[论文解读] Sustainable and Precision Agriculture with the Internet of Everything (IoE)

Adil Z Babar, Özgür B. Akan|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2024

Smart Agriculture and AI被引用 10

一句话总结

本文综述 Internet of Everything（IoE）及新兴技术（6G、MC、IoNT、IoBNT、Internet of Fungus、designer phages）如何改变可持续与精准农业，重点聚焦 IoAT 应用、纳米技术，以及未来研究方向。

ABSTRACT

Agriculture faces critical challenges from population growth, resource scarcity, and climate change, driving a shift toward advanced, technology-integrated farming. Mechanization has transformed agriculture, enhancing sustainability and crop productivity. Now, technologies like artificial intelligence (AI), robotics, biotechnology, blockchain, and the Internet of Things (IoT) are advancing precision agriculture. The concept of the Internet of Everything (IoE) has gained traction due to its holistic approach to integrating various IoT specializations, called IoXs with X referring to a specific domain. This paper explores the transformative role of IoE in agriculture, expanding beyond traditional IoT applications to integrate niche subdomains like molecular communication (MC), the Internet of Nano Things (IoNT), the Internet of Bio-Nano Things (IoBNT), designer phages, and the Internet of Fungus (IoF). Our study provides a detailed review of how these IoE subdomains, in conjunction with 6G, blockchain, and machine learning (ML), can enhance precision farming in areas like crop monitoring, resource management, and disease control. Unlike prior IoT centric reviews, this work uniquely focuses on IoEs potential to advance agriculture at molecular and biological scales, achieving more precise resource utilization and resilience. Key contributions include an exploration of these technologies applicability, associated challenges, and recommendations for future research directions within precision agriculture.

研究动机与目标

• 在资源有限和气候变化的背景下，强调农业在生存、生计和国家经济中的关键作用。
• 综述 IoE 与 IoXs 如何与农业融合，以提升产量、效率和可持续性。
• 识别用于精准农业的关键使能技术及相关挑战，包括 6G、MC、IoNT、IoBNT 和设计噬菌体。
• 概述面向智慧农业的 IoAT 应用、纳米技术与生物-纳米通信等方向的研究路径。

提出的方法

• 对物联网、IoE、IoXs 及其在智慧农业中的应用的现有文献进行调研与整合。
• 对 IoAT 应用领域、挑战与研究机会进行主题分析。
• 探讨纳米技术、分子通信、IoNT、IoBNT 及农业领域其他新兴领域。
• 评估 6G、区块链、机器学习等技术在解决当前局限方面的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 IoE 与 IoXs 对可持续与精准农业的潜在影响是什么？
• RQ2 支持 IoE 的农业的主要使能技术有哪些，它们带来了哪些挑战？
• RQ3 在农业中的 IoAT、纳米技术和生物-纳米通信领域，哪些未来研究方向最为关键？
• RQ4 如何利用新兴领域（6G、MC、IoNT、IoBNT、Internet of Fungus、设计噬菌体）来提升产量、效率与韧性？

主要发现

• IoE 提供一个全面的框架，将物联网、生物体与非生物实体、数据与过程连接起来，以提升智慧农业。
• IoAT 应用（水资源管理、监测、疾病管理、收获）可以从 IoE 与新兴领域中受益，前提是解决能源、互操作性、安全性和数据隐私等挑战。
• 纳米技术与分子通信为精准投放、植物间信号传递和纳米尺度传感提供途径，具潜在益处与生态考量。
• 新兴领域如 IoNT、IoBNT、Internet of Fungus 和设计噬菌体在农业中的高级传感、投放与疾病管理方面具有潜力。
• 6G、太赫兹通信、区块链与机器学习被确定为克服 IoE 驱动农业中当前带宽、时延与安全约束的关键使能技术。
• 本文概述了在 IoAT、纳米技术、MC、IoNT、IoBNT 与相关生态系统中多条面向可持续与精准农业的开放研究方向。