如何利用8位MCU實現智能農場技術

對現代農場而言，技術的進步利弊皆存。利用現代農業和園藝技術，可以在更小的耕種面積上實現更多的作物產量，從而滿足日益增長的人口需求。然而，如今農場產出的新鮮食品的品質在不斷下滑，而數量仍然不足以讓農場主保持盈利。

農業本身非常不穩定。原因在于，每年的產量很大程度上受到外部環境的影響。為了滿足提高農業一致性和可持續性的需求，需要將另一種現代技術應用到農業中（圖1）。我們先來了解智能農場。

圖1. 農場主可以遠程監控作物和畜牧的健康狀況，提供有價值的信息，確保農業的一致性

強大的聯網畜牧監控系統有助于增加健康動物的數量，從而提高食品質量。利用土壤和植物健康監控系統，農場主能夠在前所未有的細節水平上監控作物的健康狀況。借助當今的嵌入式聯網傳感器系統，未來的“智能農場”將擁有提高產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量要求。

這些傳感器收集的信息可幫助指導農場主針對其農場制定最佳決策，從而在減少水、農藥和肥料用量的同時，提高作物和畜牧的生產率。這不但有助于降低農場對自然環境的影響，還能改良土地質量，確保子孫后代的可持續發展。

嵌入式和無線技術的關鍵推動者

簡單地說，確保現代農場可持續發展的主要解決方案是向農場主提供有用的信息。由于當今嵌入式和無線技術的創新，可通過采用大量低成本聯網傳感器陣列來實現這一目標。這些傳感器通常監控農田或畜牧的各種現場狀況，包括溫度、pH值、濕度、活動數據和GPS坐標。接下來，這些傳感器通過4G/5G蜂窩和LoRa等無線通信網絡將上述數據傳輸到通常基于云的集中式數據庫。

之后，可以通過任意聯網設備在線訪問這些數據，并對其進行快速分析以確定是否需要采取糾正措施。這樣，農場主便可從世界任何地方訪問農場的分析結果。

聯網傳感器節點并非新概念；但是，為了確保在這種獨特的嚴苛環境下保持足夠的性能和可靠性，必須滿足一些關鍵要求。首先，需要可靠的電源，這個挑戰很難解決，因為農場一般不會配備長達1000英尺的延長線。

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

其次，智能農場中的傳感器節點需要在惡劣的偏遠地區保持可操作性，甚至會安裝到動物身上。就整個系統而言，需要采用既實用又創新的解決方案才能確保穩定性和功能性。節點需要長時間保留在現場，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，需要在農場現場通過最常見的廣域網（WAN）基礎設施提供可靠的遠程連接。

在設計用于智能農場應用的聯網系統時，工程師必須考慮到受監控植物和動物的多樣性。植物健康監控系統可以測量各種環境條件，包括水位、土壤條件、pH值和光照水平，而畜牧跟蹤系統則需要包含GPS坐標、步態監視器、脈搏血氧儀和監控關鍵健康數據點的其他傳感器。

針對任意一種情況，理想的商用解決方案都是通用的基礎節點設計，直接購買采用這種設計的產品即可滿足個別農場的需求。為實現此目標，基礎節點必須足夠靈活，以便與各種模擬和數字傳感器接口。

不過，還有另一個更困難的設計挑戰，涉及到需要在此類系統中應用的各種工程學科。對于智能農場組件設計人員或工程團隊來說，除了精通云基礎設施外，他們還需要在傳統嵌入式設計技術、射頻通信（包括LoRa、Wi-Fi和蜂窩拓撲的全部細節）以及網絡安全方面擁有專家級經驗。

8位MCU登場

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

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

CIP可以獨立于芯片的CPU工作，這樣一來，設計人員便可將它們設置為在最低功耗模式下處理常見的重復性任務。在低維護環境下，CIP還能提供另一項優勢，即幫助設計人員提高系統可靠性。由于經過編程后，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。

使用同一個聯網基礎節點控制器與各種數字和模擬傳感器接口可能頗具挑戰。幸運的是，有一些現代MCU可滿足這類特殊應用的需求，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）的差分模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC），可實現極高的傳感器靈活性（圖2）。利用這些特性，設計人員能夠針對智能農場應用自由構建高度可定制的模塊化傳感器節點。

圖2. 體積小、效率高的MCU是確保智能農業可持續發展的關鍵

隨著MCU架構的現代化，其配套開發硬件和軟件環境也逐漸發展成熟。對于小型公司的工程團隊而言，嵌入式系統、射頻天線設計和云連接并非核心競爭力，快速原型設計板才是靈丹妙藥。原型設計板為設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

當今的農業和園藝業正在經歷一場技術革命。通過互聯網實時訪問植物和動物健康數據正在變革農場的運營方式，帶來的結果是提高了產量并增強了土地的活力（圖3）。

圖3. 利用采用8位MCU的遠程傳感器技術監控農場健康狀況，確保作物獲得必要的照料以茁壯成長

這場革命的前沿是“隨處可用”的云連接，但其基礎仍然是使用成熟的8位單片機構建的。無論現在還是未來，對于可持續性增強型產品的開發人員而言，現代化MCU架構（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鍵組件。