尹武　趙辰　張晉娜

摘要? ? 傳感器技術(shù)是智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，目前我國農(nóng)業(yè)傳感器的應(yīng)用存在諸多問題，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展。本文對比了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用與集成的現(xiàn)狀，并提出了相應(yīng)的發(fā)展策略，最終提出了關(guān)于農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的未來研究重點與發(fā)展方向的觀點。

關(guān)鍵詞? ? 傳感器技術(shù);智慧農(nóng)業(yè);監(jiān)測技術(shù)

中圖分類號? ? S127? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）02-0253-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Abstract? ? Sensor technology is a key technology in the construction of smart agriculture.At present，there are many problems in the application of sensors in China′s smart agriculture，which seriously restrict the further development of agricultural industrialization.This paper compared the current status of domestic and foreign agricultural cultivation sensors，and proposed corresponding development strategies，and finally put forward the future research focus and development direction of the agricultural cultivation industry.

Key words? ? sensor technology;smart agriculture;monitoring technology

1? ? 智慧農(nóng)業(yè)的作用與意義

智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級階段，即集成應(yīng)用傳感和測量技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)、智能技術(shù)及自動控制技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，依托部署在農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的各種傳感器節(jié)點和通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的田間智慧種植、可視化管理、智能預(yù)警及智能化決策等。

我國是農(nóng)業(yè)大國，但非農(nóng)業(yè)強國。面對農(nóng)業(yè)發(fā)展相對落后的現(xiàn)狀和國際農(nóng)業(yè)市場的挑戰(zhàn)，目前我國也不失時機地大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，使之成為我國農(nóng)業(yè)普及現(xiàn)代信息技術(shù)、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的突破口。在江蘇、山東等地，RFID電子標(biāo)簽、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、二維碼、無線傳感器監(jiān)測等技術(shù)日趨成熟，并逐步應(yīng)用到智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)中，以幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題，及時準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化，并可遠(yuǎn)程控制。

農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，市場規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)百億元。目前，國內(nèi)傳感器測量誤差大、精度低，應(yīng)用設(shè)計水平低，相關(guān)人才缺乏。農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，近年來全國農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖產(chǎn)值逾1萬億元，產(chǎn)品出口順差超過100億元，其中養(yǎng)殖出口額穩(wěn)居國內(nèi)大宗農(nóng)產(chǎn)品首位[1]。但長期以來我國農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖更多的是通過規(guī)模擴張和資源消耗來片面追求高產(chǎn)量，增長速度的提高是以高消耗和占有大量資源為代價[2]。這一模式導(dǎo)致生態(tài)失衡和環(huán)境惡化的問題日益凸顯。

2? ? 農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的現(xiàn)狀

從全球傳感器市場分布情況來看，傳感器主要的市場份額被美國、日本和德國所占據(jù)，而其他亞洲國家包括中國的市場份額與其相比望塵莫及[3]。由于國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器廠家在以上方面與國外發(fā)達(dá)國家存在較大的差距，使國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的發(fā)展和應(yīng)用受到極大的限制，迫切需要國家在此方面進(jìn)行引導(dǎo)，以推動國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。

國內(nèi)的農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器在可靠性及穩(wěn)定性方面與國外產(chǎn)品差距較大。一是生產(chǎn)企業(yè)在監(jiān)測方面缺少電子產(chǎn)品監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)積累，測試都是傳統(tǒng)的誤差測試，如大部分農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器缺少電磁兼容EMC、環(huán)境可靠性和安規(guī)[4]等測試，遇到強干擾、雷擊、強靜電、高輻射、溫濕度變化大、腐蝕氣體液體和強降水和防水密度壓力不夠等，將嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的性能和功能。二是目前國內(nèi)相關(guān)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器廠家在此方面基礎(chǔ)比較薄弱，亟需相關(guān)技術(shù)方面的改進(jìn)，如納米技術(shù)、生物基因、化學(xué)成分及時分析等技術(shù)的應(yīng)用可為農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖生物傳感器的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[5]。

2.1? ? 國內(nèi)外農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的對比

智慧農(nóng)業(yè)已成為歐美等發(fā)達(dá)國家提升農(nóng)產(chǎn)品出口產(chǎn)值的最主要手段，在許多國家已成為共識。國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器產(chǎn)業(yè)化水平與國外發(fā)達(dá)國家相差比較大，主要包括以下幾個方面。①精度上相差1～2個等級，性價比較低，產(chǎn)品故障率高，缺少智能化信息化的支持，普遍是屬于簡單單一檢測功能，信息化水平較低;②缺少傳感器通信技術(shù)，如無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信，準(zhǔn)確度、可靠性、覆蓋范圍受到較大影響;③測量種類單一，農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖監(jiān)測屬于系統(tǒng)監(jiān)測，多參數(shù)、多領(lǐng)域監(jiān)控亟待開發(fā);④缺少傳感器智能校準(zhǔn)技術(shù)，在誤差分析、建模和處理方面缺少相關(guān)應(yīng)用;⑤缺少全面可靠監(jiān)測技術(shù)，包括電磁兼容技術(shù)和環(huán)境可靠性及安規(guī)的全方位監(jiān)測;⑥農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器類型缺少多樣性，基于納米和微系統(tǒng)技術(shù)的生物農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器應(yīng)用亟待開發(fā);⑦傳感器材料和工藝方面缺少深入技術(shù)積累，如納米技術(shù)材料、MEMS[6]新型傳感器技術(shù)應(yīng)用在體積、功耗、安裝維護等方面。

2.2? ? 國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的瓶頸和問題

首先，農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖受到氣候、水質(zhì)的影響，包括降水、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽光照輻射、氨氮、pH值、溶解氧、環(huán)境污染、重金屬、遙感技術(shù)等數(shù)十種天海一體化監(jiān)控[7]。但是目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器監(jiān)測種類較少而且功能單一，相互測量不能緊密形成互補系統(tǒng)，不能獲得海量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，幫助相關(guān)部門進(jìn)行深入分析。因此，有待進(jìn)一步綜合和集成傳感器的分析。

其次，國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的誤差校準(zhǔn)和消除水平較低，普遍未采取相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和算法，如農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器監(jiān)測的隨機誤差、粗大誤差、系統(tǒng)誤差、壞值等需要進(jìn)行的模擬或數(shù)字濾波、數(shù)字校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)擬合和數(shù)學(xué)建模等技術(shù)或算法都未采用[8]，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的測量精度和抗干擾能力降低，極大地制約了國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。

此外，國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器在材料和工藝上也與國外存在很大的差距。目前，國外發(fā)達(dá)國家將MEMS[9]（微機電系統(tǒng)，基于微電子和微結(jié)構(gòu)加工的多學(xué)科交叉技術(shù)）技術(shù)廣泛應(yīng)用于傳感器上，結(jié)合納米技術(shù)的應(yīng)用，使傳感器在體積和功耗方面極大減少，在安裝和維護方面減少了很多費用，可以完成某些傳統(tǒng)傳感器不能完成的任務(wù)，包括農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖環(huán)境中的溫度、壓力、流量、生物和化學(xué)等多項環(huán)境參數(shù)，而目前在國內(nèi)還未有相關(guān)技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器上應(yīng)用。

在發(fā)達(dá)國家尤其是英國、美國和北歐等多個海洋資源較豐富的國家，海洋通信技術(shù)發(fā)達(dá)，海洋無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大、成本低、可靠性強、系統(tǒng)穩(wěn)定。單一的農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器監(jiān)控成本高、傳輸范圍小、誤差大、可靠性低，我國亟須擺脫單一農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器監(jiān)控模式，采用國際先進(jìn)的無線農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高監(jiān)測精度和范圍。因此，國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器亟需與無線通信和光纖通信信息技術(shù)相結(jié)合，將無線通信傳輸接口如Zigbee、Wifi、Lora等無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)集合到農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器，提高國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖監(jiān)測的智能化水平[10]。

3? ? 農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器發(fā)展方向

3.1? ? 形成多技術(shù)綜合系統(tǒng)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器已經(jīng)從原先的單一技術(shù)演化成多學(xué)科、跨領(lǐng)域、緊密結(jié)合多種技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，包括農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器智能制造技術(shù)、傳感器誤差消除鋁箔和校準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)、傳感器傳輸組網(wǎng)技術(shù)[11]、傳感器電磁兼容、傳感器環(huán)境可靠性、先進(jìn)的微納米材料和微機電系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)擬合校準(zhǔn)以及建模技術(shù)等。而農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的產(chǎn)業(yè)化必定要經(jīng)過數(shù)年甚至更長時間的人才和技術(shù)積累，通過大量農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的應(yīng)用，大幅減少農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖成本，提高農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的性價比，盡快縮小國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器與發(fā)達(dá)國家技術(shù)水平的差距，不斷加快產(chǎn)業(yè)化過程[12]。

3.2? ? 與電子通信技術(shù)單位合作

目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖耗能大、成本高以及環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，且國內(nèi)的農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器在低成本、大范圍實時監(jiān)控和農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控參數(shù)方面都難以達(dá)到要求;農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖相較其他行業(yè)在信息化應(yīng)用方面差距較大，國家相關(guān)部門可以進(jìn)一步加強相關(guān)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖監(jiān)測的資源聯(lián)合互補，加大研發(fā)投入，建立完善的農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器產(chǎn)業(yè)鏈。目前，農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖研究和生產(chǎn)部門在新一代信息技術(shù)應(yīng)用方面嚴(yán)重脫節(jié)，迫切需要與先進(jìn)的電子通信技術(shù)和材料科研技術(shù)單位加強合作[13]。近期國家標(biāo)準(zhǔn)研究院和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等已牽頭多家國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器相關(guān)行業(yè)的開發(fā)應(yīng)用單位、農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器制造單位和新一代電子和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)單位共同協(xié)作，制定相關(guān)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行相關(guān)行業(yè)資源互補，獲得了明顯的效果[14-15]。

4? ? 結(jié)語

隨著新工藝與新材料技術(shù)的運用、元器件更加微型化，功能更加多樣化，性能更加完善，且價格更低，穩(wěn)定性提高。納米材料以及超材料的研制與廣泛應(yīng)用使元器件的集成化和智能化成為可能，可以結(jié)合智能技術(shù)、仿生技術(shù)、信號處理技術(shù)、微電子技術(shù)等提高元器件的智能化。目前，我國智能傳感器產(chǎn)品種類比較少、穩(wěn)定性和可靠性較低、產(chǎn)業(yè)化水平比較低、高技術(shù)人才極度匱乏等，這在很大程度上限制著我國智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，需要國家在相關(guān)政策、法規(guī)和資金上進(jìn)行支持傾斜和支持，推動國內(nèi)農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的發(fā)展，縮小與國際先進(jìn)國家在農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖發(fā)展方面的差距，減少農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖的成本以及提高農(nóng)業(yè)種植養(yǎng)殖生產(chǎn)的效率[16]。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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