智慧農(nóng)業(yè)背景下農(nóng)業(yè)智能傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀分析

趙自強

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300）

隨著信息技術(shù)在經(jīng)濟和社會發(fā)展中的廣泛應(yīng)用，信息化水平已成為衡量一個地區(qū)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一[1-2]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)正在向信息化農(nóng)業(yè)發(fā)展，建立農(nóng)業(yè)信息科學(xué)勢在必行，科技興農(nóng)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必由之路[3-5]。隨著科技的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營和管理模式產(chǎn)生重大而深刻的影響[6-7]。推進農(nóng)業(yè)信息化進程能夠加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，為了更好地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化，催生了智慧農(nóng)業(yè)的概念。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能實現(xiàn)更好的智能感知，并由此推廣全產(chǎn)業(yè)鏈的檢測，使農(nóng)產(chǎn)品更加安全可靠[8]；合理應(yīng)用農(nóng)業(yè)信息技術(shù)可以促進作物的生長，降低養(yǎng)分的損失，增加糧食的收成。因此，智慧農(nóng)業(yè)有著廣闊的發(fā)展空間。

農(nóng)業(yè)智能傳感器是利用先進傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能算法，實現(xiàn)對農(nóng)田、作物和養(yǎng)殖環(huán)境的精準(zhǔn)感知、實時監(jiān)測和智能分析的設(shè)備，也是智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所需的關(guān)鍵信息和智能化管理提供支持。在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展背景下，利用農(nóng)業(yè)智能傳感器可以對農(nóng)產(chǎn)品進行遠程監(jiān)測與種植策略分析[9]，從而提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的建設(shè)和經(jīng)營水平。本文闡述了智慧農(nóng)業(yè)背景下農(nóng)業(yè)智能傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀，剖析了農(nóng)業(yè)智能傳感器自身、數(shù)據(jù)傳輸通訊和數(shù)據(jù)處理方面存在的問題，并提出了解決措施和建議，為推廣應(yīng)用農(nóng)業(yè)智能傳感器提供參考。

1 智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中傳感器分類

1.1 植物生理信息類智能傳感器

在智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，植物生理信息類智能傳感器起到了至關(guān)重要的作用。它可以通過感知和測量植物內(nèi)外環(huán)境信息，實時監(jiān)測和記錄植物的生理狀態(tài)，為植物生長和發(fā)育過程提供實時反饋和控制支持[10]。植物生理信息類智能傳感器通常由感知單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理與傳輸單元組成。感知單元可以采集植物及其生長環(huán)境中的紅外輻射、葉綠素?zé)晒?、光合速率和蒸騰速率等信息[11]。數(shù)據(jù)采集單元將感知單元采集到的信息轉(zhuǎn)化為電信號，并進行放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理。數(shù)據(jù)處理與傳輸單元負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，并通過無線通信技術(shù)傳輸至上位機或云服務(wù)器進行存儲和分析[12]。

張新榮等[13]通過ZigBee 技術(shù)設(shè)計了一個植物生長多環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)植物生長環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測和傳輸?shù)木窒扌?，在植物生長環(huán)境信息檢測過程中取得了優(yōu)異表現(xiàn)。王玲玲等[14]將RFID技術(shù)應(yīng)用到海南熱帶特色農(nóng)業(yè)中，實現(xiàn)對熱帶特色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的環(huán)境信息和農(nóng)作物自身特征信息的實時數(shù)據(jù)采集，保證農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，達到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯的目的。劉九慶等[15]應(yīng)用電感式位移傳感器設(shè)計了一種接觸式無損植物葉片檢測儀，解決了傳統(tǒng)葉片生理環(huán)境參數(shù)傳感器精確度不高問題，提升了葉片生理環(huán)境參數(shù)獲取精度。

1.2 土壤環(huán)境類智能傳感器

土壤環(huán)境類智能傳感器的廣泛應(yīng)用為智慧農(nóng)業(yè)帶來了許多便利。通過測量土壤濕度、溫度、鹽分含量以及營養(yǎng)元素含量等參數(shù)，為作物生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)[16]。農(nóng)民可以通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)了解土壤狀況，并根據(jù)不同作物對土壤條件的要求進行相應(yīng)的灌溉和施肥管理?？梢杂行П苊夤喔群褪┓蔬^度或不足，從而保證農(nóng)作物在適宜的生長環(huán)境中獲得充足的養(yǎng)分[17]。當(dāng)傳感器檢測到土壤中某些營養(yǎng)元素缺乏或鹽分含量過高時，可以采取相應(yīng)措施進行調(diào)整，如添加適當(dāng)?shù)姆柿匣蜻M行鹽分調(diào)節(jié)[18]。這有助于及時預(yù)防和解決作物生長過程中可能出現(xiàn)的問題，最大限度地提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[19]。通過對土壤環(huán)境數(shù)據(jù)進行長期分析，可以了解土壤的變化趨勢和周期性規(guī)律，從而更好地制定農(nóng)作物的種植計劃和管理策略[20]。

張東興等[21]設(shè)計了一種可見光—近紅外式土壤水分傳感器，在測量玉米等作物播種環(huán)節(jié)的土壤水分中取得了良好表現(xiàn)；方圓等[22]針對新疆棉田灌溉過程中存在的水資源浪費、勞動強度大和灌溉不科學(xué)等問題，設(shè)計了一種基于無線傳感器的棉田墑情監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)土壤溫濕度信息的實時采集、處理和傳輸，為新疆棉花大田種植推廣起到了促進作用；林昱檳等[23]研制了一種土壤水分—基質(zhì)勢—溫度復(fù)合傳感器，用于同步測定森林土壤、農(nóng)田壤土和砂土的水分特征曲線，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供了可靠的技術(shù)支持。

1.3 氣象環(huán)境類智能傳感器

氣象環(huán)境類智能傳感器在智慧農(nóng)業(yè)中也扮演著重要的角色。通過監(jiān)測氣溫、相對濕度、降水量和風(fēng)速等參數(shù)，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端設(shè)備上，通過分析氣象數(shù)據(jù)，可以判斷天氣變化，合理安排作業(yè)計劃，實施適當(dāng)?shù)姆罏?zāi)措施[24]。氣象環(huán)境類智能傳感器憑借感知單元的靈敏度和多樣性，實現(xiàn)對多氣象要素和環(huán)境參數(shù)的感知和測量，提供全面的氣象和環(huán)境數(shù)據(jù)支持，采用先進的傳感技術(shù)和校準(zhǔn)方法，提高測量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性[25]。建立氣象傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器之間的數(shù)據(jù)共享和互聯(lián)互通，提高數(shù)據(jù)的實時性，增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

肖婷等[26]以STM32F103ZET6 為主控設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的茶場生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用各類氣象傳感器監(jiān)測茶場的環(huán)境參數(shù)，通過GPRS 與主控通信，由主控對所有傳感器采集的數(shù)據(jù)進行匯總、分析、顯示和存儲等，提升了茶場生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測效率；胡敏哲[27]設(shè)計了一種自動氣象信息采集系統(tǒng)，并使用改進Leach 算法的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)采集過程中的低能耗、低延遲以及高準(zhǔn)確性；韓貝等[28]設(shè)計了一種氣象聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與氣象無人機相結(jié)合的氣象環(huán)境參數(shù)獲取系統(tǒng)，結(jié)合LoRa 無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)采集時精細(xì)化、網(wǎng)絡(luò)化的特點，達到了快速反應(yīng)的要求。

2 農(nóng)業(yè)智能傳感器面臨的挑戰(zhàn)

2.1 農(nóng)業(yè)智能傳感器

在傳感器自身方面，需要關(guān)注以下幾個問題：首先是傳感器的精度和穩(wěn)定性，確保其能夠準(zhǔn)確測量和記錄相關(guān)參數(shù)；其次是傳感器的可靠性和耐用性，傳感器通常需要在惡劣的環(huán)境條件下工作，如高溫、高濕度和多灰塵環(huán)境，因此，需要提高傳感器的可靠性和耐用性，確保傳感器能夠長期穩(wěn)定運行；最后應(yīng)考慮傳感器的功耗和尺寸，使其更節(jié)能高效且易于部署。

傳感器的精度直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。一些傳感器可能存在精度不高、測量范圍有限和靈敏度不夠等問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在誤差。此外，高精度和多功能的農(nóng)業(yè)智能傳感器一般價格較高，一定程度上限制了其普及和應(yīng)用。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸通信

在數(shù)據(jù)傳輸通信方面，需要解決以下問題：首先是選擇合適的通信技術(shù)和協(xié)議，以確保數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定、快速地傳輸?shù)街付ㄔO(shè)備或云平臺；其次是確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院碗[私保護，采取合適的加密和認(rèn)證機制，防止數(shù)據(jù)泄露或被篡改；最后是合理制定傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和擴展性，以滿足不同農(nóng)田布局和規(guī)模的需求。

傳感器數(shù)據(jù)的傳輸和共享需要有可靠的網(wǎng)絡(luò)和平臺支持，而小部分農(nóng)村地區(qū)可能缺乏穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)共享平臺，最終導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)無法及時傳輸和共享。

2.3 農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理

在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面，需要解決以下問題：首先是對大量的傳感器數(shù)據(jù)進行有效的存儲和管理，以便后續(xù)的分析和應(yīng)用；其次是開發(fā)高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理算法，從海量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，并為農(nóng)民提供實時的決策支持；最后是關(guān)注數(shù)據(jù)模型的更新和優(yōu)化，以適應(yīng)不斷變化的農(nóng)業(yè)環(huán)境條件和作物生長需求。

農(nóng)業(yè)傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，對數(shù)據(jù)的處理和分析能力要求較高，一些農(nóng)民可能缺乏相關(guān)技術(shù)和工具，導(dǎo)致無法有效地處理和分析傳感器數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)中包含的農(nóng)田位置、作物生長情況等信息，可能存在數(shù)據(jù)和隱私泄露的風(fēng)險，因此，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)處理需要采取適當(dāng)?shù)陌踩胧﹣肀Ｗo數(shù)據(jù)的安全和隱私。此外，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)來源多樣，包括氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和作物生長數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)具有不同的格式和結(jié)構(gòu)，難以進行有效的集成和標(biāo)準(zhǔn)化，給數(shù)據(jù)處理和分析帶來了困難。

3 對策建議

3.1 提升農(nóng)業(yè)智能傳感器性能

為提升農(nóng)業(yè)傳感器的性能，可以從多個角度入手。一是通過優(yōu)化傳感器硬件設(shè)計和制造工藝，提高測量精度、穩(wěn)定性和可靠性；二是利用先進的材料技術(shù)，降低能耗和尺寸，提高傳感器的能效性能；三是采用多模態(tài)傳感器融合技術(shù)，結(jié)合不同傳感器優(yōu)勢，實現(xiàn)更全面準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集；四是采用更精密的傳感器元件和傳感器組件，提高傳感器測量的精確度和準(zhǔn)確性；五是定期對傳感器進行校準(zhǔn)和維護，保證傳感器始終處于良好的工作狀態(tài)。

3.2 構(gòu)建農(nóng)業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)

為構(gòu)建農(nóng)業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)，可以考慮以下幾個方面。一是選擇適合農(nóng)田環(huán)境的通信技術(shù)和協(xié)議，如LoRa、NB-IoT 等低能耗廣域網(wǎng)技術(shù)；二是布置合理的基站和中繼設(shè)備，以確保傳感器數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定可靠地傳輸?shù)街付ㄎ恢茫蝗强紤]網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由算法的設(shè)計，以提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和傳輸效率；四是在農(nóng)田、農(nóng)村等地區(qū)建設(shè)通信基站，擴大通信信號覆蓋范圍，這些基站可以采用無線通信技術(shù)，以保證通信質(zhì)量和傳輸速度。

3.3 科學(xué)合理采集作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)

科學(xué)合理地采集作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)是智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵一步。在采集作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)時，應(yīng)根據(jù)具體作物種類和生長階段確定監(jiān)測指標(biāo)，并選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬟M行數(shù)據(jù)采集，同時要注意采樣點的布置和數(shù)量，保證數(shù)據(jù)的代表性和可靠性。在數(shù)據(jù)采集過程中要注意標(biāo)定和校準(zhǔn)傳感器，并進行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和記錄，以便后續(xù)分析和應(yīng)用。根據(jù)作物的生長周期和發(fā)育階段，在播種期、生長期和成熟期等不同階段，按作物需求決定采集數(shù)據(jù)的頻率和時間點。

4 結(jié)論

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)正處在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的時期。利用信息技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各種要素進行數(shù)字化設(shè)計、智能化控制、精準(zhǔn)化運行和科學(xué)化管理，可大幅度減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不必要的消耗，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)業(yè)效益。通過現(xiàn)代信息技術(shù)運用和信息引導(dǎo)，促進農(nóng)業(yè)科技水平提高，幫助農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，改善農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)環(huán)境，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變，促進農(nóng)業(yè)全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

未來，以農(nóng)業(yè)智能傳感器及相關(guān)技術(shù)作為支撐，可推動智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的低成本快速檢測和連續(xù)監(jiān)測，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實時反饋能力，在此過程中農(nóng)業(yè)智能傳感器將更加智能化、精準(zhǔn)化、可靠化和安全化。農(nóng)業(yè)智能傳感器的應(yīng)用將更加個性化和差異化，農(nóng)業(yè)智能傳感器除應(yīng)用于傳統(tǒng)的種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)之外，還將涉及農(nóng)業(yè)物流、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控和農(nóng)業(yè)環(huán)境保護等領(lǐng)域。農(nóng)民可以通過精細(xì)化管理提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，建立農(nóng)產(chǎn)品的品牌形象，增強消費者對產(chǎn)品的信任度和價值認(rèn)知，進而提高產(chǎn)品的售價和市場份額，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益最大化。農(nóng)業(yè)智能傳感器的發(fā)展也將推動農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的升級和轉(zhuǎn)型，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加高效、優(yōu)質(zhì)和可持續(xù)的解決方案。

本文通過對目前植物生理信息類智能傳感器、土壤環(huán)境類智能傳感器和氣象環(huán)境類智能傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問題進行分析，提出了相應(yīng)的對策和建議：在農(nóng)業(yè)智能傳感器自身方面，應(yīng)注重優(yōu)化精度，提高穩(wěn)定性、可靠性和耐用性等方面的性能；在數(shù)據(jù)傳輸通訊方面，要關(guān)注通信技術(shù)選擇、安全性保障和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等問題；在數(shù)據(jù)處理及算法方面，要解決數(shù)據(jù)存儲管理效率不高的問題，應(yīng)對高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理算法和模型更新優(yōu)化等挑戰(zhàn)。