MEMS和物联网的应用：智慧农业MEMS技术

农业应用所需的测量和传感大部分依靠微机电系统（MEMS）。MEMS将机械结构与电子相结合，制造出智慧农业传感器、控制器和能量收集器。这些智能传感系统具有体积小、成本低、功耗低等优点。

据麦姆斯咨询报道，在过去的几十年中，电子测量和分析被越来越多地用于提高农业生产率。精准农业保证农民精确掌握农田中每一区域所需的水、肥料、杀虫剂和除草剂的用量，有助于提高产量，减少对环境的影响。实时数据采集和分析还可用于实时监测土壤、农作物和牲畜的状况，并发出预警。

根据MarketsandMarkets的市场研究报告显示，2016年智慧农业市场规模为50亿美元，到2022年将增长到110亿美元，期间的复合年增长率超过13%。近年来的技术进步，一部分受移动设备和物联网（IoT）在农业中的应用所驱动，这意味着传感器、处理器和通信组成的系统成本更低，变得更加亲民。

农业应用所需的测量和传感大部分依靠微机电系统（MEMS）。MEMS将机械结构与电子相结合，制造出智慧农业传感器、控制器和能量收集器。

这些智能传感系统具有体积小、成本低、功耗低等优点。集成的电子器件可以提供控制、数据采集、自校准和通信等功能。板载处理允许局部计算，提供即时反馈并减少必须通过网络传输的数据量。

出于实用性的考虑，这些系统必须成本低、易于安装、方便使用、寿命长。系统需要在耗电低的情况下还保持“身体强壮”；依靠电池、太阳能或能量收集技术维持数年的寿命。

MEMS传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计，以及测量压力、声音和湿度的器件，也可以用于构建芯片实验室（LoC）系统。

加速度计和陀螺仪的组合，如村田SCC2000，可以增强现有技术如GPS的准确性，通过提供关于地形的详细信息，允许更精确的定位进行犁耕和播种。

加速度计也用来监测牲畜的活动水平，例如，牛花费多少时间行走、吃饭或躺下休息。通过监测牲畜食用和反刍的时间，确保其获得足够的营养。此外，当母牛排卵时，活动水平急剧增加。这种情况经常发生在夜间，这意味着农民可能无法及时找到一头公牛。实时监测可以检测排卵发生时向农民提前发出警报。九个月或十个月后，农民可以使用“牛叫”（MOOCALL），这种产品使用加速度计来监测由子宫收缩引起尾部运动的独特模式。该系统可以在母牛产犊前一小时左右向农民发送短信。

MEMS也可用于监测动物的环境保障情况，例如记录温度、湿度和噪声等环境参数。在农场，这些将保持在合理范围内，但在运输过程中可能出现极端情况。结合记录的数据和GPS位置信息，足以确保环境参数在规定的范围内变化。

芯片实验室（LoC）是相对较新的事物。LoC将一个或多个实验室功能集成到尺寸为几毫米或厘米的集成电路（IC）上。例如，悬臂梁（一端固定的悬梁，在显微镜下观察形似跳水板），通过在悬臂梁的表面涂覆有与特定毒素分子或病毒结合的受体。目标分子的存在将改变悬臂的共振频率，从而可以检测病原体的存在甚至浓度。可以构造多个悬臂，每个对不同的病原体敏感度不一样。其它生物化学传感器通过电容的变化探测到分子引起的结构变化。

这些器件只需要少量的待测试材料，就可以实现理想的实时自动化和高通量处理和筛选。这样可以在现场进行快速分析，而不必向病理实验室递送样品，等上数天或数周才能获得结果。该技术在食品安全（食品中的病原体或污染检查）、动物疾病预防（奶牛挤奶时检查乳房炎）和分析土壤养分水平方面具有潜在的应用。

尽管不同市场研究机构对MEMS市场的预测不尽相同，但增长态势都持乐观态度。例如，ReportsnReports预测，2022年MEMS市场将以9.8%的年增长率达到约190亿美元；而Allied Market Research预测2022年将达到268亿美元，增长率为11.1%。其它机构的预测显示出类似的增长水平，但平均销售价格相应下降。

MEMS和物联网在农业中有许多可能的应用。这些技术将发挥作用，允许农民通过提高生产力和减少环境影响来满足世界持续增长的人口对农作物的需求。随着成本的下降，更多的农民将从智慧农业MEMS技术中获益。