面向智慧农业应用的无线解决方案
农业产业正面临若干交织叠加的挑战，包括过度生产、过度消费、供应链问题以及环境关切。无线连接能够为此提供助力，并为智慧农业带来广泛的应用，涵盖从精准农业到作物与牲畜管理，再到远程灌溉控制和温室自动化等各个环节。
本白皮书将论述无线物联网技术在农业领域的全新变革性应用场景，以及 Wi-SUN 如何成为该领域的基础性 LPWAN 技术。本文将深入探讨农业物联网如何赋能农户优化运营、减少浪费并提升效率，具体包括：
- 气候监测
传感器持续监测田间状况，绘制气候数据图谱，以确定最适宜的作物并最大限度挖掘增产潜力。 - 温室自动化
提供精准的实时信息，包括土壤状况、光照、温度及湿度。 - 作物管理
检测异常情况，并及时采取预防措施，防范可能损害作物产量的病虫害。 - 家牛管理和监测
连接在牲畜身上的无线传感器可实现实时监测，帮助农户及时发现患病牲畜。 - 精准农业
借助传感器数据，农户能够估算作物所需的水、肥料和农药的最佳用量。 - 预测分析
数据分析通过剖析天气状况及其他因素，使农业生产更易于管理且更具可预见性。
无线解决方案驱动的农业物联网
面对气候和社会经济变化带来的挑战，农业是亟需深入审视并加大投入的关键产业之一。过度生产、过度消费及供应链问题造成大量浪费。根据政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的报告，过度生产导致水、能源和劳动力资源的严重浪费。农业产业还加剧碳足迹的增加、大规模的森林砍伐和土地退化。
为应对这些问题，并同步加强粮食安全、减少排放、提高作物产量及实现更好的资源利用，这一领域正在进行大量的技术开发。无线连接与物联网 (IoT) 技术为农业产业带来全新的解决方案，从首次收获起便能产生显著的经济效益。
本白皮书将论述无线物联网技术在农业领域的全新变革性应用场景，以及 Wi-SUN（无线智能泛在网络）如何成为该领域的基础性 LPWAN 技术。
各农业垂直领域的大规模变革
迄今为止，无线连接通过技术创新和数字化转型，为农业的广泛重构提供支撑。气候控制和监测等流程使昂贵费力的人工流程实现自动化，并提升农户的决策能力。借助这项技术，无论是大规模的趋势规律，还是小范围的局部问题，都能在其出现时被更及时、更轻松地识别。这便是“智慧”农业。其目标是提高产品的数量与质量，同时优化所投入的人力劳动。
当今的农户拥有多种可用技术：
传感器
用于土壤、水分、光照、湿度、温度管理等。
智能农业设备
农业设备，包括机器人及人工作业设备，可促进劳动力节约、提高生产效率并增强安全性。智慧农业使用地面和空中无人机进行作物健康评估、灌溉、作物监测、作物喷洒、播种以及土壤和田间分析。
连接协议选项
Wi-SUN、蜂窝网络、LoRa 及其他。
不同农业场景下的智慧农业实施
上述技术协同运用，可节约劳动力，提升生产效率与安全性。例如，智慧农业利用地面无人机和空中无人机，进行作物健康评估、灌溉、作物监测、作物喷洒、播种以及土壤与田间分析。
例如，在乡村农业中，物联网技术被用于监测和控制大片土地的水分与养分含量。在海洋农业场景中，该技术则被用于海藻养殖等活动。在日本冲绳的一处海藻养殖场，低功耗电池供电的 Wi-SUN 设备被安装在浮标上，用于测量水温和盐度。岸上设施部署更多设备（且全部按照严格的 IEEE 标准制造），它们将数据传输至云端，以便远程访问和分析。最终，像海洋永续农业这样融合粮食生产与碳减排的实践模式，理应走向自给自足。即便如此，物联网技术在环境监测和异常情况预警方面仍具有无可估量的价值。
这些优势也延伸至温室生产和垂直农业。温室以一种简单而有效的方式减少天气对作物生产的影响。物联网技术则通过自动化环境控制和最大化作物产量来提供帮助。在日本的蔬菜和芒果种植中，已可见 Wi-SUN 技术的实际应用。
垂直农业是应对日益增长的大规模城市人口粮食需求的一种方式。若无物联网技术，它将难以实现，该技术可用于控制光照、温度、灌溉和养分。无论采用何种农业方式，目标始终一致——助力作物茁壮成长，而物联网能够为农户的种种努力提供支持。
农业物联网中的无线应用场景
气候条件监测
最受欢迎的农业物联网设备是由各种智慧农业传感器组成的气象站。分布在田间各处的传感器从环境中采集数据，用于绘制气候条件图谱。这些信息被用来选择适宜的作物，并更准确地判断某块土地所能支撑的作物产量。
温室自动化
物联网传感器可提供关于温室状况的精准实时信息，如土壤条件、光照、温度和湿度。
作物管理
与气象站类似，田间传感器采集温度、湿度和光照数据。这些数据用于检测异常情况，并有效防范可能危害产量的病虫害。
牲畜监测与管理
农业传感器被安装在牲畜身上，用于监测其位置和健康状况。如果将患病牲畜与畜群隔离开，农户就能避免传染。
精准农业
精准农业的核心是通过数据驱动的决策来提升效率。这是物联网在农业中应用最广泛、最有效的方式之一。借助物联网传感器，农户可收集光照、温度、土壤条件、湿度、二氧化碳浓度和病虫害侵染等方面的大量数据。这些数据使农户能够估算出作物所需的水、肥料和农药的最佳用量。最终，这一方法可降低成本，并培育出更健康的作物。
预测分析
精准农业与预测性数据分析相辅相成。物联网和智能传感器技术是获取高度相关的实时数据的金矿，而数据分析工具则帮助农户理解这些数据，并针对作物收获时间、病虫害风险、产量规模等做出重要预测。数据分析工具有助于使本质上高度依赖天气条件的农业生产变得更易于管理和预测。
非专有与专有无线解决方案的比较
与众多物联网应用一样，智慧农业领域也存在专有和非专有解决方案。专有解决方案使农户能够采用封闭式生态系统，对其系统和部署拥有完全的控制权。非专有解决方案则确保跨多种设备类型和供应商的互操作性。根据具体的应用需求，您可以选择最适合自身情况的方式。
Wi-SUN 技术：面向现代农业的非专有解决方案
Wi-SUN 是面向智慧城市和智慧公用事业应用的领先 IPv6 1 GHz 以下网状网络技术。它为服务提供商、公用事业、市政/地方政府及其他企业带来互操作性、多业务的网状网络。Wi-SUN 是一种基于 IPv6 和 IEEE 802.15.4g/e 规范的开放标准协议，可用于各种应用（包括线路供电和电池供电传感器节点）中的大型户外物联网无线通信网络。
Wi-SUN 场域网络 (FAN) 技术非常适用于户外物联网网络，因为它在密集的城市地区也能提供良好的覆盖范围。Wi-SUN FAN 网络技术的覆盖范围和可靠性，意味着它同样适用于农业物联网。
Wi-SUN 网络组件
如图所示，Wi-SUN 由边界路由器 (BR)、路由器节点和叶节点组成。Wi-SUN 属于场域网络 (FAN)，可采用全网状或星形拓扑结构运行。
边界路由器节点
提供场域网络到广域网 (WAN) 的连接，维护源路由表，并控制节点认证和密钥管理服务。
路由器节点
控制上行和下行的数据包转发。
叶节点
提供最低限度的功能，大多为电池供电的传感器节点。
Wi-SUN FAN 的主要优势
| 要求 | 产品特性 | 优势 |
|---|---|---|
| 基于 IP 的解决方案 | IPv6/6LoWPAN | 广泛的互操作性 全面的安全性 既有的命名、寻址、转换、查找、发现 应用级数据模型和服务 既有的网络管理 |
| 开放标准 | 基于 IEEE、IETF 及开放标准 | 利用现有的成熟标准，无需“重复造轮子”；不被特定供应商锁定 |
| 全球解决方案 | 未经许可的频段：2.4 GHz 1 GHz 以下为主 FSK 和 OFDM 模块 |
支持全球和地区 1 GHz 以下频段 |
| 无线电选项 | FSK 和 OFDM 模块 | 为各种部署场景（城市到农村）提供各种数据速率和覆盖范围 |
| 吞吐量 | 50 kbps 至 2400 kbps | 满足多种潜在用例的不同吞吐量需求 |
| 应用类型 | 低功率高/低吞吐量 | 支持线路供电及电池供电 |
Silicon Labs 完整的 Wi-SUN 产品组合
Silicon Labs 的 Wi-SUN 硬件已通过 Wi-SUN 联盟认证。Wi-SUN 联盟是一家致力于实现无缝 LPWAN 连接的全球性行业协会。Wi-SUN 基于开放标准的互联网协议 (IP) 和 API 构建，使开发人员能够扩展现有的基础架构平台以增加新功能。Wi-SUN 具有可扩展性，兼具长距离传输能力、高数据吞吐量和 IPv6 支持，可简化面向工业应用、智慧城市演进和智慧农业的无线基础设施。
农业物联网的专有网络
虽然 Wi-SUN 非常适合某些物联网农业应用，但另有一些应用更适于采用专有方案。这些应用无需标准化网状网络方法带来的复杂性和日常管理开支，也无需拥有不易受到标准化方法支持的移动资产。借助 EFR32FG23 等设备，客户可以开发更适合自身需求的低功耗、点对点或星形网络。
有关 Silicon Labs Wi-SUN 产品的更多信息，请访问 FG23 和 FG25 产品页面；如需了解 Silicon Labs 的设备如何支持农业物联网，请阅读我们关于 Bee Hero 的案例研究，该公司正利用物联网传感器技术拯救蜜蜂。
Silicon Labs 的 Wi-SUN FAN 1.1 支持
Silicon Labs 的系列 2 无线 SoC。EFR32FG25 支持 Wi-SUN FAN 1.1 规范，该器件包含多个射频模块和一个运行频率为 97.5 MHz 的 32 位 ARM® Cortex® M33 内核平台。
Silicon Labs 对全球频段的 Wi-SUN 支持
- 美国及许多其他地区：902 928 MHz
- 巴西：902 907.5 和 915 928 MHz
- 日本：920 MHz
- 欧洲：863 870 MHz；870 876 MHz
- 印度：865 868 MHz
