作者：Microchip Technology Inc. 8 位單片機產品部 Grace San Giacomo

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。原因在於，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於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。藉助 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。這不但有助於降低農場對自然環 境的影響，還能改良土地質量，確保子孫後代的可持續發展。

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。

由於當今嵌入式和無線技術的創新，可通過採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 傳輸到通常基於雲的集中式資料庫。 

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

聯網傳感器節點並非新概念；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。 

節點需採用電池供電，並且能效必須足夠高，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，需要利用基於單片機（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複雜任務，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，需要採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，並且需要極少的硬體維護。所有軟體更新都需要以遠程 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。 

在設計用於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，直接購買採用 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。對於智能農場組件設計人員或工程團隊來說，除了精通雲基礎設施外，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。由於智 能農場裡的絕大多數傳感器節點都採用電池供電、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，必須採用全球最節能的單片機。

8 位 MCU 擁有 50 餘年的歷史，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®單片機上獨立於內核的外設（CIP）是嵌入式設計的“增強器”。 

CIP 可以獨立於晶片的 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複性任務。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。由於經過編程後，CIP 可以起到類似於 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體偏差。 

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 提供用於數字傳感器連接的 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製的模塊化傳感器節 點。

隨著 MCU 架構的現代化，其配套開發硬體和軟體環境也逐漸發展成熟。對於小型 公司的工程團隊而言，嵌入式系統、射頻天線設計和雲連接並非核心競爭力，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 的雲提供商連接的 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。通過網際網路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並增強了土地的活力（圖 3）。

這場革命的前沿是“隨處可用”的雲連接，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，對於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）都將是在傳感器和雲之間架起橋樑的關鍵組件。