גישות חדשניות להובלת חיישנים אלקטרוניים מרוחקים בחקלאות

הגידול צריך כוח חיישן אמין בחקלאות

החקלאות המודרנית תלויה יותר ויותר ברשת צפופה של חיישנים אלקטרוניים מרוחקים כדי לפקח על משתנים כגון לחות אדמה, רמות תזונתיות, טמפרטורה, לחות ואפילו פעילות מזיקה.חיישנים אלה מספקים נתונים בזמן אמת המעצמות חקלאות מדויקת, המאפשרים לחקלאים לייעל השקיה, דשן, וקציר לוחות זמנים של מכשול מתמשך אחד: כיצד לשמור על החיישנים האלה פועלים באופן אמין בתחומים שעשויים להיות מאות של פחמן, מחסור, חשמל, ואוויר, ואוויר, יש חלופות קריטיות, יש מגבלות, ואוויר, יש הרבה יותר ויותר.

מאמר זה בוחן את האתגרים הספציפיים של כוח חיישנים חקלאיים מרוחקים, חוקר את הפתרונות המתעוררים המבטיחים ביותר, ודן כיצד חידושים אלה יכולים להפוך את הכלכלה והקיימות של חקלאות מודרנית.מממקצירת אנרגיה במערכות ביו-אנרגיה, הגישות המתוארות כאן כבר נעות ממעבדות מחקר לפרויקטים מסחריים, המציעות הצצה לעתיד שבו רשתות החיישן הן עצמאיות ותחזוקתיות.

אתגרים מרכזיים בPowering Remote Agricultural Sensors

מגבלות סוללות ולוגיקה חלופית

סוללות הן הפתרון הפשוט ביותר של כוח, אבל הן מטילות מגבלות חמורות בפריסה חקלאית בקנה מידה גדול. A חיישן טיפוסי מופעל על ידי סוללות אלקליין או ליתיום סטנדרטי יכול להימשך רק כמה חודשים תחת פעולה רציפה.בשדה עם מאות צללים, החלפת סוללות הופכת למשטח רגיש ויקר של סוללות, או כוח אדם חייב לנסוע על פני שטח לא אחיד, לאתר כל חיישן והחלפת סוללות זה יכול להיות גבוה יותר על ידי היבולים של חיישנים קשים, כמו על ידי חיישנים.

עצמאות של כוח השמש

לוחות סולאריים הם החלופה המאומץ ביותר סוללות.כאשר יחד עם סוללה נשללת, פאנל פוטו-וולטאי קטן יכול לכפות חיישן ללא הגבלת זמן בתנאים שמשיים.עם זאת, כוח השמש הוא לסירוגין לחלוטין.כיסוי ענן, גשם, שלג, אבק, ואת זווית השמש של השמש כולה להפחית את קציר האנרגיה. באזורים עם חורף ארוך או תכופה מזג אוויר, חיישניים המופעלים על ידי השמש עלולים לחוות ניסיון במהלך טיפות מתח קריטי, דורשות, כדי לנקות את לוחות תחזוקה, כדי למנוע יותר ויותר נזקי אוויריים, או כדי להוסיף סוללות.

קוסטרינטים סביבתיים ולוגיים

סביבות חקלאיות מרוחקות חושפות מערכות חשמל לתדחות טמפרטורה קיצוניות, לחות גבוהה, אבק ולחץ פיזי מבעלי חיים או מכונות.לגבי כוח או העברת נתונים הוא לעתים קרובות לא מעשי עקב עלויות, מורכבות ההתקנה, ופגיעות לנזק משרפות או קציר ציוד.בנוסף, חוות רבות חסרות את התשתית הטכנית לפקח כל הזמן או להחליף מערכות כוח.

פתרונות כוח חדשניים לחיישנים חקלאיים

כדי להתגבר על המכשולים, החוקרים והמהנדסים האלה פיתחו כמה גישות חדשניות אשר להפחית או לחסל את התלות בסוללות קונבנציונליות ובפאנלים סולאריים.הסעיפים הבאים מפורטים את הטכנולוגיות המבטיחות ביותר.

1 אנרגיה קצירת מקורות

אנרגיה קצירת לוכדת כמויות קטנות של אנרגיה מהסביבה הקרובה של החיישן ומאחסן אותה לשימוש מאוחר יותר.בניגוד לשמש, מקורות אלה זמינים לעתים קרובות ברציפות או בחיזוי, ללא קשר למזג האוויר.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

חומרים Piezoelectric לייצר מטען חשמלי כאשר מלחיצה מכנית.בשדה חקלאי, רטטים מן טרקטורים חולפים, תנועה המושרה רוח של יבולים, או אפילו התנועה של חלקיקי הקרקע ניתן לקצור. a קציר אדזואלקטרי המחובר לגדר או קבור ליד אזור שורש יכול להמיר רטטים מלוכדים לתוך מיקרווואט של כוח - מספיק כדי לסירוגין כוח נמוך חיישן הוכיחה את זה יכול למזג באופן משמעותי כדי ללכד את התדרים שונים.

הדור הדמואלקטרי

גנרטורים ה- ®rmoelectric (TEGs) ממירים את ההבדלים בטמפרטורות לחשמל.בחקלאות, ⁇ טמפרטורה טבעית קיימת בין הקרקע בעומק (יציבות יחסית) לבין האוויר מעל (הקבוע) A TEG המוצב על פני הקרקע יכול לנצל את ההבדל הזה, גם אם זה רק כמה מעלות צלזיוס. בעוד פלט חשמל הוא צנוע, זה מספיק כדי לזרז מטען סופר-על או למקריות ליום של חיישן, ללא קשר לסוללות תקופתיות.

תדירות רדיו (RF) אנרגיה קצירת אנרגיה

באזורים עם תשתיות תקשורת אלחוטיות קיימות (למשל, Wi-Fi, סלולרי, או לור WAN Gateways), אנרגיית RF משולבת יכולה להילכד באמצעות אנטנה (אנטנה מנקה) למרות שגני חשמל הם מאוד נמוכים - באופן חד-פעמי ב nanoוואט לטווח מיקרו-וואט נמוך - גידולים בעיצוב אולטרה-עוצמה נמוכה מאפשר כמה חיישנים לפעול על אנרגיה מקוטבת, במיוחד אם הם נמצאים קרוב לחיישנים יציבים.

העברה אלחוטית (WPT)

העברת חשמל אלחוטית משתמשת בשדות אלקטרומגנטיים כדי להעביר אנרגיה מ משדר למקלט ללא חיבורים פיזיים. בעוד שכוח אלחוטי לטווח ארוך עדיין בחיתוליו, שתי צורות הן מעשי עבור חיישנים חקלאיים כיום.

Resonant Inductive Coupling

טכניקה זו משתמשת סלילים מכוונים לאותו תדר חוזר להעביר כוח על פני מרחקים מכמה סנטימטרים עד מטר או יותר. טרקטור או מזל"ט מצויד משדר כוח יכול לעוף או לנהוג ליד כל חיישן node, לספק מטען אלחוטית מטען אלחוטית.ה חיישן אינו צריך מגעים חשופים, מה שהופך אותו עמיד יותר ללכלוך ולחות.

Capacitive Coupling & Electric Field Transfer

עבור חיישנים קבורים באדמה או מחוברים למבנים מתכת, הפיכה קיבולית דרך האדמה יכולה להיות אפשרית.על ידי שימוש באדמה כ dielectric, שדה חשמלי יכול להיות הוקם בין משדר קבורה לבין מקלט. שיטה זו היא פחות נפוצה, אבל נבדקה על מנת להעביר כוח לחיישנים צינורות השקיה או חקיקת אדמה קבור.

מערכות מיקרוביאלי וביוטכנולוגיה

אולי הגישה המהפכנית ביותר היא לתת לאורגניזמים חיים לספק את הכוח.מערכות ביו-אנרגיה לנצל את התהליכים המטבוליים הטבעיים של מיקרובים או צמחים לייצר חשמל.

תאי דלק מיקרוביאליים (MFCs)

MFCs משתמשים בחיידקים שפורקים חומר אורגני באדמה או במים, שחרור אלקטרונים בתהליך. An aode מוטב באדמה וקטהודה חשופים לחמצן ליצור סוללה טבעית.קרקעות חקלאיות עשירות בחומר אורגני, מה שהופך את MFC לתאים אידיאליים. A טיפוסי MFC יכול לייצר כמה מאות וואטים ברציפות במשך שנים ללא כל קלט דלק - החיידקים על חומר אורגני כבר יכול להיות משופר על ידי חיידקים, אפילו חומר אלקטרו-ידי חיידקים, אפילו, 000.

תאי דלק צמחיים-מיקרובים (P-MFCs)

P-MFCs לקחת את הרעיון צעד נוסף על ידי רתום את exudates מן שורשים צמחיים. צמחים חיים לחפור תרכובות אורגניות לתוך rhizosphere, שבו חיידקים מכים אותם. על ידי הצבת aode באזור השורש וקטודה מעל הקרקע, חשמל יכול להיות קוצר ללא פגיעה הצמח. גישה זו יוצרת מערכת כוח סימביוטית גדל: הצמח באופן טבעי תוך מתן תת-קרקעית עבור צינורות מרובים, אבל עדיין יבולים חזקים, אבל הם עדיין יבולים אנרגיה רטובים.

BioPhotovoltaics

כמה אצות ו cyanobacteria לייצר אלקטרונים כאשר נחשפים לאור בתהליך הנקרא bioPhotovoltaics. מערכת סגורה המכילה אורגניזמים אלה יכולים לשמש תא סולארי מתחדש עצמי.בניגוד photovoltaics קונבנציונלי, תאים ביופוטוטאיים מיוצרים מחומרים ביו-degradable וניתן לשלבם לתוך עלים צמחיים או משטחים קרקעיים.

מערכות היברידיות וניהול כוח חכם

שום מקור אנרגיה יחיד מושלם עבור כל התנאים.שלב שתי שיטות איסוף או יותר - כגון השמש, תרמואלקטרי ורטט - יכול ליצור מערכת היברידית המחזיקה כוח ללא קשר למזג אוויר או זמן של יום.שלבים מתקדמים של ניהול חשמל משולב (PMICs) עכשיו לאפשר מיקרובקרים לעבור בין מקורות המבוססים על זמינות ולאחסן אנרגיה עודף בסופר-capacitors או סוללות קטנות.

יישומים אמיתיים ומקורות מוקדמים

המעבר מטיפוסי מעבדה למוצרים מוכנים לתחום הוא מאיץ.קבוצות מחקר רבות וחברות טכנולוגיה בודקות את חידושים אלה בחוות עבודה.

בהולנד, פרויקט טייס הטיל תאי דלק מיקרוביאליים לחיישנים של אדמה כוח בשדה תפוחי אדמה.החיישנים עקבו אחר רמות הניטראט ושלחו נתונים באמצעות LoRaWAN, רץ ברציפות במשך יותר מ-18 חודשים ללא תחליף סוללות.ה- MFCs נקברו באזור השורש והאכילו רק על חומר אורגני הקרקע.הפרויקט הראה כי אנרגיה ביולוגית יכולה להיות מקור כוח מעשי, ארוך טווח עבור חקלאות IoT.

יוזמה נוספת בקליפורניה שילבה לוחות סולאריים עם קצירי אגזואלקטריים המחוברים לזרועות פיטורים השקיה.הטט מהפיוט המרגש יצר מספיק כוח נוסף כדי לשמור על צמת החיישן פעיל במהלך ימי ענן.המערכת הפחיתה את הפסולת ב -80% בהשוואה למתקנים הסולאריים הקונבנציונליים בלבד.

ביפן, החוקרים השתמשו ברחפנים המצוידים בטענות אינדוקטיביות כדי לטעון רשת של 50 חיישני לחות קרקע בכל יום.המזל"ט טס מסלול טרום-מוקצב, מרחף במשך 10 שניות על כל חיישן.הרשת כולה הוטעה בפחות מ-40 דקות.המזל"ט עצמו הופעל על ידי סוללה קטנה שמש בתשלום, ויצר מערכת אנרגיה סגורה.

דוגמאות אלה מדגישות כי פתרונות כוח חדשניים אינם תיאורטיים – הם מוכחים בתחום.כפי שעלויות הירידה והאמינות משתפרות, אימוץ רחב יותר צפוי.

היתרונות של אימוץ שיטות כוח חדשניות

שינוי סוללות קונבנציונליות או לוחות סולאריים לעמוד מערכות חשמל מתקדמות מניב יתרונות מרובים עבור החקלאות.

• (FLT:0) ירידה דרמטית בעלויות תחזוקה: FIRLT:1 (הפחתת או צמצום שינויים סוללה חוסך עבודה, לוגיסטיקה ועלויות סילוק.עבור חווה עם 1,000 חיישנים, כל אחד הדורש החלפת סוללות רבעונית, החיסכון השנתי יכול לעלות על 50,000 $.
• (FLT:0) אמינות ושעות נוספות: ההרחבה אנרגיה ומערכת חשמל אלחוטית מספקים כוח על הביקוש, צמצום פערי נתונים שנגרמו על ידי סוללות מתות או טעינה חמה מספקת.
• (FLT:0) קיימות סביבתית: FLT:1 סוללות חד פעמיות פחות פירושו פחות פסולת מסוכנת. מערכות ביו-אנרגיה ויבול ממקורות מתחום זה יש טביעת רגל פחמן רשלנית.זה תואם את הביקוש הצרכני הגדל לעיסוקים חקלאיים בר-קיימא.
• (FLT:0) גדול יותר הפריסה גמישות: חיישנים 1FLT ניתן להציב באזורים מסולקים, תחת קאנופי יבול, או באתרים שבהם לוחות סולאריים הם לא מעשיים.
• (FLT:0) רגישות לאזורים גדולים: FLT:1) חיישנים מונעים על ידי עצמי או טמבלי ניתן לפרוס במקומות מגוונים גיאוגרפיים ללא צורך בתשתיות מקומיות.זה חשוב במיוחד עבור ניטור טווח, יערות ושדות יבול מרוחקים.

תחזית עתיד: טכנולוגיות מתפתחות ודרכים מחקר

החדשנות ממשיכה להאיץ את טכנולוגיות מתפתחות רבות ומבטיחות לשפר עוד יותר את האוטונומיה של חיישנים חקלאיים.

Supercapacitors for Burst-Power Operations

Supercapacitors יכול לספק דופקים כוח גבוה במהירות, מה שהופך אותם אידיאליים עבור השידור רדיו קצר צריך לשלוח נתונים חיישן בשילוב עם יבול אנרגיה איטי אך יציב (כגון MFC או גנרטור תרמואלקטרי), סופר-capacitor יכול לצבור מטען מעל דקות או שעות ולאחר מכן לשחרר אותו בשבריר של שנייה.זוג זה כבר מופיע במודולים מסחריים נמוך כוח.

Long-Range Wireless Power Using Millmeter Waves

חוקרים באוניברסיטאות שונות מתנסים עם דבורים גליות מילימטר ממוקדות כדי להעביר כוח על פני מרחקים של עשרות או אפילו מאות מטרים.מערכת כזו יכולה להשתמש משדר מרכזי על בניין חקלאי כדי לכפות את כל החיישנים בתוך קו הראייה. בעוד תקנות בטיחות ויעילות נשארות, הרעיון יכול בסופו של דבר לחסל את הצורך בקוצר אנרגיה לחישה.

פרוטוקולי תקשורת אנרגיה-מודעים

פרוטוקולים חדשים של IoT כמו LoRaWAN ו-NB-IoT כבר מדגישים כוח נמוך.גרסאות עתידיות משלבות תזמון אנרגיה-מודע שבו צני החיישן נושפים משא ומתן עם שער לזמני שידור אופטימליים המבוססים על מילואים האנרגיה הזמין שלהם.זה מאפשר לרשת להתאים באופן דינמי לתנאי אנרגיה שונים, ולהבטיח כי נתונים קריטיים נשלחים תמיד כאשר כוח הוא בקושי.

חיישן biohybrid

שילוב של אנרגיה ביולוגית עם אלקטרוניקה biodegradable הוא הגבול האולטימטיבי. חיישן עשוי מחומרים אורגניים, מופעל על ידי תא דלק מיקרוביאלי, ימחק בסוף חייו - לא לחסוך פסולת. מערכות כאלה עדיין מוקדם במחקר אבל הוכחו בצורה אבטיפוס, כוח חיישן טמפרטורה במשך כמה שבועות לפני הביו-מגרד.

מסקנה: עתיד יציב לחיישנים חקלאיים

המגבלות של מקורות כוח מסורתיים מתגברות באופן שיטתי על ידי חבילה של טכנולוגיות חדשניות.אנרגיה קצירת רטטים ממתחמים, ⁇ טמפרטורה, ומיקרובים קרקע מציעה כוח מתמשך, ללא תחזוקה.עברת כוח אלחוטי באמצעות מל"טים או משדרים קבועים מספק על טעינה על פי דרישה ללא מגע פיזי.

ככל שחקלאות מדויקת ממשיכה להתרחב, היכולת לספק חיישנים בעלי כוח ועלויות באופן לא יעיל יהפכו לתועלת תחרותית עבור מאמצים מוקדמים.חקלאים, חוקרים וחברות טכנולוגיה מעודדות לחקור טכנולוגיות אלה, לבחון אותם בתנאים מקומיים, ולעזור לחדד אותם עבור המערכות האקולוגיות המגוונות המקיימות ייצור מזון גלובלי.החידושים המתוארים כאן אינם רק משככי-הם כלים מעשיים שיכולים להפחית את הפסולת, עלויות נמוכות יותר, תמיכה נוספת עבור מערכות מזון עתידיות.

(ב) [ה]קראה: [ה] [ה] [ה] [ה] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]] [ה]ה']'[ה']']'[ה']''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''