多传感器模块缓解室内农业设计挑战

受控环境农业（CEA，由于容纳作物和基础设施的多层设施，也称为垂直农业）是一个有前途的利基市场。通过采用工业物联网(IIoT) 并采用全封闭、气候可控的环境来消除疾病、害虫或季节性天气变化等外部因素，绿叶蔬菜、香草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发展，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，但由于复杂且耗时的设计、调试和配置，它会增加成本。构建当今 CEA 所需的工程专业知识和购买成本将其采用限制在大型、富有的组织中，并阻碍了技术传播到它可能产生最大影响的地方，例如发展中国家。然而，电子产品制造商正在努力改变这一趋势，他们推出的产品将垂直农业成功所必需的多个传感器组合到一个模块中，从而更容易实施并降低成本。

棘手的企业

分析公司 Statista 报告称，虽然垂直农业发展势头迅猛，但随着全球 CEA 市场在 2016 年达到约 15 亿美元的价值，并预计到 2023 年将增长约 64 亿美元，其采用目前仅限于富裕国家。研究分析师 MarketsandMarkets 指出，中国、日本、新加坡、美国 (US) 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得到证实且易于获取，但大规模的商业实施却很少见。相对稀缺的一个主要原因是 CEA 系统的设计和实施具有挑战性。

垂直农业的成功取决于对农场环境的精确管理和维护。通过控制光强度和波长、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，监管人员可以确保植物尽可能快地生长，同时为消费者保留其审美、口味和营养价值。例如，研究表明，在 0.3 至 0.5mps 范围内的恒定空气流动（在恒定的蒸气压下）可使 CO 2和水蒸气最佳地扩散到叶子中，以帮助光合作用并最大限度地促进美味绿叶蔬菜的生长。

这种对生长条件的精细管理需要基于计算机的闭环过程控制系统的监督，这些系统使用传感器将数据无线转发到设施内或远程位置的监控计算机。如果传感器读数检测到偏离最佳扩散速率的漂移，则监控计算机可以进行适当的调整以将条件重置回理想水平。连通性确保系统保留所有数据，并可以使用它来计算证明哪些条件最适合特定植物的生长。

例如，位于新泽西州纽瓦克的 AeroFarms 的 CEA 科学家在每次收获时监测超过 130,000 个数据点。然后，技术人员将这些信息与预测分析一起使用，以审查、测试和增强下一次收获的生长系统。

CEA 电子工程变得简单

用于单个变量的闭环、网络、无线传感器系统的实施是一项挑战，但当控制扩展到决定 CEA 成功的多个变量时，难度会大大增加。这些挑战包括：

资助大量传感器的安装和维护，

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

管理广泛传感器群体的权力。

这些 CEA 工程挑战的解决方案是以商业引入模块的形式出现，这些模块将多个传感器集成到单个模块上。TE Connectivity的AmbiMate传感器模块等产品在可直接连接的印刷电路板 (PCB) 组件上提供多个传感器，以便轻松集成到主机产品中。每个模块都结合了四个核心传感器（即运动、光、温度和湿度），而变体可以添加 CO 2、VOC 和声音（麦克风）功能。

这些传感器连接到单个机载微处理器并利用单个电源。嵌入式微处理器配备了一个 I2C 接口，可以相对简单地连接到无线收发器进行数据传输。每个模块变体都在相同的占地面积上制造，使设计人员可以在必要时轻松切换到不同的传感器组合。最后，机载传感器能够以 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% 的相对湿度 (RH) 测量精度，以及一秒的采集速率（图 1）。

图 1：TE Connectivity 的 AmbiMate 传感器模块 MS4 系列基于通用封装，使设计人员更容易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 的 MS4 系列等产品可以减少 CEA 过程控制系统中的节点数量，并缓解许多关键的工程挑战。更少的节点导致更简单的网络和更低的复杂性和成本水平，并加速测试、配置和调试。

鼓励垂直农业

传统农业已经消耗了地球 40% 的土地，要找到更多种植作物的空间就需要砍伐宝贵的热带雨林。然而，据美国报纸《新闻周刊》报道，到 2050 年，粮食产量需要扩大 70%，才能养活预计将近 100 亿的全球人口。

根据 CEA 全球协会的说法，垂直农业是答案，因为它结合了农业科学、工程和技术，一年 365 天在规模化和持续的环境中以及在天气和室外环境否则会限制或排除的地方种植新鲜食物生鲜食品生产。此外，将新鲜食品生产本地化到城市人口附近是明智且高效的。通过整合农业和工程，水、耕地和能源等有限资源的保护变得可行。

结论

毫无疑问，CEA 是一项很有前途的技术，考虑到运行最好的设施每年的产量比同等面积的传统农田高出近 400 倍。尽管如此，它仍然是一个刚刚起步的企业，目前的进入门槛非常高，以至于除了非常富裕的国家之外，其他任何国家都被排除在采用这项技术之外。壁垒很高，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世界的道路上迈出的重要一步。

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