傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

□姚金霞 王 利 郭 鵬 陳 進(jìn) 陳燕英/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

傳感器對絕大多數(shù)人來說并不陌生，日常生活中的手機(jī)、數(shù)字電視等都在使用傳感器。農(nóng)業(yè)作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展賴以生存的基本物質(zhì)供給，作為支撐社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，提升種植技術(shù)是社會(huì)發(fā)展的必然要求。隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，信息化技術(shù)逐漸使用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，提升了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，促進(jìn)了精細(xì)化操作。進(jìn)入到信息化時(shí)代，作為5大農(nóng)業(yè)新興技術(shù)之一的農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣；同時(shí)，作為農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的核心，傳感器成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必不可少的設(shè)備之一，伴隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)科技水平的進(jìn)步。

1 農(nóng)業(yè)傳感器簡述

傳感器是指能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。

農(nóng)業(yè)傳感器包括生命信息傳感器和環(huán)境傳感器。生命信息傳感器主要是通過對植物生長過程中氮元素、植物信息指標(biāo)和農(nóng)藥化肥等含量的分析，判斷植物的生長情況，展示植物的生長信息和生理信息，并對植物的生長體征進(jìn)行數(shù)字化處理。環(huán)境傳感器則是對植物生長所需要的水、土壤、空氣等進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)了解外部環(huán)境的變化，重點(diǎn)對作物土壤環(huán)境進(jìn)行檢測，并對環(huán)境因素進(jìn)行綜合檢測和評(píng)估，以便為農(nóng)作物的健康成長創(chuàng)造更好的條件，促進(jìn)農(nóng)作物管理質(zhì)量的提升。

目前，農(nóng)業(yè)中所用的傳感器種類主要有溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器、pH值傳感器、光電傳感器、壓力傳感器、生物傳感器等。

2 農(nóng)業(yè)傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 應(yīng)用領(lǐng)域

1）育種育苗中的應(yīng)用。采用生物傳感器培育優(yōu)良品種。例如，用溫室育苗法培育蔬菜，不僅能使應(yīng)季蔬菜提前上市，而且可提高蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量，最終提高蔬菜附加值，增加種植者收入。

2）農(nóng)產(chǎn)品分類中的應(yīng)用。成熟的農(nóng)產(chǎn)品一般都需要進(jìn)行分類加工或儲(chǔ)存，在分類過程中，要依據(jù)溫濕度傳感器、壓力傳感器、光電傳感器等農(nóng)業(yè)傳感器的檢測數(shù)據(jù)來進(jìn)行加工和儲(chǔ)存。

3）農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏中的應(yīng)用。在農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏入庫前，要采用稱重傳感器稱重，采用濕度傳感器測試農(nóng)產(chǎn)品含水率，依靠料位傳感器進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品料位的監(jiān)測。入庫后，要依靠溫度傳感器、濕度傳感器對儲(chǔ)存?zhèn)}庫內(nèi)外具有代表性的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)進(jìn)行溫濕度的監(jiān)測和跟蹤，以確保保持或調(diào)整到良好的儲(chǔ)存狀態(tài)。

4）農(nóng)機(jī)化中的應(yīng)用?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施都離不開農(nóng)機(jī)的支撐。而在農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)環(huán)節(jié)和其工作環(huán)節(jié)中，都離不開傳感器的作用。例如，農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為農(nóng)機(jī)中的尖端裝備，其所用傳感器種類及技術(shù)水平均較高，要使農(nóng)業(yè)機(jī)器人按照既定要求工作，就要多種壓力傳感器、壓電傳感器、光電傳感器、溫度傳感器等協(xié)同工作才能達(dá)成。

5）禽畜飼養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。禽畜飼養(yǎng)過程中也用到了很多傳感器。例如，在育種過程中采用生物傳感器；在飲食方面，采用溫度傳感器、氣敏傳感器等；在環(huán)境監(jiān)測方面，采用濕度傳感器、溫度傳感器、光電傳感器等，快速及時(shí)地滿足飼養(yǎng)要求，提高飼養(yǎng)質(zhì)量和收益。

6）農(nóng)業(yè)氣象及環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要對農(nóng)業(yè)氣象和環(huán)境進(jìn)行按需監(jiān)測，這就需要用到如氣壓傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)向傳感器、pH值傳感器、光電傳感器等多種功能的傳感器。

7）遙感領(lǐng)域的應(yīng)用。遙感傳感器是獲取目標(biāo)電磁輻射信息的探測儀器。在遙感技術(shù)中，主要采用攝影類傳感器、掃描成像類傳感器、雷達(dá)成像類傳感器、非圖像類型的傳感器等。遙感傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用很多，如地形分析、農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究、農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測、植保無人機(jī)等方面。

2.2 需要提升的方面

1）傳感器技術(shù)。受導(dǎo)體芯片技術(shù)的制約，光刻和光敏材料的生產(chǎn)技術(shù)難以達(dá)到使用要求，使傳感器難以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和連續(xù)性。面對農(nóng)業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多變，由于受核心技術(shù)發(fā)展的限制，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)常不精確、不完整，制約了農(nóng)業(yè)傳感器的發(fā)展和應(yīng)用推廣。

2）智能化水平。目前，我國農(nóng)業(yè)傳感器雖然眾多，但智能化水平仍然較低。智能化不僅要求農(nóng)業(yè)傳感器起到檢測獲取數(shù)據(jù)的作用，而且要求對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，并做出相應(yīng)的警告，對誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)。目前，國外一些先進(jìn)傳感器，如美國霍尼韋爾公司的ST-3000系列智能變送器和德國斯特曼公司的二維加速度傳感器等產(chǎn)品的智能化水平已經(jīng)較高，而我國的農(nóng)業(yè)傳感器智能化水平仍需提升。

3）便攜性。目前，農(nóng)業(yè)傳感器普遍存在體積較大的問題，有的需要使用運(yùn)輸工具進(jìn)行搬運(yùn)轉(zhuǎn)移。例如，應(yīng)用比較廣泛的荷蘭ASTEC Global種子技術(shù)公司研發(fā)的氧傳感檢測儀，占地面積達(dá)到1.5 m2，不利于攜帶，給使用帶來不便。

4）多功能性。目前，我國市面上的農(nóng)業(yè)傳感器，對數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控僅集中在某一種或同一系列的參數(shù)上，功能比較單一。例如，在農(nóng)業(yè)試驗(yàn)中，往往需要測試同一典型樣本點(diǎn)土壤的堅(jiān)實(shí)度和含水率，需要同時(shí)攜帶土壤堅(jiān)實(shí)度儀和水分儀這兩種儀器到點(diǎn)進(jìn)行檢測，技術(shù)集成化程度低。

5）其他因素。一是后續(xù)配套。目前，農(nóng)業(yè)傳感器使用的后續(xù)配套設(shè)置還不完善，在使用中還存在許多問題，如數(shù)據(jù)采集后的處理與分析設(shè)備尚未配備或配備不齊。要指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，信息數(shù)據(jù)采集的完整性和充足性非常重要，若沒有配備后續(xù)設(shè)備，就會(huì)影響數(shù)據(jù)的參考和使用價(jià)值。二是基層從業(yè)人員對傳感器技術(shù)的掌握?；鶎訌臉I(yè)人員和留守農(nóng)民文化水平普遍不高，學(xué)習(xí)理解能力有限，對傳感器掌握不夠充分，限制了農(nóng)業(yè)傳感器的應(yīng)用。

3 發(fā)展趨勢

3.1 應(yīng)用越來越廣泛

傳感器作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展過程中必不可少的組成部分，對于農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。目前，國內(nèi)傳感器行業(yè)正在飛速發(fā)展，伴隨著傳感器核心技術(shù)的突破、農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、云技術(shù)的高速發(fā)展和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的搭建、應(yīng)用推廣程度的加強(qiáng)，未來，無論是在農(nóng)作物的田間生產(chǎn)（育苗、播種、植保、收獲）、儲(chǔ)運(yùn)、加工各環(huán)節(jié)，畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)環(huán)節(jié)（育種、喂養(yǎng)、出欄、場所免疫消毒等），還是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的采集方面，傳感器的應(yīng)用都會(huì)越來越廣泛；同時(shí)，也對傳感器技術(shù)提出了更高的要求。

3.2 微型化發(fā)展趨勢

傳感器本身體積是越小越好，如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由彈簧和重力塊等制成的，不僅體積較大，而且測試不穩(wěn)定、使用壽命短；而硅加速度傳感器利用激光等各種微細(xì)加工技術(shù)制成，不僅體積小，而且可靠性好、使用壽命長。而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的傳感器，對便攜性要求更高。這就要求發(fā)展新的材料及加工技術(shù)制作微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）器件，實(shí)現(xiàn)傳感器尺寸的小型化。微型傳感器不只是可以不受尺寸制約而安放在狹小空間內(nèi)，還有反應(yīng)靈敏、響應(yīng)快速、成本低、對被測對象干擾小等優(yōu)點(diǎn)。以集成技術(shù)為基礎(chǔ)的微細(xì)加工技術(shù)能把電路加工到光波數(shù)量級(jí)，同時(shí)可批量生產(chǎn)、實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格便宜。

3.3 智能化發(fā)展趨勢

人工智能，不僅是取代人的工作，而且增加了人的能力，將人力解放出來。面對我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域傳感器智能化水平不高的境況，行業(yè)人士紛紛建議國內(nèi)傳感器行業(yè)高度重視技術(shù)層面的提升，著力研發(fā)核心技術(shù)；引進(jìn)與培養(yǎng)專業(yè)人才，不斷向國際化靠近；同時(shí)，國家政策需與市場共同努力，鼓勵(lì)國產(chǎn)企業(yè)發(fā)展中高端產(chǎn)品。將傳感器的信號(hào)檢測、轉(zhuǎn)換與計(jì)算機(jī)的記憶、存儲(chǔ)、分析、統(tǒng)計(jì)處理、自診斷自適應(yīng)等功能結(jié)合在同一個(gè)芯片上，開發(fā)高智能化傳感器，提高傳感器的人工智能性。未來，智能化發(fā)展會(huì)越來越快，農(nóng)業(yè)傳感器市場也必然隨之發(fā)展，兩者互相促進(jìn)，在面對智能化進(jìn)步的同時(shí)，我國也需要不斷提升傳感器產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)的自主研發(fā)能力，這也是農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展道路上必不可少的一部分。

3.4 多功能化發(fā)展趨勢

伴隨著電介質(zhì)、固體材料半導(dǎo)體和強(qiáng)磁體等材料的進(jìn)一步開發(fā)，以及集成技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)傳感器的集成化有了廣闊的前景；納米、薄膜技術(shù)等新材料制備技術(shù)的成功應(yīng)用，為傳感器實(shí)現(xiàn)新功能提供了條件。在核心技術(shù)提升的基礎(chǔ)上，傳感器的精密集成化是未來傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢之一，以實(shí)現(xiàn)其多功能性，最終提高傳感器的使用效率和響應(yīng)速度，降低傳感器的成本，提高農(nóng)事生產(chǎn)采集數(shù)據(jù)的精密性、完整性，更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的管理水平，以適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化發(fā)展的需求。