文|王儒敬 中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所 所長
如果智慧農(nóng)業(yè)是一棵樹,那么傳感器和智能感知就是樹的根,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Mㄟ^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。近年來我國農(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)鍵問題,而現(xiàn)代傳感器技術(shù)則為解決這個(gè)問題提供了技術(shù)支持。作為農(nóng)業(yè)信息獲取的“感覺器官”,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)展過程中,越來越多的新技術(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宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出,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)體系方面對農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析。
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,農(nóng)業(yè)傳感器是國際科研機(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,可見國際上對農(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,我國的農(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)國家還有一定差距。在農(nóng)業(yè)傳感器論文數(shù)量排名的國家中,美國共發(fā)表有影響力的論文519篇,牢牢占據(jù)第一的位置,中國排名第二,但數(shù)量只有99篇,不到美國的1/5,理論創(chuàng)新差距較大。高被引論文來自美國等11個(gè)國家,沒有中國,也從一個(gè)側(cè)面充分說明我國前沿創(chuàng)新能力嚴(yán)重不足。在論文數(shù)量排名前10機(jī)構(gòu)及其所屬國家總排名中,9家機(jī)構(gòu)屬于美國,中國機(jī)構(gòu)論文數(shù)量排名未進(jìn)前10。我國在該領(lǐng)域機(jī)構(gòu)研究分散,從基礎(chǔ)理論、創(chuàng)新、影響方面說明我國在該領(lǐng)域的研究與世界先進(jìn)水平還有差距。
從1974年到2017年全世界農(nóng)業(yè)傳感器方面專利總體趨勢看,農(nóng)業(yè)傳感器知識產(chǎn)權(quán)爭奪是重點(diǎn)之一。中國以4500多件的專利申請量遙遙領(lǐng)先,其中江蘇大學(xué)、西北農(nóng)林大學(xué)申請數(shù)量排名進(jìn)入了世界前10位。
但是,我國農(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)申請量排名前40名中都沒有中國企業(yè),我國企業(yè)對農(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,不見中國機(jī)構(gòu)的身影,前3名均是來自美國的企業(yè),這也從一個(gè)側(cè)面反映出中國專利質(zhì)量相對較低,核心創(chuàng)新點(diǎn)薄弱。
《中國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(2014)》明確提出,美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家掌握著傳感器的核心技術(shù),而我國傳感器需求、尤其是高端需求嚴(yán)重依賴進(jìn)口,國產(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%。國產(chǎn)農(nóng)用傳感器核心元器件應(yīng)用占比不到10%,無法滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展需求,已成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸。
此外,我國目前農(nóng)用傳感器種類不到世界的10%,傳感器價(jià)格現(xiàn)階段相對來說還比較貴,并且部分國產(chǎn)傳感器性能不夠穩(wěn)定,對于普通農(nóng)作物來說并不適用,傳感器在覆蓋面、適用性等方面還有很大提升空間。
從整個(gè)智能農(nóng)業(yè)技術(shù)體系來看,中國在前端環(huán)境信息獲取、作物本體信息獲取、農(nóng)業(yè)知識獲取、市場信息獲取等方面的能力還有所欠缺,在終端市場信息的反饋,農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測的感知技術(shù)也有不足之處,明顯感覺到我國技術(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,但目前我國農(nóng)用傳感器在技術(shù)、生產(chǎn)、應(yīng)用上還遠(yuǎn)未成熟,無法滿足智慧農(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。
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所須營養(yǎng)物質(zhì)的準(zhǔn)確含量,然后在施肥過程中再依據(jù)這些準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對化肥和農(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。目前對于土壤養(yǎng)分含量的測量方法主要有兩種: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)鍵性問題就是利用傳感器對土壤進(jìn)行低成本、大面積、快速、原位土壤肥力速測。
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)等方法對土壤的電阻以及電容等參數(shù)進(jìn)行測量,但是這種測量方法很容易受土壤組成的影響;二是利用電磁波對土壤進(jìn)行測量,這種方法可以對土壤的結(jié)構(gòu)及其物理化學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行測量。三是采用電化學(xué)方法,這種方式可以對土壤中的某些離子等進(jìn)行測量,但是這些測量方法都有所局限,因而,原位測量傳感器在國際范圍中都是研究的難點(diǎn)。
想要對其信息進(jìn)行精準(zhǔn)的探測,就必須在其測量技術(shù)、計(jì)量模型上有一定程度上的突破。經(jīng)過不斷的努力和發(fā)展,我國在土壤傳感器研究領(lǐng)域取得了一定的突破和創(chuàng)新。
一是土壤光譜檢測技術(shù)和光譜的非線性性建模能力不斷提升。這種檢測技術(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,LIBS技術(shù)快速檢測土壤中鎂、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)場速測。
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)探測器的國產(chǎn)化。我國制備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(PPb量級)、選擇性檢測,多點(diǎn)、原位、連續(xù)檢測;單樣檢測成本批量生產(chǎn)1元左右。
三是解決大面積、低成本、土壤速效養(yǎng)分速測問題,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)線列焦平面探測器,已研制0.9-1.7mm線陣探測器,突破1.7-2.5mm土壤探測階段,每臺探測器價(jià)格約為2-3萬元,達(dá)到土壤肥力速測效率高、成本低、精度達(dá)到要求。我國還成功研制出車載土壤養(yǎng)分與重金屬污染物快速檢測裝置,目前已經(jīng)通過省級鑒定。這種檢測裝置能夠?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,解決大面積、低成本、土壤綜合肥力速測問題。
此外,我國土壤養(yǎng)分檢測機(jī)器人技術(shù)得到突破,實(shí)現(xiàn)土壤樣本快速測試,單樣1元以內(nèi),檢測時(shí)間3-5分鐘,檢測周期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)速測提供大量樣本準(zhǔn)備,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場、原位、快速、低成本、智能化檢測。
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。
我國近年來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)過程中的重要環(huán)節(jié),播種過程中控制系統(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題。排種器是播種機(jī)的重要部件,光電傳感器可以對播種的種子的籽粒距離進(jìn)行準(zhǔn)確檢測,現(xiàn)已發(fā)展成為國內(nèi)外種子籽粒距離檢測的最有效方法之一,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。通過傳感器可以識別出農(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,也可以通過高精度的圖像傳感器對種子表面進(jìn)行損傷、顏色、缺陷識別,以便進(jìn)行分級處理。在農(nóng)產(chǎn)品的檢測方面,近年來興起了電子鼻檢測技術(shù),就是借助氣敏傳感器來識別氣味,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,可以檢測出果蔬產(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、病蟲害頻發(fā)等困難,我國已經(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 3 個(gè)部分構(gòu)成,可對動(dòng)物養(yǎng)殖及植物栽培過程中部分災(zāi)害進(jìn)行有效防治。我國也有部分地區(qū)已將傳感器技術(shù)運(yùn)用到測土配方施肥當(dāng)中,可使農(nóng)戶將植物生長情況數(shù)據(jù)通過終端傳輸給農(nóng)業(yè)專家,專家給予有效的解決方案,對植物實(shí)現(xiàn)精細(xì)化施肥,提高生產(chǎn)效率。
人工智能技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)帶來新的機(jī)遇。通過可以實(shí)現(xiàn);無線傳感網(wǎng)絡(luò),通過大量微型、低成本、低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)多跳無線網(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)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過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。
為加快我國農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展,進(jìn)一步縮小與發(fā)達(dá)國家技術(shù)差距,圍繞我國農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展的現(xiàn)狀和問題給出幾點(diǎn)建議:
全球傳感器市場分布情況
一是面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的復(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題,開展關(guān)鍵性技術(shù)研究,以解決傳感器件的特異性感知性能問題。
二是利用我國大科學(xué)裝置、大科學(xué)中心已有裝備,開展敏感增強(qiáng)以及封裝技術(shù)研究,引進(jìn)與自主開發(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,中國科學(xué)院智能所、地理所、遙感所、南京土壤所、沈陽自動(dòng)化所、中國科大、上海技術(shù)物理所、國家傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等優(yōu)勢單位已共建智慧農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,開展農(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,我國農(nóng)業(yè)傳感器領(lǐng)域的發(fā)展將會有廣闊的空間。