，但对于室内设置，更新频率可能会降低到每5分钟。
如图1所示，土壤样品基本上由土壤矿物本身（以颗粒形式）、气隙和孔隙水组成。土壤中的营养物质，以及化肥化学物质，将在孔隙水中携带。深入研究土壤条件需要进行电导率（EC）测量。这些将根据土壤各组成部分的阻力特性提供土壤成分数据。


图1：描述土壤成分的示意图

现有土壤传感器装置的一个问题是，它们的精度可能会受到温度变化和过量含水量以及化学化合物的存在的不利影响。另一个需要考虑的问题是，传感器电极之间的岩石会干扰所获得的结果。因此，多电极布置将被证明更加准确。解决这些问题的需要促使村田工程师开发一种新的、更复杂的土壤传感器解决方案。
通过村田的土壤传感器，可以持续监测土壤状况。这种高度集成的器件内置三种不同的传感功能，允许同时检查不同的参数。这些功能包括：

1. 一种九电子传感器元件，通过它可以确定EC。
2. 一种湿度传感器元件，其测量介电常数，以便给出体积含水量（VWC）图的值。
3. 一种温度传感器元件。

九电极EC传感器是业界独有的。这使得能够生成多个测量模式，从而消除导出结果的不确定性。湿度传感器覆盖0至60%的VWC范围，并保持满量程湿度精度±3%。温度传感器支持-20°C至60°C的温度范围，精度为±1.0°C，并采用专有算法补偿温度对EC测量的影响。该器件还加入了一种额外的专利算法，这意味着也可以获得肥料含量的准确数字（因此可以识别过度使用的迹象）。


图2：Murata的三合一土壤传感器

村田土壤传感器提供了更高的精度，同时仍然比竞争解决方案更具成本效益。它安装在坚固的IP68等级外壳中，以防止灰尘和液体进入。提供UART、RS232E、RS485-MODBUS和SDI-12有线接口选项，以及通过蓝牙LE收发器支持无线连接。传感器的数据采集时间易于调整。每隔30分钟读取一次读数，在需要更换之前，三节AA电池将能够为其供电至少6个月。
在发布此解决方案之前，村田在亚洲各地的农业地点进行了广泛的测试。在这里，它被成功地用于检查稻田中的盐分水平、果园中的化肥使用情况以及花生种植地的灌溉效率。
结论
工程创新，如刚刚描述的三合一土壤传感器，有可能对农业的数据驱动做出重大贡献，从而提高生产力，降低运营成本。
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