本文作者 |Nabeel Khan，u-blox美洲區(qū)域應用營銷經理

精準農業(yè)技術以往僅面向大型商業(yè)化農場，而隨著技術創(chuàng)新發(fā)展，如今也開始面向小型農場服務。

目前燃料和化肥價格正處于極高的水平，世界各地的農場主都在想方設法地穩(wěn)定收入。大型商業(yè)化農場一直以來都比小規(guī)模租種耕地更具優(yōu)勢。

這類農場早已利用人工智能和先進硬件來規(guī)劃運營和自動執(zhí)行任務，通過運行廣泛的傳感器網絡來監(jiān)測土壤質量，利用具有視覺功能的無人機來監(jiān)測農作物的健康狀況，同時使用自動駕駛拖拉機自動定向耕種，以提高生產效率。

但在全球超過5.7億個農場中，絕大部分耕地的規(guī)模都在2公頃以下，上述先進系統(tǒng)的成本對于租種這些耕地的農民來說過于高昂、難以負擔。

大多數農民根本無法獲得足夠的資金來購買新設備，只能繼續(xù)依賴舊機器和人力。對這部分農民來說，利用數字革命來提高農業(yè)運營效率（通常被歸為智慧農業(yè)或精準農業(yè)）的廣闊前景一直以來都是可望而不可及。

然而，這種情況正在發(fā)生變化。在過去的幾年間，物聯(lián)網及其基礎技術已逐步普及，這促使精準農業(yè)領域開發(fā)出新一代經濟實惠的解決方案，為小規(guī)模租種耕地提供了新的工具以增加產量和提升質量。

此類解決方案將衛(wèi)星定位、無線互聯(lián)技術和視覺傳感與包括機器學習和人工智能在內的先進算法相結合，有望幫助農民以更低的成本實現更高產量，從而能夠以更加平等的地位與規(guī)模更大的商業(yè)競爭對手抗衡。

在本文中，我們盤點了推動精準農業(yè)普及的主要趨勢，并重點介紹了一部分正在改變全球小型農場運營的具體應用。我們首先探索核心技術、此類技術所支持的應用，以及發(fā)展方向。

01.各領域的技術發(fā)展

1）傳感器融合技術平臺

精準農業(yè)解決方案的核心在于傳感器融合技術平臺，從各種傳感器中獲取數據，使用算法來解釋數據點，并提取洞察信息以便用戶（機器或人類）可以采取行動。

在日益成熟的過程中，此類傳感器融合技術平臺也變得越來越復雜，并使用愈加精細的算法處理越來越多的傳感器數據類型，以獲得更深入和更高價值的信息。

此類信息通常使用人工智能(AI)和機器學習(ML)模型生成，而此類模型在傳感器附近的網絡邊緣運行，例如在拖拉機、噴霧器或其他設備本身上運行，而不是在云端。

有些設備制造商計劃在邊緣集成AI/ML技術，為此他們在各種選擇中反復權衡，希望添加能夠運行先進機器學習模型的應用處理器和硬件加速器，實現攝像頭和傳感器輸入融合以做出實時決策。

為了簡化在邊緣采用AI/ML技術的流程，許多供應商開始將AI加速器集成到各自的系統(tǒng)級芯片(SoC)和模塊中，從而降低進入門檻。

原始設備制造商(OEM)也選擇集成此類SoC，即使其軟件功能仍然處于落后狀態(tài)。對這些OEM而言，使用面向未來的硬件構建解決方案是一種有利可圖的策略，可以通過固件更新在未來提供先進功能，從而帶來穩(wěn)定的收入。

盡管主要供應商提供了大量評估套件，但使用這些解決方案從原型階段發(fā)展到生產階段可能需要耗費高昂成本。

傳感器融合技術平臺可集成到預加載動態(tài)車輛模型中以實現自動定向，或集成到計算機視覺模型中以監(jiān)測植物健康狀況，從而加速OEM的開發(fā)速度并減少對軟件投資的需求，但此類平臺可能過于常見，因而無法滿足特定使用場景的需求。

更有針對性的AI/ML可能要求在數據收集和訓練模型方面加大投資，但鑒于此類模型的專有性質，可能需要付出更高的成本。

2）攝像頭系統(tǒng)

自主駕駛拖拉機已經廣泛依賴攝像頭系統(tǒng)，以視覺方式監(jiān)測周圍環(huán)境并將其數據輸入計算機視覺解決方案進行解析。

上下文豐富的視覺數據可使用基于植物大小和其他指標的實時變量噴霧控制系統(tǒng)，幫助優(yōu)化農業(yè)投入品（例如水、種子、化肥和殺蟲劑）的分配，從而顯著提高效率并降低總體成本。

攝像頭系統(tǒng)也帶來了一系列挑戰(zhàn)，需要謹慎應對。例如鏡頭可能會被水、碎屑、灰塵和雪弄臟。此類問題會影響基于視覺的應用，包括自動化和自動駕駛等大眾市場應用，但除了噴霧噴嘴（可能會導致鏡頭起霧）和傳統(tǒng)的人工維護，目前仍然沒有可靠的清潔方法。

此外，高分辨率攝像頭的高昂價格可能會抬高最終解決方案的成本，并且當視覺數據在云端處理時，數據存儲和通信同樣也會抬高成本。

3）全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）同樣已成為精準農業(yè)解決方案的核心。自主駕駛引導式拖拉機能夠通過GNSS技術沿著精確的路徑駕駛，從而提高田間作業(yè)效率并減少行間重疊。

農作物監(jiān)測無人機使用GNSS技術來按照預定義的飛行路徑進行巡查。全自主引導式工具（例如割草機器人）則借助該技術來避開受限的禁區(qū)。這些應用通常要求定位精度達到厘米級。

高精度厘米級GNSS技術面世至今已有十幾年，農民訂閱了為每個用戶量身定制的相對昂貴的GNSS校正服務。但只有隨著價格實惠的實時動態(tài)測量(RTK)服務在農村地區(qū)的普及，以及農民使用低成本模塊部署自己的RTK基準站的成本大幅下降，高精度定位的價位才能下降到足以讓各種規(guī)模的農場都能負擔得起這項服務。

高精度GNSS技術提高了田間作業(yè)效率——全面減少農業(yè)投入品，以及由此產生的財務、環(huán)境和健康效益。與此同時，該技術也需要解決方案來處理信號多徑效應引起的不準確性，而多徑效應是由于信號在到達GNSS接收機的途中從建筑物、山脈或其他固體結構反彈而引起的。

當通過互聯(lián)網傳送時，GNSS增強數據流需要與提供商的服務器建立IP通信，從而給缺乏Wi-Fi基準站、sub-GHz 射頻系統(tǒng)等基礎設施或蜂窩通信網絡覆蓋范圍的農場帶來了挑戰(zhàn)。

4）無線互聯(lián)技術

在某種程度上，精準農業(yè)應用往往都依賴于無線互聯(lián)技術。環(huán)境傳感器和巡檢無人機需要運用無線互聯(lián)技術將數據傳輸到云端。

拖拉機、無人機和其他農業(yè)機器人則需要以此來上傳車聯(lián)網數據、報告其狀態(tài)、啟用預測性維護工具以減少停機時間，并接收GNSS增強數據以實現高精度定位。

雖然蜂窩通信使用起來非常簡單，只需要移動數據訂閱和SIM卡就能夠將數據直接上傳到云端，但此項技術有兩大缺點。

第一個是前面提到過的，整個農場需要穩(wěn)健的網絡覆蓋范圍，而這在有的農村地區(qū)可能會難以實現，即便在美國和其他發(fā)達國家/地區(qū)也是如此。

即使實現全面覆蓋的區(qū)域，數據傳輸成本可能會隨著設備接入數量迅速上漲，對于規(guī)模較小、盈利較低的農場而言更加難以承受，因為相比數據使用量更高的大型農場，小型農場可能無法有效地協(xié)商議定可以負擔的通信計劃。

要解決覆蓋范圍問題，一種方法就是選擇正確的無線通信技術。LTE-M、NB-IoT和Cat-1解決方案等低功耗廣域技術可在許多國家/地區(qū)提供與傳統(tǒng)LTE類似的覆蓋范圍，并且僅需耗費一小部分成本。當需要更高的帶寬時，LTE Cat 4或更高類別的模塊可提供150 Mbps+的吞吐量。

此外，支持千兆通信的5G模塊現已上市，但相關解決方案的成本可能高出10倍。

作為替代方案，5G Redcap（即將推出的3GPP技術）旨在提供兼具性價比、具有中等帶寬和較低復雜性、同時兼容5G的解決方案。我們預計將于2025年開始看到移動網絡運營商提供的首批RedCap產品。

邊緣人工智能和機器學習通過處理傳感器附近的感測數據，提供了額外的工具以降低帶寬需求。利用邊緣智能技術的設備可以通過僅上傳相關信息來降低其無線通信帶寬要求和成本，而不是將大量原始傳感器數據流式傳輸到云端。

02.推動精準農業(yè)普及的趨勢

傳感和傳感器融合技術平臺、攝像頭系統(tǒng)、GNSS技術，以及無線互聯(lián)技術的進步僅僅是精準農業(yè)普及的驅動因素之一。

另一項驅動因素是正在進行的全生態(tài)系統(tǒng)轉型，以使得精準農業(yè)解決方案不再是盈利豐厚的大型農場的專屬。

這兩大驅動因素共同降低了精密農業(yè)技術的擁有成本。就在幾年前，僅由主要OEM提供的解決方案價格不菲，包括昂貴的硬件和極高的穩(wěn)定訂閱費用，同時還需要熟練的勞動力來實施、操作和維護智能設備。

主流解決方案通過鎖定車聯(lián)網接口端口迫使農場鎖定供應商，從而無法采用后裝市場解決方案，該方案的局限包括農場主自行維護設備，以及使用競爭解決方案提供商提供的組件來構建符合其特定需求的成本優(yōu)化解決方案。

如今，這一切都在發(fā)生改變。由于物聯(lián)網爆炸式增長帶來的規(guī)模經濟，硬件成本正在大幅下降，農場主可以獲得經濟實惠、用戶友好的后裝市場解決方案，以升級他們現有的拖拉機和其他農業(yè)機械，使其能夠依賴新一代更具成本效益的GNSS校正服務。

除了高端產品線外，OEM還在其入門級到中檔拖拉機中添加更多智能功能。

與此同時，大量的開源項目、基于模塊的解決方案，以及預先認證的無線電技術正在降低精密農業(yè)解決方案的開發(fā)成本，從而降低了現成硬件的成本。再加上使用 SSR-RTK技術改進了廣播分發(fā)技術，GNSS校正服務的訂閱成本也隨之降低。

通信的總成本也不斷下降。部署通信基礎設施費用由無線基礎設施和數據訂閱費用組成，一直以來都是一個不可忽略的成本點。

如今，無線通信技術經過成本和功耗優(yōu)化，提高了可用性并擴大了覆蓋范圍（包括LTE-M、NB-IoT和LTE Cat 1），讓農民能夠從蜂窩通信網絡基礎設施的整體擴張中獲益。

可以說，在推動精準農業(yè)技術普及的眾多趨勢中，農業(yè)本身的助力是一個極具前景的趨勢，而其形式是基于開源硬件和軟件設計的自助解決方案。

以AgOpenGPS（也稱為AOG）為例，該開源自動定向解決方案由加拿大農場主和軟件開發(fā)人員合作開發(fā)而成。AOG提供了所需的各種硬件設計文件、實時微控制固件及軟件，以實現傳統(tǒng)拖拉機的自動定向。

AOG開發(fā)人員耗費了數千小時才打造出這款解決方案，令其不論在成本方面（改裝拖拉機的成本不到1000美元）還是技術方面都為大眾市場所接受。

越來越多的精準農業(yè)技術平臺正在改變精準農業(yè)的影響范圍，從提供高端商業(yè)解決方案來滿足盈利豐厚的農場需求，到推出各種低成本的自助解決方案來幫助盈利低的小規(guī)模農場在一年內收回成本。

在全球糧食供應面臨巨大壓力的情況下，智慧農業(yè)技術的普及有望在解決全球人口吃飯問題方面發(fā)揮重要作用。

03.u-blox：25年不懈耕耘，塑就領先技術

25年來，u-blox一直在積極推動各種顛覆性技術的普及，為用戶帶來第一款微型GNSS接收機，隨后又拓展到藍牙、Wi-Fi和蜂窩無線通信領域，最終構建了穩(wěn)固的數據、定位和安全服務組合。

如今，u-blox在面向大眾市場的高精度GNSS接收機和校正服務以及LTE-M、NB-IoT和LTE Cat 1蜂窩通信技術方面處于行業(yè)領先地位，同時率先開發(fā)出基于藍牙的室內定位解決方案，實現了無縫的室內外定位解決方案。

審核編輯：湯梓紅