文|王儒敬 中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所 所長(zhǎng)

如果智慧農(nóng)業(yè)是一棵樹(shù)，那么傳感器和智能感知就是樹(shù)的根，是智慧農(nóng)業(yè)的源頭。作為農(nóng)業(yè)信息獲取的“感覺(jué)器官”，農(nóng)業(yè)信息感知層的關(guān)鍵組成部分，農(nóng)業(yè)傳感器承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹厝?。通過(guò)傳感器，可以有效降低人力消耗，更能極大擺脫天氣因素限制。同時(shí)，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成更科學(xué)、更精確的信息手段和以軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)真正走上智能化、自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制化的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展之路。近年來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)傳感器從論文、專利、產(chǎn)業(yè)、技術(shù)體系方面都有較快的發(fā)展，但產(chǎn)業(yè)化程度低，規(guī)模小，這些都成為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約，必須進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式隨時(shí)代而變遷，與科技相接軌，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)農(nóng)業(yè)信息化的支持。隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步走向信息化、自動(dòng)化、智能化的道路。

在信息化農(nóng)業(yè)中，通過(guò)獲取作物信息、農(nóng)田環(huán)境信息、農(nóng)機(jī)作業(yè)信息等，分析與處理采集的環(huán)境信息，最終形成可提供決策支持的信息命令，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成更科學(xué)，更精確的信息手段和以軟件為中心的生產(chǎn)模式，將為精細(xì)農(nóng)業(yè)提供更加豐富的實(shí)時(shí)信息，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供智能化、智慧化管理。

獲取信息是分析、處理信息，形成控制的前提，如何有效獲取信息是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題，而現(xiàn)代傳感器技術(shù)則為解決這個(gè)問(wèn)題提供了技術(shù)支持。作為農(nóng)業(yè)信息獲取的“感覺(jué)器官”，農(nóng)業(yè)信息感知層的關(guān)鍵組成部分，農(nóng)業(yè)傳感器承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹厝巍?/p>

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，越來(lái)越多的新技術(shù)及新設(shè)備均得到廣泛應(yīng)用。智能傳感器概念最早由美國(guó)宇航局在研發(fā)宇宙飛船過(guò)程中提出，并迅速應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，世界范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)傳感器探索也快速向前發(fā)展。本文根據(jù)中國(guó)科學(xué)院情報(bào)所袁建霞研究員提供農(nóng)業(yè)傳感器論文與專利分析報(bào)告，從論文、專利、產(chǎn)業(yè)、技術(shù)體系方面對(duì)農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

我國(guó)相關(guān)論文發(fā)表的數(shù)量居世界第二位，但不在高被引論文之列，這從一個(gè)側(cè)面反映我國(guó)前沿創(chuàng)新能力的嚴(yán)重不足

從1991年到2017年全世界在農(nóng)業(yè)傳感器研究領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量呈快速上升態(tài)勢(shì)，農(nóng)業(yè)傳感器是國(guó)際科研機(jī)構(gòu)研究熱點(diǎn)。隨著傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展和應(yīng)用，相關(guān)論文數(shù)量在2015年至2017年甚至出現(xiàn)了猛增，可見(jiàn)國(guó)際上對(duì)農(nóng)業(yè)傳感器前沿技術(shù)的研究，尤其是創(chuàng)新理論的研究是一個(gè)重大熱點(diǎn)。近些年來(lái)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)的發(fā)展步伐比較快，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。在農(nóng)業(yè)傳感器論文數(shù)量排名的國(guó)家中，美國(guó)共發(fā)表有影響力的論文519篇，牢牢占據(jù)第一的位置，中國(guó)排名第二，但數(shù)量只有99篇，不到美國(guó)的1/5，理論創(chuàng)新差距較大。高被引論文來(lái)自美國(guó)等11個(gè)國(guó)家，沒(méi)有中國(guó)，也從一個(gè)側(cè)面充分說(shuō)明我國(guó)前沿創(chuàng)新能力嚴(yán)重不足。在論文數(shù)量排名前10機(jī)構(gòu)及其所屬國(guó)家總排名中，9家機(jī)構(gòu)屬于美國(guó)，中國(guó)機(jī)構(gòu)論文數(shù)量排名未進(jìn)前10。我國(guó)在該領(lǐng)域機(jī)構(gòu)研究分散，從基礎(chǔ)理論、創(chuàng)新、影響方面說(shuō)明我國(guó)在該領(lǐng)域的研究與世界先進(jìn)水平還有差距。

我國(guó)農(nóng)業(yè)傳感器專利申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先，但產(chǎn)業(yè)關(guān)注度嚴(yán)重不足，核心創(chuàng)新點(diǎn)薄弱，國(guó)產(chǎn)元器件占比率低，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展瓶頸

從1974年到2017年全世界農(nóng)業(yè)傳感器方面專利總體趨勢(shì)看，農(nóng)業(yè)傳感器知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)奪是重點(diǎn)之一。中國(guó)以4500多件的專利申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先，其中江蘇大學(xué)、西北農(nóng)林大學(xué)申請(qǐng)數(shù)量排名進(jìn)入了世界前10位。

但是，我國(guó)農(nóng)業(yè)傳感器產(chǎn)業(yè)關(guān)注嚴(yán)重不足。專利主要依靠企業(yè)進(jìn)行發(fā)力，而在專業(yè)申請(qǐng)量排名前40名中都沒(méi)有中國(guó)企業(yè)，我國(guó)企業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)傳感器的關(guān)注度還未引起高度重視，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和應(yīng)用較小，還處于發(fā)展起步階段。在高被引專利分析中，不見(jiàn)中國(guó)機(jī)構(gòu)的身影，前3名均是來(lái)自美國(guó)的企業(yè)，這也從一個(gè)側(cè)面反映出中國(guó)專利質(zhì)量相對(duì)較低，核心創(chuàng)新點(diǎn)薄弱。

《中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)（2014）》明確提出，美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家掌握著傳感器的核心技術(shù)，而我國(guó)傳感器需求、尤其是高端需求嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化缺口巨大，傳感器件進(jìn)口占比80%，傳感器芯片進(jìn)口占比達(dá)90%。國(guó)產(chǎn)農(nóng)用傳感器核心元器件應(yīng)用占比不到10%，無(wú)法滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，已成為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

此外，我國(guó)目前農(nóng)用傳感器種類不到世界的10%，傳感器價(jià)格現(xiàn)階段相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較貴，并且部分國(guó)產(chǎn)傳感器性能不夠穩(wěn)定，對(duì)于普通農(nóng)作物來(lái)說(shuō)并不適用，傳感器在覆蓋面、適用性等方面還有很大提升空間。

我國(guó)農(nóng)業(yè)傳感器從前端信息獲取到終端市場(chǎng)信息反饋都存在不足之處

從整個(gè)智能農(nóng)業(yè)技術(shù)體系來(lái)看，中國(guó)在前端環(huán)境信息獲取、作物本體信息獲取、農(nóng)業(yè)知識(shí)獲取、市場(chǎng)信息獲取等方面的能力還有所欠缺，在終端市場(chǎng)信息的反饋，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)的感知技術(shù)也有不足之處，明顯感覺(jué)到我國(guó)技術(shù)體系發(fā)展這一塊前端和后端的感知是很薄弱的，有必要得到更好地加強(qiáng)。

傳感器技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景非常廣泛，但目前我國(guó)農(nóng)用傳感器在技術(shù)、生產(chǎn)、應(yīng)用上還遠(yuǎn)未成熟，無(wú)法滿足智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的技術(shù)要求，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)存在的諸多技術(shù)瓶頸嚴(yán)重制約著智慧農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。

我國(guó)在土壤成分速測(cè)智能傳感技術(shù)探索方面取得突破性進(jìn)展

智能農(nóng)業(yè)中的一個(gè)重要組成部分就是精準(zhǔn)施肥。精準(zhǔn)施肥的前提是實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取土壤中植物生長(zhǎng)所須營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的準(zhǔn)確含量，然后在施肥過(guò)程中再依據(jù)這些準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對(duì)化肥和農(nóng)藥的施加量進(jìn)行科學(xué)的配比，實(shí)現(xiàn)以最小的化學(xué)投入量獲得最大的產(chǎn)出效益。目前對(duì)于土壤養(yǎng)分含量的測(cè)量方法主要有兩種：一種是使用最為廣泛也最準(zhǔn)確的化學(xué)分析方法，另一種就是利用土壤傳感器進(jìn)行分析。

土壤傳感器因土壤組成成分的復(fù)雜性，發(fā)展較為緩慢，這是目前農(nóng)業(yè)傳感器研究的重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)傳感器研究機(jī)構(gòu)，希望解決的關(guān)鍵性問(wèn)題就是利用傳感器對(duì)土壤進(jìn)行低成本、大面積、快速、原位土壤肥力速測(cè)。

目前采用的方法主要有以下幾種，但都有不足之處。一是采用電子以及電磁學(xué)等方法對(duì)土壤的電阻以及電容等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，但是這種測(cè)量方法很容易受土壤組成的影響；二是利用電磁波對(duì)土壤進(jìn)行測(cè)量，這種方法可以對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行測(cè)量。三是采用電化學(xué)方法，這種方式可以對(duì)土壤中的某些離子等進(jìn)行測(cè)量，但是這些測(cè)量方法都有所局限，因而，原位測(cè)量傳感器在國(guó)際范圍中都是研究的難點(diǎn)。

想要對(duì)其信息進(jìn)行精準(zhǔn)的探測(cè)，就必須在其測(cè)量技術(shù)、計(jì)量模型上有一定程度上的突破。經(jīng)過(guò)不斷的努力和發(fā)展，我國(guó)在土壤傳感器研究領(lǐng)域取得了一定的突破和創(chuàng)新。

一是土壤光譜檢測(cè)技術(shù)和光譜的非線性性建模能力不斷提升。這種檢測(cè)技術(shù)采用近紅外結(jié)合深度學(xué)習(xí)非線性建模實(shí)現(xiàn)土壤總氮、有機(jī)質(zhì)、PH值快速檢測(cè)，LIBS技術(shù)快速檢測(cè)土壤中鎂、鈣、錳、鐵等中微量元素。這項(xiàng)技術(shù)的突破不僅消除土壤顆粒、濕度以及多種成分交互影響，還大大提高近紅外、激光擊穿誘導(dǎo)、X熒光射線以及太赫茲等土壤光譜檢測(cè)的魯棒性與模型泛化能力，實(shí)現(xiàn)土壤大面積、低成本土壤快速現(xiàn)場(chǎng)速測(cè)。

二是新材料與新工藝取得突破，降低設(shè)備生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)光學(xué)探測(cè)器的國(guó)產(chǎn)化。我國(guó)制備CdTe（碲化鎘）納米膜與石墨烯納米膜與磷酸根等離子絡(luò)合，實(shí)現(xiàn)土壤傳感器新材料突破，實(shí)現(xiàn)硝酸根、銨根、磷酸根、鉀離子痕量檢測(cè)（PPb量級(jí)）、選擇性檢測(cè)，多點(diǎn)、原位、連續(xù)檢測(cè)；單樣檢測(cè)成本批量生產(chǎn)1元左右。

三是解決大面積、低成本、土壤速效養(yǎng)分速測(cè)問(wèn)題，為精準(zhǔn)追肥提供產(chǎn)品支撐。中科院上海技術(shù)物理研究所研制的InGaAs（銦砷化鎵：三元化合物半導(dǎo)體）線列焦平面探測(cè)器，已研制0.9-1.7mm線陣探測(cè)器，突破1.7-2.5mm土壤探測(cè)階段，每臺(tái)探測(cè)器價(jià)格約為2-3萬(wàn)元，達(dá)到土壤肥力速測(cè)效率高、成本低、精度達(dá)到要求。我國(guó)還成功研制出車載土壤養(yǎng)分與重金屬污染物快速檢測(cè)裝置，目前已經(jīng)通過(guò)省級(jí)鑒定。這種檢測(cè)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)土壤總氮、有機(jī)質(zhì)、PH值，鎂、鈣、錳、鐵等中微量元素快速檢測(cè)，解決大面積、低成本、土壤綜合肥力速測(cè)問(wèn)題。

此外，我國(guó)土壤養(yǎng)分檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)得到突破，實(shí)現(xiàn)土壤樣本快速測(cè)試，單樣1元以內(nèi)，檢測(cè)時(shí)間3-5分鐘，檢測(cè)周期2小時(shí)；為精準(zhǔn)施肥提供技術(shù)支撐，同時(shí)為大規(guī)模土壤成分光學(xué)速測(cè)提供大量樣本準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、原位、快速、低成本、智能化檢測(cè)。

農(nóng)業(yè)傳感器的在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域應(yīng)用廣泛

現(xiàn)代農(nóng)機(jī)必須滿足大田塊作業(yè)的要求，向大型化、作業(yè)高速化發(fā)展，將傳感器應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理農(nóng)業(yè)機(jī)械工作中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，并能促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械使用的可靠性、降低工作能耗、節(jié)省人力和資源的投入。

我國(guó)近年來(lái)一直致力于研究從動(dòng)力機(jī)械到播種、植保、收獲的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，播種過(guò)程中控制系統(tǒng)反應(yīng)的快速程度以及可靠程度是播種類農(nóng)業(yè)機(jī)械工作中需要解決的重要問(wèn)題。排種器是播種機(jī)的重要部件，光電傳感器可以對(duì)播種的種子的籽粒距離進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，現(xiàn)已發(fā)展成為國(guó)內(nèi)外種子籽粒距離檢測(cè)的最有效方法之一，光電傳感器工作的優(yōu)良程度直接影響到整個(gè)播種系統(tǒng)的性能和效果，進(jìn)而影響產(chǎn)量。

傳感器技術(shù)還應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工檢測(cè)方面。一般的農(nóng)產(chǎn)品都需要分類加工，如番茄除青果，大米除雜、棉種分選，這些都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的后道工序。農(nóng)產(chǎn)品分選時(shí)多使用的是色選裝置，而充當(dāng)色選裝置“眼睛”的就是傳感器，從普通的光電傳感器，到復(fù)雜的圖像傳感器，不一而足。通過(guò)傳感器可以識(shí)別出農(nóng)產(chǎn)品中的雜質(zhì)或不成熟體，并反饋給系統(tǒng)進(jìn)行篩除，也可以通過(guò)高精度的圖像傳感器對(duì)種子表面進(jìn)行損傷、顏色、缺陷識(shí)別，以便進(jìn)行分級(jí)處理。在農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)方面，近年來(lái)興起了電子鼻檢測(cè)技術(shù)，就是借助氣敏傳感器來(lái)識(shí)別氣味，并可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間、不同地點(diǎn)采集的氣味持續(xù)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，可以檢測(cè)出果蔬產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留濃度、不同水果的成熟度、谷類是否變質(zhì)等等。

傳感器技術(shù)還廣泛應(yīng)用于動(dòng)物養(yǎng)殖及植物栽培等方面。我國(guó)農(nóng)村在動(dòng)物養(yǎng)殖及植物栽培方面存在著布局分散、診治專家短缺、瘟病、病蟲(chóng)害頻發(fā)等困難，我國(guó)已經(jīng)研制出農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，集音、視頻于一體，可實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)、診斷。該系統(tǒng)是由傳感器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、專家信息平臺(tái) 3 個(gè)部分構(gòu)成，可對(duì)動(dòng)物養(yǎng)殖及植物栽培過(guò)程中部分災(zāi)害進(jìn)行有效防治。我國(guó)也有部分地區(qū)已將傳感器技術(shù)運(yùn)用到測(cè)土配方施肥當(dāng)中，可使農(nóng)戶將植物生長(zhǎng)情況數(shù)據(jù)通過(guò)終端傳輸給農(nóng)業(yè)專家，專家給予有效的解決方案，對(duì)植物實(shí)現(xiàn)精細(xì)化施肥，提高生產(chǎn)效率。

智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，專業(yè)農(nóng)業(yè)傳感器研發(fā)意義重大，要強(qiáng)化協(xié)同創(chuàng)新，著力突破共性技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)，縮小與國(guó)外的差距

人工智能技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇。通過(guò)可以實(shí)現(xiàn)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量微型、低成本、低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以完成大規(guī)模、自組織、集成化，動(dòng)態(tài)性、可靠性的數(shù)據(jù)傳輸；傳感器與智能感知：通過(guò)熱敏、光敏、氣敏、力敏、磁敏、濕敏、聲敏、放射線敏、色敏和味敏等信息感知，微納米敏感材料與敏感元器件、深度學(xué)習(xí)泛化模型，實(shí)現(xiàn)了智能感知與數(shù)據(jù)收集。感知、傳輸及應(yīng)用三個(gè)層面的發(fā)展協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的管理與控制的同時(shí)，為智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。

為加快我國(guó)農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展，進(jìn)一步縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)差距，圍繞我國(guó)農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展的現(xiàn)狀和問(wèn)題給出幾點(diǎn)建議：

全球傳感器市場(chǎng)分布情況

一是面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的復(fù)雜變異性，圍繞光敏、氣敏、力敏、離子敏及納米材料制備及其元器件制造等問(wèn)題，開(kāi)展關(guān)鍵性技術(shù)研究，以解決傳感器件的特異性感知性能問(wèn)題。

二是利用我國(guó)大科學(xué)裝置、大科學(xué)中心已有裝備，開(kāi)展敏感增強(qiáng)以及封裝技術(shù)研究，引進(jìn)與自主開(kāi)發(fā)結(jié)合，研制先進(jìn)微納工藝制備裝備與自動(dòng)化生產(chǎn)線，以提高傳感器件的整體性能。

三是按創(chuàng)新2.0模式構(gòu)建政、產(chǎn)、學(xué)、研、用協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，降低開(kāi)發(fā)成本，縮短創(chuàng)新周期，深度學(xué)習(xí)提升傳感器魯棒性與模型泛化能力。

目前，中國(guó)科學(xué)院智能所、地理所、遙感所、南京土壤所、沈陽(yáng)自動(dòng)化所、中國(guó)科大、上海技術(shù)物理所、國(guó)家傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等優(yōu)勢(shì)單位已共建智慧農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，開(kāi)展農(nóng)業(yè)傳感器、大數(shù)據(jù)與智能裝備（農(nóng)業(yè)機(jī)器人）研究，在敏感材料與敏感元器件以及傳感器深度學(xué)習(xí)建模等核心技術(shù)前沿，取得重大突破，形成系列源頭創(chuàng)新成果，隨著研究的進(jìn)一步深入，我國(guó)農(nóng)業(yè)傳感器領(lǐng)域的發(fā)展將會(huì)有廣闊的空間。