農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器產業(yè)發(fā)展分析

尹武　趙辰　張晉娜

摘要? ? 傳感器技術是智慧農業(yè)建設中的一項關鍵技術，目前我國農業(yè)傳感器的應用存在諸多問題，嚴重制約著農業(yè)產業(yè)化的進一步發(fā)展。本文對比了國內外農業(yè)物聯網技術應用與集成的現狀，并提出了相應的發(fā)展策略，最終提出了關于農業(yè)種植養(yǎng)殖產業(yè)的未來研究重點與發(fā)展方向的觀點。

關鍵詞? ? 傳感器技術;智慧農業(yè);監(jiān)測技術

中圖分類號? ? S127? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）02-0253-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（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? ? 智慧農業(yè)的作用與意義

智慧農業(yè)是農業(yè)發(fā)展的高級階段，即集成應用傳感和測量技術、計算機網絡和通信技術、智能技術及自動控制技術等現代信息技術，依托部署在農業(yè)現場的各種傳感器節(jié)點和通信網絡，實現農業(yè)生產的田間智慧種植、可視化管理、智能預警及智能化決策等。

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

農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器在國內應用廣泛，市場規(guī)?？蛇_數百億元。目前，國內傳感器測量誤差大、精度低，應用設計水平低，相關人才缺乏。農業(yè)部統(tǒng)計的數據顯示，近年來全國農業(yè)種植養(yǎng)殖產值逾1萬億元，產品出口順差超過100億元，其中養(yǎng)殖出口額穩(wěn)居國內大宗農產品首位[1]。但長期以來我國農業(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]。這一模式導致生態(tài)失衡和環(huán)境惡化的問題日益凸顯。

2? ? 農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的現狀

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，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]。由于國內農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器廠家在以上方面與國外發(fā)達國家存在較大的差距，使國內農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的發(fā)展和應用受到極大的限制，迫切需要國家在此方面進行引導，以推動國內農業(yè)種植養(yǎng)殖監(jiān)控技術的發(fā)展。

國內的農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器在可靠性及穩(wěn)定性方面與國外產品差距較大。一是生產企業(yè)在監(jiān)測方面缺少電子產品監(jiān)測標準和技術積累，測試都是傳統(tǒng)的誤差測試，如大部分農業(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，將嚴重影響農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的性能和功能。二是目前國內相關農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器廠家在此方面基礎比較薄弱，亟需相關技術方面的改進，如納米技術、生物基因、化學成分及時分析等技術的應用可為農業(yè)種植養(yǎng)殖生物傳感器的應用奠定基礎[5]。

2.1? ? 國內外農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的對比

智慧農業(yè)已成為歐美等發(fā)達國家提升農產品出口產值的最主要手段，在許多國家已成為共識。國內農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器產業(yè)化水平與國外發(fā)達國家相差比較大，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，如無線傳感網絡通信，準確度、可靠性、覆蓋范圍受到較大影響;③測量種類單一，農業(yè)種植養(yǎng)殖監(jiān)測屬于系統(tǒng)監(jiān)測，多參數、多領域監(jiān)控亟待開發(fā);④缺少傳感器智能校準技術，在誤差分析、建模和處理方面缺少相關應用;⑤缺少全面可靠監(jiān)測技術，包括電磁兼容技術和環(huán)境可靠性及安規(guī)的全方位監(jiān)測;⑥農業(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)技術的生物農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器應用亟待開發(fā);⑦傳感器材料和工藝方面缺少深入技術積累，如納米技術材料、MEMS[6]新型傳感器技術應用在體積、功耗、安裝維護等方面。

2.2? ? 國內農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的瓶頸和問題

首先，農業(yè)種植養(yǎng)殖受到氣候、水質的影響，包括降水、風速、風向、太陽光照輻射、氨氮、pH值、溶解氧、環(huán)境污染、重金屬、遙感技術等數十種天海一體化監(jiān)控[7]。但是目前國內農業(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)，不能獲得海量準確數據，幫助相關部門進行深入分析。因此，有待進一步綜合和集成傳感器的分析。

其次，國內農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的誤差校準和消除水平較低，普遍未采取相關標準和算法，如農業(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、壞值等需要進行的模擬或數字濾波、數字校準、數據擬合和數學建模等技術或算法都未采用[8]，導致農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的測量精度和抗干擾能力降低，極大地制約了國內農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的進一步應用和發(fā)展。

此外，國內農業(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)達國家將MEMS[9]（微機電系統(tǒng)，基于微電子和微結構加工的多學科交叉技術）技術廣泛應用于傳感器上，結合納米技術的應用，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，包括農業(yè)種植養(yǎng)殖環(huán)境中的溫度、壓力、流量、生物和化學等多項環(huán)境參數，而目前在國內還未有相關技術在農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器上應用。

在發(fā)達國家尤其是英國、美國和北歐等多個海洋資源較豐富的國家，海洋通信技術發(fā)達，海洋無線傳感網絡覆蓋范圍大、成本低、可靠性強、系統(tǒng)穩(wěn)定。單一的農業(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業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器監(jiān)控模式，采用國際先進的無線農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器網絡，提高監(jiān)測精度和范圍。因此，國內農業(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相結合，將無線通信傳輸接口如Zigbee、Wifi、Lora等無線傳感網絡通信技術集合到農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器，提高國內農業(yè)種植養(yǎng)殖監(jiān)測的智能化水平[10]。

3? ? 農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器發(fā)展方向

3.1? ? 形成多技術綜合系統(tǒng)

現代農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器已經從原先的單一技術演化成多學科、跨領域、緊密結合多種技術的復雜系統(tǒng)，包括農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器智能制造技術、傳感器誤差消除鋁箔和校準監(jiān)測技術、傳感器傳輸組網技術[11]、傳感器電磁兼容、傳感器環(huán)境可靠性、先進的微納米材料和微機電系統(tǒng)技術、數據擬合校準以及建模技術等。而農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的產業(yè)化必定要經過數年甚至更長時間的人才和技術積累，通過大量農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的應用，大幅減少農業(yè)種植養(yǎng)殖成本，提高農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的性價比，盡快縮小國內農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器與發(fā)達國家技術水平的差距，不斷加快產業(yè)化過程[12]。

3.2? ? 與電子通信技術單位合作

目前國內農業(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重，且國內的農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器在低成本、大范圍實時監(jiān)控和農業(yè)種植養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控參數方面都難以達到要求;農業(yè)種植養(yǎng)殖相較其他行業(yè)在信息化應用方面差距較大，國家相關部門可以進一步加強相關農業(yè)種植養(yǎng)殖監(jiān)測的資源聯合互補，加大研發(fā)投入，建立完善的農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器產業(yè)鏈。目前，農業(yè)種植養(yǎng)殖研究和生產部門在新一代信息技術應用方面嚴重脫節(jié)，迫切需要與先進的電子通信技術和材料科研技術單位加強合作[13]。近期國家標準研究院和中國農業(yè)大學等已牽頭多家國內農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器相關行業(yè)的開發(fā)應用單位、農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器制造單位和新一代電子和通信網絡技術單位共同協(xié)作，制定相關農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的標準，進行相關行業(yè)資源互補，獲得了明顯的效果[14-15]。

4? ? 結語

隨著新工藝與新材料技術的運用、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用使元器件的集成化和智能化成為可能，可以結合智能技術、仿生技術、信號處理技術、微電子技術等提高元器件的智能化。目前，我國智能傳感器產品種類比較少、穩(wěn)定性和可靠性較低、產業(yè)化水平比較低、高技術人才極度匱乏等，這在很大程度上限制著我國智慧農業(yè)的發(fā)展。因此，需要國家在相關政策、法規(guī)和資金上進行支持傾斜和支持，推動國內農業(yè)種植養(yǎng)殖傳感器的發(fā)展，縮小與國際先進國家在農業(yè)種植養(yǎng)殖發(fā)展方面的差距，減少農業(yè)種植養(yǎng)殖的成本以及提高農業(yè)種植養(yǎng)殖生產的效率[16]。

5? ? 參考文獻

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