农场垂直发展解决粮食危机,打造智慧城市

电子设计 2018-09-27 08:46 次阅读

据联合国预测,到2050年,全球人口将从目前的75亿,增长至近100亿。这意味着,将需要更多的粮食来养活激增的人口。若您觉得这不足以构成挑战,那么,接下来看看耶鲁大学最近的一项研究预测:在人口数字打破100亿的同时,约有70%的人口生活在城市。鉴于2008年,城市居民数量刚刚超过非城市居民数量,这一预测结果着实令人难以置信。若考虑气候和生态变化对传统耕地造成的影响,即过度耕作或土地无法使用的情况,由此产生大规模的粮食短缺时,人类文明将陷入前所未有的人道主义危机中。换言之,我们需要开始以不同的方式思考农业经营。对于迫在眉睫的粮食危机,人类已高谈阔论数十年,但直至目前,我们才拟出实际的方案来解决这一问题。这个概念就是:垂直农场(图1)。

农场垂直发展解决粮食危机,打造智慧城市

图1:垂直农场将农业从农村转移到城市

垂直农场的概念直截了当:通过在摩天大楼里建造农场,使作物生产接近人口中心,以此取代传统的耕地。农场不再以英亩的面积进行测量,而是以楼层数进行衡量。这是一个有趣的概念,既具有优势,又富于挑战。在一个封闭的垂直农场里,全年都将适合作物的生长。但获得优势的同时,付出的代价是,放弃了作物生长所需的充足的阳光和雨露。相反,必须通过技术给予作物生长所需的最贴近自然的环境。智能、自动化的环境监测和控制是垂直农场的关键推动者。

即使具有工业规模的垂直”工厂农场”看似有点未来主义,但它并没有阻止人们采用一种DIY的态度去进行尝试。制造界正致力于将制造精神和电子产品应用到种植作物的艺术上。垂直农场,以及如雾培和水培这样的技术,都为当下热衷食物研究的技术爱好者带来了福音。从技术角度看,垂直农场就是控制环境条件。通过精确控制温度、水合作用和光照射,将生长周期缩短50%,这便是基于雾培的垂直农场。对于许多制造商以农场为中心的环境控制产品,Arduino则扮演着重要的角色。

FarmBot包含了Arduino和另一个电机控制器盾,可以提供类似机器人控制的3D打印,以此利用各种设备,包括测量土壤含水量的湿度传感器,以及种植种子、水作物,甚至去除杂草的机制。经证明,机器人控制在垂直农场中发挥着重要作用,因为鉴于垂直农场的垂直高度,人类的参与是十分低效且不安全的。对于这些复杂的农产品来说,Arduinos系列Arduino Mega这样的产品十分受欢迎,因为其增加了GPIO针脚的数量,从而得以控制大量的外部传感器和执行器(图2)。

农场垂直发展解决粮食危机,打造智慧城市

图2:FarmBot使用了Arduino Mega和电机控制器盾

当然,Arduino平台能准确地监控传感器,并与执行器或其他电子设备进行接口。垂直农场依赖这些传感器,需要单个传感器在生长周期中不断监测和照料作物。技术的发展可谓日新月异,物联网的出现使得这些资源和管理数据得到了更有效的利用。从传感器中收集的数据将被传送到收发器芯片中,如智能农场环境传感器中的Microchip ATA8520单片机SIGFOX™射频收发器,随后又将传送至无线媒介。这样,农场主就可以通过无线媒介,了解作物生长情况,并在必要时做出调整。

农场垂直发展解决粮食危机,打造智慧城市

图3:Arduino MKR1000适合于许多物联网技术

一些技术友好的社区,如Modern Farmer和FarmHack,则对垂直农场提供了指导,即如何构建自身的电子硬件,并将其融入垂直农场中。其中,一项名为Fido的项目则取得了立竿见影的效果,该项目旨在协助那些寻找简单的基于SMS解决方案以远程监控温度条件的农场主。简单则意味着设计非常紧凑,这样,使用更小型的Arduino产品如Nano或MKR1000则非常合适。

最后,机器人城市农场系统(RUFS)明确了垂直农场和水培法的概念,这些概念可以适用于单个家庭或小型社区合作社(图4)。RUFS是一个相当大胆的尝试,但它为DIY垂直农场带来了巨大的优势。其开源计划承诺,将创建一个垂直的水培花园,涵括自动灌溉周期、作物养分输送、pH值监测和维护、温度监测和维护、空气循环控制,甚至是LED照明控制。实际上,RUFS由三个基于Arduino的子系统组成(可以称之为机器人),包括气候机器人、pH值机器人及水栖机器人。它们都将归于基于Linux的计算机上进行更复杂的数据分析,并为垂直农场主提供用户界面。

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图4:机器人城市农场系统:RUFS

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