環(huán)境信息智能傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)展

徐凱杰

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引 言

“十四五”全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村科技發(fā)展規(guī)劃提出在農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)品取得新突破，其中就涉及智慧農(nóng)業(yè)元器件、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)算法、農(nóng)機(jī)裝備、農(nóng)業(yè)綠色投入品等領(lǐng)域。2022 年“中央一號文件”也涉及到要加快發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，推動水肥一體化、飼喂自動化、環(huán)境控制智能化等設(shè)施裝備技術(shù)研發(fā)應(yīng)用。因此，在發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)以及建立農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)體系的背景下，農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能傳感器在智慧農(nóng)業(yè)前沿領(lǐng)域充當(dāng)重要角色，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增效、轉(zhuǎn)型升級和綠色低碳發(fā)展的重要技術(shù)支撐?，F(xiàn)今的農(nóng)業(yè)智能傳感器領(lǐng)域仍掣肘于自主創(chuàng)新能力的缺失、核心技術(shù)缺失、國際競爭力不足、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不完整等諸多痛點(diǎn)。本文結(jié)合相關(guān)研究資料，重點(diǎn)介紹了國內(nèi)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀，從農(nóng)業(yè)芯片的制造、農(nóng)業(yè)傳感器產(chǎn)業(yè)化研發(fā)、農(nóng)業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)以及數(shù)據(jù)處理的智能算法優(yōu)化等角度出發(fā)，就我國農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能傳感器的發(fā)展提出相關(guān)對策與建議。

1 環(huán)境信息智能傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

環(huán)境信息智能傳感器技術(shù)[1]作為一種監(jiān)測動植物生長環(huán)境的傳感技術(shù)，該類傳感器技術(shù)的應(yīng)用總體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：監(jiān)測土壤環(huán)境、感應(yīng)氣象環(huán)境、監(jiān)測畜禽生存環(huán)境、感應(yīng)水體環(huán)境等。環(huán)境信息智能傳感器正朝著微型化、精度高、參數(shù)廣、壽命長以及集成化的方向發(fā)展。

1.1 水體環(huán)境類智能傳感器

水體環(huán)境感知類傳感器[1]多用在監(jiān)測漁業(yè)養(yǎng)殖用水的溫度、溶解氧、電導(dǎo)率、pH 值、濁度等參數(shù)，是漁業(yè)提質(zhì)增效生產(chǎn)極為關(guān)鍵的元器件。應(yīng)曉燕[2]采用DS18B20 溫度、溶解氧、pH 值傳感器收集水質(zhì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多路傳感器同步采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測多個(gè)節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)情況和養(yǎng)殖區(qū)域水質(zhì)全覆蓋監(jiān)測，同時(shí)搭建漁業(yè)用水水質(zhì)網(wǎng)上監(jiān)控體系。張啟元等[3]將無人船作為移動水質(zhì)感知節(jié)點(diǎn)采集養(yǎng)殖水質(zhì)信息，通過NB-IoT 技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺，最終將水質(zhì)信息可視化在終端設(shè)備Web 界面顯示；同時(shí)設(shè)計(jì)了以水質(zhì)調(diào)節(jié)設(shè)備為核心的水質(zhì)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，通過NB-IoT 下發(fā)控制指令，完成對水質(zhì)設(shè)備的調(diào)控，實(shí)時(shí)采集和查看水域的溫度、濁度、硝酸鹽、銨離子含量、溶氧和pH 值等參數(shù)，可在線控制增氧機(jī)和換水泵等設(shè)備，對水質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 土壤環(huán)境類智能傳感器

土壤環(huán)境檢測類傳感器可監(jiān)測土質(zhì)情況，如溫濕度、pH 值、電導(dǎo)率、營養(yǎng)元素含量、土壤化學(xué)藥劑殘留等，對糧食增產(chǎn)、土壤品質(zhì)改良、農(nóng)村面源污染防控和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)有重要意義。徐木強(qiáng)[4]將控制芯片STM32、外圍傳感器電路、GPS 定位、GPRS 通信電路、串口打印機(jī)和樣品稱重模塊等硬件集成，實(shí)現(xiàn)土壤溫濕度、水分、電導(dǎo)率、鹽度、pH 值、質(zhì)量、氮磷鉀等參數(shù)的采集，從開始采集到獲得結(jié)果僅需5 s，極大提高野外采樣效率。郭方辰[5]基于AVR 單片機(jī)LoRa 傳輸技術(shù)，用ATmega128 和ATtiny25 作為主控芯片和電源管理芯片，實(shí)現(xiàn)了土壤水分溫度的多點(diǎn)、多層、多功耗采集，土壤含水量平均絕對誤差在2%以內(nèi)，溫度誤差在0.5 ℃以內(nèi)。李名偉等[6]選用包含10 種類型的氧化物氣敏傳感器構(gòu)建新型傳感器陣列，建立一種基于多傳感器人工嗅覺系統(tǒng)的土壤環(huán)境有機(jī)質(zhì)含量測試方法，構(gòu)建了土壤有機(jī)質(zhì)含量與電子鼻特征空間相關(guān)的預(yù)測模型。

1.3 畜禽生存環(huán)境類智能傳感器

畜禽生存環(huán)境監(jiān)測傳感器可獲取畜禽生長空間的溫度、濕度、H2S、NH3、SO2、CO2、光照等參數(shù)。李嘉豪等[7]設(shè)計(jì)出一套可以監(jiān)控豬舍環(huán)境的感應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)，利用LoRa 傳輸技術(shù)將豬場環(huán)境調(diào)控裝置組成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過TCP/IP 通信方式與WIFI 基站端口建立通信，實(shí)時(shí)接收豬舍中溫度、濕度、NH3濃度、H2S 濃度、CO2濃度、光照強(qiáng)度傳感器數(shù)據(jù)與攝像頭的視頻流，實(shí)現(xiàn)豬舍環(huán)境遠(yuǎn)程長時(shí)間連續(xù)檢測與調(diào)控。王宏坡等[8]基于實(shí)現(xiàn)雞場的飼料精細(xì)投喂、實(shí)時(shí)監(jiān)控蛋雞行為的目的，集成了包含物聯(lián)網(wǎng)反饋感知的蛋雞飼養(yǎng)環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)，結(jié)合蛋雞生長特點(diǎn)，選用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱蛡鞲衅鞑贾梦恢?。孫樂樂等[9]從解決嚴(yán)寒區(qū)域冬季自然通風(fēng)情況下的奶牛牛舍空氣流通不暢，牛舍濕度異常、有害氣體集聚等問題角度出發(fā)，通過MCGS 組態(tài)軟件的智能感知反饋，及時(shí)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)通風(fēng)作業(yè)的變頻調(diào)控。

1.4 氣象環(huán)境類智能傳感器

氣象環(huán)境感應(yīng)類傳感器[1]可感知設(shè)施農(nóng)業(yè)中CO2濃度、O2濃度、NH3濃度、光照、濕度、溫度等氣象生長環(huán)境因子，方便調(diào)控植物和動物生長狀態(tài)，而對農(nóng)業(yè)污染氣體的監(jiān)測，有助于促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。溫室大棚內(nèi)氣象環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測，有利于植物維持良好的生長條件。郭曉姿等[10]集成了一套以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的櫻桃種植大棚生長環(huán)境無線調(diào)控系統(tǒng)，主控制芯片為STM32L151CBT6A 型單片機(jī)，將溫濕度、CO2、光照度和土壤濕度等傳感器獲取的信息由A/D 轉(zhuǎn)換器處理，經(jīng)由GPRS 模塊傳輸?shù)接脩舳?，再由用戶端調(diào)節(jié)換氣裝置、控溫裝置、噴淋裝置等，達(dá)到對大棚溫濕度、CO2濃度、土壤濕度等生長因子的實(shí)時(shí)感知、存儲和人工遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。鄭曉茜等[11]基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)搭建了一種溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測棚室內(nèi)土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等關(guān)鍵生長因子，上位機(jī)和手機(jī)獲取相關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)程序操控棚室內(nèi)遮陽簾、風(fēng)機(jī)、燈光、噴灌裝置等設(shè)備的啟停。

2 問題與對策

環(huán)境信息智能傳感器的應(yīng)用可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)降本增效，部分環(huán)境智能傳感器還能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)測，這也可以為數(shù)字農(nóng)業(yè)積累大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是總體來看，我國農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能傳感器研究還存在以下需要關(guān)注的關(guān)鍵問題。

2.1 農(nóng)業(yè)傳感器的芯片

農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能傳感器的基礎(chǔ)是芯片，中高端農(nóng)業(yè)傳感器芯片市場被國外占據(jù)。國產(chǎn)農(nóng)業(yè)傳感器芯片研發(fā)滯后，技術(shù)相對薄弱。相較于國外，國內(nèi)缺乏農(nóng)業(yè)用芯片的設(shè)計(jì)軟件，配套的編譯軟件技術(shù)水平也相對滯后。必須要降低對國外農(nóng)業(yè)傳感器芯片的依賴，健全農(nóng)業(yè)傳感器芯片科研成果轉(zhuǎn)化路徑，鼓勵走自主研發(fā)環(huán)境信息智能傳感器芯片之路。鼓勵國內(nèi)高校、半導(dǎo)體芯片企業(yè)協(xié)同研發(fā)成本低、可靠性高、性能穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)芯片，同時(shí)引導(dǎo)涉農(nóng)企業(yè)使用國產(chǎn)芯片，促進(jìn)形成良好的研發(fā)和應(yīng)用環(huán)境。

2.2 農(nóng)業(yè)傳感器

在傳感器研究領(lǐng)域，國內(nèi)高校以及科研機(jī)構(gòu)的成果多以原理性樣品呈現(xiàn)，與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有差距，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)復(fù)雜工況下的微型化、穩(wěn)定性好、耗能低、價(jià)廉、使用時(shí)間長的自主新型農(nóng)業(yè)用傳感器相對較少。推動相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的傳感元器件研究從原理性研究轉(zhuǎn)向切合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的應(yīng)用化研究，研究成果要以農(nóng)業(yè)市場需求為導(dǎo)向。政府引導(dǎo)將前沿材料科學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)智能傳感元器件的生產(chǎn)制造，加大力度扶持國內(nèi)農(nóng)業(yè)用傳感器行業(yè)的發(fā)展。

2.3 無線通信技術(shù)的建設(shè)

目前，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域尚未建立專門的無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，這使得不同種類的環(huán)境信息智能傳感器可能無法工作在同一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。迫切需要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，建立規(guī)范通用的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ脽o線傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。此外，農(nóng)業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境多為無人值守，不能做到及時(shí)維護(hù)，這對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩院涂垢蓴_能力也有更高要求。鼓勵涉農(nóng)企業(yè)開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，開發(fā)適合于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)同步算法。

2.4 數(shù)據(jù)處理的智能算法

農(nóng)業(yè)用傳感器的數(shù)據(jù)處理算法[1]與智能傳感器節(jié)點(diǎn)功耗和芯片處理能力匹配度不高，多傳感器的融合算法有待進(jìn)一步研究優(yōu)化，無法滿足日益提高的數(shù)據(jù)精度要求。缺少應(yīng)對大規(guī)模和復(fù)雜組分環(huán)境信息智能傳感器節(jié)點(diǎn)的大量信息的處理算法。對傳感器提供數(shù)據(jù)的利用程度還處于簡單的可視化層面，尚未實(shí)現(xiàn)與農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)、專家系統(tǒng)等農(nóng)業(yè)信息技術(shù)相對接而產(chǎn)生閉環(huán)系統(tǒng)，不能快捷、高效地轉(zhuǎn)化成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。從傳感器數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)、決策系統(tǒng)等農(nóng)業(yè)信息技術(shù)互融互通，解放農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力出發(fā)，積極開展農(nóng)業(yè)傳感器數(shù)據(jù)處理智能算法研究，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)本增效、轉(zhuǎn)型升級提供精準(zhǔn)科學(xué)指導(dǎo)和生產(chǎn)管理參考。

3 結(jié) 語

結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)對發(fā)展農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能傳感器的現(xiàn)實(shí)要求，本文就環(huán)境信息智能傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上剖析了我國農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能傳感器發(fā)展面臨的問題。我國的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能傳感器集成度不高，多通過模塊化組合實(shí)現(xiàn)，整體水平較國外偏低。適合農(nóng)業(yè)用芯片和擁有高性能、高集成度的傳感器元器件的缺少，加之無線通信技術(shù)和智能算法的研究也不充分，造成了國內(nèi)農(nóng)業(yè)傳感器行業(yè)發(fā)展滯后。在推動鄉(xiāng)村振興與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中，持續(xù)加大農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能傳感元器件及配套技術(shù)的研發(fā)，發(fā)展中國自己的農(nóng)業(yè)智能傳感器是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展必須直面和解決的問題。