農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展態(tài)勢研究

彭漢艮 倪軍 陳可

0 引言

農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，涵蓋農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、溫室智能控制、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)收獲機(jī)械、水產(chǎn)養(yǎng)殖、灌溉、牲畜養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品溯源等領(lǐng)域。目前，基于深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)的植物分類、病蟲害識別、水肥管理技術(shù)方面的專利層出不窮，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)應(yīng)用潛力巨大。

1 農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)研究

全球農(nóng)業(yè)傳感器領(lǐng)域的專利研究始于1917年。1917～2006年，世界各國對農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)的專利保護(hù)意識從無到有，逐漸加強(qiáng)，共申請了247項(xiàng)傳感器技術(shù)專利。2006年之后，隨著信息農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)在硬件模塊設(shè)計(jì)和軟件功能設(shè)計(jì)上均產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)領(lǐng)域的投資模式也從純粹的政府支持下的研究投入轉(zhuǎn)換為具備一定盈利價(jià)值的商業(yè)投資應(yīng)用，因此也吸引了大量具有豐富市場經(jīng)驗(yàn)的風(fēng)投公司進(jìn)入該領(lǐng)域，在一定程度上提高了投資者對于專利保護(hù)的意識。2006年至今，全球農(nóng)業(yè)傳感器專利申請總量為9 372項(xiàng)。

我國的農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)研究起步較晚，專利申請量雖然較多，但整體質(zhì)量及影響力較差，大多數(shù)專利為基于其他國家已有產(chǎn)品的技術(shù)改造/升級產(chǎn)物，缺乏核心技術(shù)研究。

1.2 技術(shù)應(yīng)用

目前，荷蘭、日本等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家在農(nóng)業(yè)傳感器領(lǐng)域的專利申請、轉(zhuǎn)讓、實(shí)際生產(chǎn)、銷售上均已形成較為成熟的盈利模式，研究型機(jī)構(gòu)與公司之間也建立了較好的合作共贏關(guān)系。而我國在農(nóng)業(yè)傳感器領(lǐng)域的研究大多依靠政府資金支持，專利申請人以單一的科研單位為主，研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)間的合作較少，適合我國國情和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)的農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)盈利模式仍處在積極探索階段。

2 常用的農(nóng)業(yè)傳感器

2.1 能量型傳感器

能量型傳感器能通過硬件電路設(shè)備將環(huán)境信息、作物生長信息轉(zhuǎn)換為電能量信號，通過預(yù)先測定的模型實(shí)現(xiàn)對應(yīng)參數(shù)的反演計(jì)算。能量型傳感器的種類較多，包括環(huán)境溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、土壤溫濕度傳感器、地物光譜儀、各種氣體濃度傳感器等。

1）環(huán)境溫濕度傳感器。產(chǎn)品有：柏特瑞TEM-300X、Sensirion SHT3X數(shù)字溫濕度傳感器、VAISALA HMT330。

2）光照強(qiáng)度傳感器。產(chǎn)品有：虹譜光色OHSP-350I、遠(yuǎn)方光電SPIC-300、Asensetek ALP-01。

3）土壤溫濕度傳感器。產(chǎn)品有：ESM101-01T、JD-W485。

4）地物光譜儀。產(chǎn)品有：ASD Fieldspec、Greenseeker、Crop Circle、Rapidscan。

5）氣體傳感器。產(chǎn)品有：Sensepoint XCD各類氣體傳感器、Alphasense PID光離子傳感器PID-1A、Honeywell MIDAS-E-PH3氣體傳感器。

2.2 圖像型傳感器

圖像型傳感器可以獲取植物的圖像信息、光譜信息以及三維結(jié)構(gòu)信息，可視化程度高，包含的信息更加豐富。除了依靠植被指數(shù)進(jìn)行表型信息反演外，還可根據(jù)成像傳感器感知方法的差異及數(shù)據(jù)處理方法的不同，從圖像數(shù)據(jù)中直觀地提取包括葉色、花期、株高、冠層覆蓋度、作物水分狀態(tài)等多種表型參數(shù)。根據(jù)成像方法的不同，圖像型傳感器可分為光譜成像傳感器及非光譜成像傳感器。前者主要依靠目標(biāo)對象的反射光譜不同進(jìn)行成像，后者則通過光譜成像以外的手段實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的獲取。

已有商業(yè)產(chǎn)品如下：

1）多光譜相機(jī)。包括Micasense Altum多光譜/熱成像/RGB相機(jī)、sequoia多光譜相機(jī)、Micasense RedEdge多光譜相機(jī)。

2）高光譜相機(jī)。包括Resonon高光譜相機(jī)、QuantumDesgin Spectral Camerea FX系列工業(yè)高光譜相機(jī)、Rainbow-VN無人機(jī)載高光譜相機(jī)、GaiaSky-mini無人機(jī)載高光譜相機(jī)。

3）熱紅外相機(jī)。包括FLIR系列熱紅外相機(jī)、WIRIS pro熱紅外相機(jī)、Fotric615C。

2.3 仿生傳感器

仿生傳感器主要基于生物物質(zhì)識別電子元器件，通過將待測物質(zhì)產(chǎn)生的物理或化學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電子信號，而后通過計(jì)算結(jié)果反演得出對應(yīng)生物質(zhì)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的檢測。常用的仿生傳感器包括電子鼻、電子眼、電子舌等。所采用的檢測方法也多種多樣，包括通過反射光譜檢測、氣體檢測以及圖像檢測等。使用仿生傳感器可以在農(nóng)產(chǎn)品交易、流通過程中對產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行快速檢測，及時(shí)對品質(zhì)有問題的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行報(bào)告，防止有問題的農(nóng)產(chǎn)品大規(guī)模流入市場。

已有商業(yè)產(chǎn)品如下：

1）電子舌。包括日本INSENT味覺分析系統(tǒng)、BosinTech C-Tougue、ISENSO SuperTongue、Alpha MOS ASTREE電子舌。

2）電子鼻。包括德國AIRSENSE電子鼻pen3、Alpha MOS電子鼻FOX 3000、ISENSO iN-ose。

3）電子眼。包括各類RGB相機(jī)。

3 傳感器技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)存在的問題

3.1 傳感器種類少，核心技術(shù)匱乏

我國現(xiàn)階段所使用的農(nóng)業(yè)傳感器設(shè)備種類不夠豐富，對傳感器測試原理、外形、功能的設(shè)計(jì)仍然停留于對國外設(shè)備的模仿階段。在頂尖的光譜技術(shù)、自動化控制技術(shù)、人工智能技術(shù)研究方面較難突破農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家的技術(shù)壟斷，因此，在農(nóng)業(yè)傳感器的推廣與應(yīng)用方面整體進(jìn)程緩慢。

3.2 農(nóng)業(yè)傳感器測試穩(wěn)定性差

由于作業(yè)環(huán)境多在戶外農(nóng)田中，農(nóng)業(yè)傳感器十分容易受到外界環(huán)境的干擾。以田間物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為例，農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)長期處于無人值守的狀態(tài)下，傳感器設(shè)備風(fēng)蝕、水蝕嚴(yán)重，會導(dǎo)致其使用壽命縮短、測試準(zhǔn)確度下降。

3.3 缺乏適合我國的盈利模式

目前，我國農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)領(lǐng)域的投資模式、盈利模式仍然處于探索階段，部分傳感器設(shè)備高昂的售價(jià)也讓農(nóng)民、小農(nóng)場主群體難以接受，間接加大了農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)在我國的推廣難度。因此，探索出適合我國農(nóng)情的農(nóng)業(yè)傳感器投資盈利模式，也是當(dāng)前亟待解決的問題之一。

3.4 農(nóng)業(yè)傳感器集成度較低

現(xiàn)有農(nóng)業(yè)傳感器設(shè)備已經(jīng)能夠完成對作物生長信息（株高、葉面積指數(shù)、葉干重等）、田間環(huán)境信息（溫度、濕度、光照強(qiáng)度、氣體濃度等）的基本測試，但是傳感器的功能較為單一，缺乏集成度較高的農(nóng)業(yè)傳感器，在同一測試點(diǎn)往往需要安裝大量的傳感器設(shè)備。此外，田間傳感器節(jié)點(diǎn)多采用單點(diǎn)和靜態(tài)測定方法，覆蓋面積以及測試速度也有待加強(qiáng)。

3.5 傳感器實(shí)時(shí)傳輸水平較低

由于種養(yǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，農(nóng)業(yè)傳感器設(shè)備間的互通、數(shù)據(jù)傳輸存在問題，如作物冠層過高、過于密集，會阻擋傳感器信號的發(fā)送及接收。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的布置，傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的組建往往需要更加系統(tǒng)的科學(xué)研究，而當(dāng)前對于該方面的研究較少。此外，傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)云端傳輸能夠使農(nóng)事操作人員、科研人員對于田間環(huán)境狀況、作物生長狀況有更加準(zhǔn)確的判斷，如何高效地實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)匯聚、實(shí)時(shí)上傳也是急需解決的難題之一。

3.6 農(nóng)業(yè)傳感器應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善

農(nóng)業(yè)傳感器所涉及的測試結(jié)果較多，即使是使用同一種傳感器，如果研究人員設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)不同，得到的結(jié)果也會出現(xiàn)較大的差異，這種差異也會在數(shù)據(jù)結(jié)合研究中體現(xiàn)出來。因此，統(tǒng)一農(nóng)業(yè)傳感器在數(shù)據(jù)傳輸、接口等方面的標(biāo)準(zhǔn)，能夠使農(nóng)業(yè)傳感器的設(shè)計(jì)更加快速、便捷。

4 我國農(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展前景展望

中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳2019年5月印發(fā)《數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，把發(fā)展農(nóng)村數(shù)字經(jīng)濟(jì)作為十大重點(diǎn)任務(wù)之一［1］，提出加快推廣云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理中的運(yùn)用，促進(jìn)新一代信息技術(shù)與種植業(yè)、種業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)全面深度融合應(yīng)用，打造科技農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、品牌農(nóng)業(yè)” 。當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然缺少具備核心技術(shù)的多功能一體化國產(chǎn)傳感器設(shè)備。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)、無損、準(zhǔn)確、高通量感知方面，現(xiàn)有傳感器的采集精度及抗干擾性也有待提高。在實(shí)際應(yīng)用過程中，各種能量型傳感設(shè)備及成像感知設(shè)備間也沒有較好的組合（或結(jié)合）方式，對于不同傳感器數(shù)據(jù)的分析及處理需要依賴多種硬件設(shè)備、軟件系統(tǒng)及分析方法，這種復(fù)雜的操作流程無疑會減緩數(shù)據(jù)獲取的速度，導(dǎo)致信息滯后。此外，即使是應(yīng)用同一種傳感器設(shè)備，如果采用的搭載平臺不同，所獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果也同樣難以進(jìn)行結(jié)合分析。5G甚至是6G時(shí)代的來臨意味著萬物互聯(lián)成為可能，高通量的數(shù)據(jù)不再需要存儲于存儲設(shè)備中，而是能夠?qū)崟r(shí)與云平臺進(jìn)行直接通信。這一技術(shù)瓶頸的突破能夠直接簡化數(shù)據(jù)獲取、傳輸以及存儲的操作流程，新型數(shù)據(jù)互通平臺的構(gòu)建也意味著全球的農(nóng)業(yè)傳感器數(shù)據(jù)都將可能被存儲于同一個(gè)公共平臺，對于不同傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合處理分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展值得期待。只有建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)、傳感器硬件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)，使農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)的研究與發(fā)展更加規(guī)范，才能確保農(nóng)業(yè)傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定、安全。