如何利用8位MCU實現(xiàn)智能農(nóng)場技術(shù)

對現(xiàn)代農(nóng)場而言，技術(shù)的進步利弊皆存。利用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和園藝技術(shù)，可以在更小的耕種面積上實現(xiàn)更多的作物產(chǎn)量，從而滿足日益增長的人口需求。然而，如今農(nóng)場產(chǎn)出的新鮮食品的品質(zhì)在不斷下滑，而數(shù)量仍然不足以讓農(nóng)場主保持盈利。

農(nóng)業(yè)本身非常不穩(wěn)定。原因在于，每年的產(chǎn)量很大程度上受到外部環(huán)境的影響。為了滿足提高農(nóng)業(yè)一致性和可持續(xù)性的需求，需要將另一種現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中（圖1）。我們先來了解智能農(nóng)場。

圖1. 農(nóng)場主可以遠程監(jiān)控作物和畜牧的健康狀況，提供有價值的信息，確保農(nóng)業(yè)的一致性

強大的聯(lián)網(wǎng)畜牧監(jiān)控系統(tǒng)有助于增加健康動物的數(shù)量，從而提高食品質(zhì)量。利用土壤和植物健康監(jiān)控系統(tǒng)，農(nóng)場主能夠在前所未有的細節(jié)水平上監(jiān)控作物的健康狀況。借助當(dāng)今的嵌入式聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)，未來的“智能農(nóng)場”將擁有提高產(chǎn)量和利潤所需的各種工具和能力，同時仍然能夠滿足挑剔客戶的質(zhì)量要求。

這些傳感器收集的信息可幫助指導(dǎo)農(nóng)場主針對其農(nóng)場制定最佳決策，從而在減少水、農(nóng)藥和肥料用量的同時，提高作物和畜牧的生產(chǎn)率。這不但有助于降低農(nóng)場對自然環(huán)境的影響，還能改良土地質(zhì)量，確保子孫后代的可持續(xù)發(fā)展。

嵌入式和無線技術(shù)的關(guān)鍵推動者

簡單地說，確?，F(xiàn)代農(nóng)場可持續(xù)發(fā)展的主要解決方案是向農(nóng)場主提供有用的信息。由于當(dāng)今嵌入式和無線技術(shù)的創(chuàng)新，可通過采用大量低成本聯(lián)網(wǎng)傳感器陣列來實現(xiàn)這一目標(biāo)。這些傳感器通常監(jiān)控農(nóng)田或畜牧的各種現(xiàn)場狀況，包括溫度、pH值、濕度、活動數(shù)據(jù)和GPS坐標(biāo)。接下來，這些傳感器通過4G/5G蜂窩和LoRa等無線通信網(wǎng)絡(luò)將上述數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ǔ；谠频募惺綌?shù)據(jù)庫。

之后，可以通過任意聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線訪問這些數(shù)據(jù)，并對其進行快速分析以確定是否需要采取糾正措施。這樣，農(nóng)場主便可從世界任何地方訪問農(nóng)場的分析結(jié)果。

聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點并非新概念；但是，為了確保在這種獨特的嚴(yán)苛環(huán)境下保持足夠的性能和可靠性，必須滿足一些關(guān)鍵要求。首先，需要可靠的電源，這個挑戰(zhàn)很難解決，因為農(nóng)場一般不會配備長達1000英尺的延長線。

節(jié)點需采用電池供電，并且能效必須足夠高，可以在不更換電池的情況下使用數(shù)月甚至數(shù)年。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，需要利用基于單片機（MCU）的系統(tǒng)來實現(xiàn)極高的系統(tǒng)效率，這種系統(tǒng)只需較低的核心CPU使用率即可管理各種復(fù)雜任務(wù)，而且在系統(tǒng)不工作時不會斷電。

其次，智能農(nóng)場中的傳感器節(jié)點需要在惡劣的偏遠地區(qū)保持可操作性，甚至?xí)惭b到動物身上。就整個系統(tǒng)而言，需要采用既實用又創(chuàng)新的解決方案才能確保穩(wěn)定性和功能性。節(jié)點需要長時間保留在現(xiàn)場，并且需要極少的硬件維護。所有軟件更新都需要以遠程方式安全完成。為滿足這種需求，需要在農(nóng)場現(xiàn)場通過最常見的廣域網(wǎng)（WAN）基礎(chǔ)設(shè)施提供可靠的遠程連接。

在設(shè)計用于智能農(nóng)場應(yīng)用的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時，工程師必須考慮到受監(jiān)控植物和動物的多樣性。植物健康監(jiān)控系統(tǒng)可以測量各種環(huán)境條件，包括水位、土壤條件、pH值和光照水平，而畜牧跟蹤系統(tǒng)則需要包含GPS坐標(biāo)、步態(tài)監(jiān)視器、脈搏血氧儀和監(jiān)控關(guān)鍵健康數(shù)據(jù)點的其他傳感器。

針對任意一種情況，理想的商用解決方案都是通用的基礎(chǔ)節(jié)點設(shè)計，直接購買采用這種設(shè)計的產(chǎn)品即可滿足個別農(nóng)場的需求。為實現(xiàn)此目標(biāo)，基礎(chǔ)節(jié)點必須足夠靈活，以便與各種模擬和數(shù)字傳感器接口。

不過，還有另一個更困難的設(shè)計挑戰(zhàn)，涉及到需要在此類系統(tǒng)中應(yīng)用的各種工程學(xué)科。對于智能農(nóng)場組件設(shè)計人員或工程團隊來說，除了精通云基礎(chǔ)設(shè)施外，他們還需要在傳統(tǒng)嵌入式設(shè)計技術(shù)、射頻通信（包括LoRa、Wi-Fi和蜂窩拓撲的全部細節(jié)）以及網(wǎng)絡(luò)安全方面擁有專家級經(jīng)驗。

8位MCU登場

要擴展智能農(nóng)場的基礎(chǔ)設(shè)施，首先從探討前沿應(yīng)用時考慮不到的方面開始。由于智能農(nóng)場里的絕大多數(shù)傳感器節(jié)點都采用電池供電、支持遠程定位且偶爾需要維護，因此要實現(xiàn)最佳的控制解決方案，必須采用全球最節(jié)能的單片機。

8位MCU擁有50余年的歷史，雖然它們一直是大多數(shù)低功耗嵌入式任務(wù)的選擇，但最新款器件已加入許多現(xiàn)代特性，可以直接滿足智能農(nóng)業(yè)和園藝系統(tǒng)的需求。在許多新功能中，PIC?和AVR?單片機上獨立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）是嵌入式設(shè)計的“增強器”。

CIP可以獨立于芯片的CPU工作，這樣一來，設(shè)計人員便可將它們設(shè)置為在最低功耗模式下處理常見的重復(fù)性任務(wù)。在低維護環(huán)境下，CIP還能提供另一項優(yōu)勢，即幫助設(shè)計人員提高系統(tǒng)可靠性。由于經(jīng)過編程后，CIP可以起到類似于MCU中的微型FPGA的作用，因此能夠有效避免堆棧上溢或下溢等軟件偏差。

使用同一個聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)節(jié)點控制器與各種數(shù)字和模擬傳感器接口可能頗具挑戰(zhàn)。幸運的是，有一些現(xiàn)代MCU可滿足這類特殊應(yīng)用的需求，同時最大限度地減少外部組件。此類MCU提供用于數(shù)字傳感器連接的SPI和I2C接口，以及帶可編程增益放大器（PGA）的差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），可實現(xiàn)極高的傳感器靈活性（圖2）。利用這些特性，設(shè)計人員能夠針對智能農(nóng)場應(yīng)用自由構(gòu)建高度可定制的模塊化傳感器節(jié)點。

圖2. 體積小、效率高的MCU是確保智能農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵

隨著MCU架構(gòu)的現(xiàn)代化，其配套開發(fā)硬件和軟件環(huán)境也逐漸發(fā)展成熟。對于小型公司的工程團隊而言，嵌入式系統(tǒng)、射頻天線設(shè)計和云連接并非核心競爭力，快速原型設(shè)計板才是靈丹妙藥。原型設(shè)計板為設(shè)計人員提供了簡單的參考示例，甚至包括可與最常見的云提供商連接的GitHub資源庫和固件。

遠程傳感器技術(shù)

當(dāng)今的農(nóng)業(yè)和園藝業(yè)正在經(jīng)歷一場技術(shù)革命。通過互聯(lián)網(wǎng)實時訪問植物和動物健康數(shù)據(jù)正在變革農(nóng)場的運營方式，帶來的結(jié)果是提高了產(chǎn)量并增強了土地的活力（圖3）。

這場革命的前沿是“隨處可用”的云連接，但其基礎(chǔ)仍然是使用成熟的8位單片機構(gòu)建的。無論現(xiàn)在還是未來，對于可持續(xù)性增強型產(chǎn)品的開發(fā)人員而言，現(xiàn)代化MCU架構(gòu)（如具有CIP的AVR和PIC）都將是在傳感器和云之間架起橋梁的關(guān)鍵組件。