机器人灌溉降低农业成本

大田作物生产是劳动和能源密集型的。种植玉米、小麦、大豆、棉花、紫花苜蓿、蔬菜或水果等商品的传统方法通常需要用人力驱动的柴油动力拖拉机拉动各种农具在田间进行多次遍历。这些工具执行诸如犁地、整地、播种、栽培、施用农药和收割等功能。一年的紫花苜蓿生长（每块田地收获多种作物）可能需要 15 次或更多次拖拉机通过，可能会使用数千加仑的化石燃料和数百小时的劳动力。自动驾驶拖拉机实验曾试图减少劳动力投资，但收效甚微。为拖拉机供电的尝试被证明是困难的，因为可用的电池技术没有能量密度来提供近半兆瓦（大型现代拖拉机的额定功率超过 600 马力）以进行 10 小时或更长时间的轮班。这是特斯拉 Model S 电动汽车电池容量的 50 倍左右。用一根长延长线将电动拖拉机拴在电网上存在严重的可靠性、安全性和实用性问题。

物联网进入农场

但是，如果我们可以通过采用机器人技术和物联网 (IoT) 技术完全消除拖拉机呢？一种有趣的方法可以从中心枢轴灌溉系统中得到启发，其中一个中央塔供水，一长串管道的一端通过一个枢轴连接到它，而另一端缓慢移动以形成一个大圆圈。管段由一系列塔架之间的桁架悬挂，变速驱动轮受控以保持管道笔直。沿管道分布的喷头灌溉下面的农作物。典型的中心枢轴系统的半径为四分之一英里（400 米）。要了解这项技术的实际应用，请查看内布拉斯加州奥加拉拉地区农田的卫星图像。

这里建议的机器人系统加强了桁架和轮式塔架，使重型工具可以悬挂在传统中心枢轴系统中水管所在的轨道上。机动车在轨道的整个长度上移动，承载着一个转盘，转盘又承载着可互换的工具。为了将工具放置在系统命令的现场准确位置，塔的轮子以协调的速度驱动以将轨道旋转到正确的角度，托架从中心枢轴移动所需的径向距离，并且转盘定向实施，以便它能够完成所需的工作，并且可以跟随一排排植物，无论它们在田地中的方向如何。栏杆可以高出地面 10 英尺（3 米）或更高，以容纳高大的作物。

该系统有多项技术创新。与轨道平行的电气母线将电力从枢轴传输到系统的所有元件——大约 100kW（千瓦）、440V（伏）、3 相。托架上的滑动触点将母线连接到机具上，支持超过 100hp（马力）的电力负载。数据网络将机具、托架、电机、阀门和传感器互连到中央枢轴，光纤链路连接到互联网和基于云的控制。水管灌溉田地，但单个阀门和机器人洒水头可以比传统灌溉系统更精确地浇水。输送机系统可以在轨道顶部运行，以将种子和农用化学品输送到农具，并运走收获的农作物。

用例

这是该系统的一个用例。首先，中心支点固定在场地中央，各种电力、计算机网络、输送机和供水系统都埋得相当深以供其供电。然后，将枢轴组装到轨道段和轮式驱动塔上，以达到覆盖场地所需的半径。平整工具连接到平整和平整土地的轨道上，将土壤从高点移到低点。犁和土壤调节器翻耕土壤，准备种植床。接下来，连接一个播种工具，定期用高架传送带上的种子重新填充。它精确种植整个田地。如果不同的模式（例如六边形网格）更适合特定作物，则不需要成行种植。随着农作物的生长，中耕机具通过控制杂草和害虫。这项任务可以是机械的或化学的，也可以使用视频分析和高科技解决方案（例如激光、水射流或冰镖）来选择性地消灭杂草和有害昆虫。灌溉由机器人系统根据需要根据传感器完成，这些传感器以平方米的精度测量土壤湿度并准确施加所需的水量。

在收割时节，将适合作物的工具安装在轨道上，收集作物、清洗和分类，然后将收获物输送到输送系统，然后输送到中央枢轴，然后运往仓库或市场。与传统的收割实践不同，该系统可以有效地支持多道收割机具，这些机具使用复杂的视觉系统来分析作物和机器人，以仅采摘已达到最佳成熟度的部分。

结论

与传统农业技术相比，该系统具有多项优势。这一切都是电动的，避免了排放、碳和石油成本的波动。它需要人力驱动的拖拉机所需劳动力的一小部分。它可以有效地利用种子、水和农药。它支持选择性收获以提高产品质量。可以大大减少土壤板结和侵蚀。它可以通过消除有利于先进的杂草和害虫控制措施的化学品来实现有机农业。随着全球人口的增加，这些电子、机器人和物联网技术在提高农业效率、生产力和环境责任方面应该很有价值。

CHARLES C. BYERS 是工业互联网联盟的副首席技术官，现在加入了 OpenFog。他致力于边缘雾计算系统、通用平台、媒体处理系统和物联网的架构和实施。此前，他是思科的首席工程师和平台架构师，以及阿尔卡特朗讯的贝尔实验室研究员。在电信网络行业的三十年中，他在语音交换、宽带接入、融合网络、VoIP、多媒体、视频、模块化平台、边缘雾计算和物联网等领域做出了重大贡献。他还是多个标准机构的领导者，包括担任工业互联网联盟和 OpenFog 联盟的首席技术官，并且是 PICMG 的 AdvancedTCA、AdvancedMC、

Byers 先生在威斯康星大学麦迪逊分校获得电气和计算机工程学士学位以及电气工程硕士学位。在业余时间，他喜欢旅行、烹饪、骑自行车和在他的工作室里修修补补。他拥有 80 多项美国专利。

审核编辑黄宇