为提高农业生产水平而开发的信息物理系统

在中西部玉米带种植了几十年的玉米和大豆之后，每英亩的产量正在接近理论极限。但是仍然需要更多的粮食来养活人和牲畜。

这些谷物从哪里来?农民和田地怎样才能产出更多?有没有一种新的、可持续的方法来提高生产率?

工程师、遗传学家、农学家、系统建模师和机器学习专家爱荷华州立大学和内布拉斯加大学林肯分校可能有办法了。他们将电子、计算机和作物专业知识结合起来，开发出一种系统，该系统将以接近单一植物的分辨率持续监测田地，预测生产力，并帮助农民管理他们的水和肥料使用。

“我们的想法是结合并交互两个子系统——一个网络系统和一个物理系统来解决问题，”该项目负责人、爱荷华州立大学(Iowa State University)麻省理工学院(mit)教授梁东说电气与计算机工程。“我们希望建立一个新的网络物理系统(CPS)，以改善农作物生产、环境质量和农业系统可持续性的农业管理。”

董博士开发了可穿戴植物传感器、土壤水势传感器以及植物和土壤养分传感器。他说，研究人员将把各种工具结合在一起，建立和测试一个数据驱动的实时系统:低成本/高性能的现场传感器、安装在无人机上的传感器的全现场监测、控制系统、分析引擎、决策算法和试验台。

例如，该系统可以检测到农作物不像它们应该的那样绿色，并将寻找缺水或低氮水平等原因。

研究人员在项目总结中写道:“通过同时检测植物的表现并诊断原因，我们可以采取适当的应对措施。”

在农田灌溉的地区，这种应对措施可能包括有控制地将水和氮肥只输送到需要水和氮肥的地区。这可以最大限度地减少化肥的使用量和成本，同时减少从农田流失的化肥，减少河流、湖泊和墨西哥湾中有害藻类的繁殖。

这个新系统的关键是结合和联网许多不同的工具。

董说:“我们着眼于开发基于传感器的技术解决方案，以帮助农学家。”“我们设计了这些土壤和植物传感器。这一次，我们将不同的传感器、模型和控制器结合在一起，以前所未有的高分辨率解释和预测植物-土壤动力学。我们正在生成可操作的信息，以决定沿着灌溉系统的中心枢纽以可变速率控制、调度和施用水和肥料。”

当然，这是一个高科技系统，但它也是一个接地气的方法，可以帮助农民提高产量，提高可持续性。

董说:“我们希望这不是科幻小说。”

-副主编Chris Vavra编辑控制工程、CFE媒体与技术、cvavra@cfemedia.com．

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