无线农业传感器 农业传感器助力智慧农业精细化管理与可持续发展

农业传感器助力智慧农业精细化管理与可持续发展

来源：【绿色中国】

传感器 是一种可以将被测量的物理量按一定规律转换成电信号或者其他形式信息输出的检测装置，具有微型化、数字化、智能化等特点。

农业传感器 是一种可感知农业生产环境状况的装置，实时采集土壤温度、湿度、营养成分等数据，经过分析和处理后，实现精准灌溉、施肥和防治，从而提高农作物产量和品质，可应用于农田、温室、果园等农业领域。农业传感器作为信息化时代感知层的关键技术，具有实时监测、精确定位、自动化等优势，为推进实现智慧农业发挥重要作用。

农业生产环境复杂，农业智能传感器技术根据检测对象不同

可分为三类

生命信息智能传感器技术是指对动植物生长过程中的生长信息和生理信息进行感知的智能传感技术。植物生长信息和生理信息的检测传感器主要包括植物茎秆直径、植物径流、植物叶片叶绿素含量、植物叶片厚度、植物归一化植被指数等智能传感器。动物生命信息的检测传感器主要包括动物行为、呼吸、脉象、体温等智能传感器。

环境信息智能传感器技术是指对动植物生存所需的环境要素进行监测的智能传感技术。环境信息智能传感器主要包括土壤类、气象类、水体类、畜禽类等智能传感器。低成本、小型化、高精度、多参数、寿命长以及集成感知的环境信息智能传感器是目前环境信息智能传感技术的研究重点。

农产品品质与安全智能传感技术是指对新鲜果蔬、果汁、食品、农副产品等品质与安全监测的智能传感技术，主要包括嗅觉、味觉、视觉、听觉等智能传感技术。嗅觉智能传感技术应用于新鲜果蔬品质的成熟度、新鲜度、腐败度等无损检测。味觉智能传感技术应用于果蔬汁制品味道、成分、添加剂等监测。视觉智能传感技术应用于农产品分级、外部品质、受损情况等监测。听觉智能传感技术应用于果蔬内部品质缺陷、水果硬度等监测。

农业传感器具有广泛应用前景，在提高农业生产效率、保障食品安全等方面

将发挥重要作用

提高农业生产效率： 农业传感器可实时监测气象、土壤、作物等环境因素，并对这些数据进行分析，从而为农民提供科学的决策依据，帮助他们更有效地管理农业生产过程，提高生产效率。

保障食品安全： 农业传感器可及时监测农作物生长状况，识别病虫害并采取相应措施，避免化学农药过度使用，从而保障食品安全。

降低成本： 农业传感器可精确地进行肥料、水分等资源的施用，减少资源浪费，降低农业生产成本。

促进可持续发展： 农业传感器可帮助农民精准测算土地利用率，减少农业废水和废气排放，降低对环境的影响，并为实现可持续发展提供支持。

全球农业传感器市场规模持续扩大，国内外积极布局

农业传感器已成为国际农业科技竞争的焦点，随着智能农业技术和生产方式不断发展、应用和升级，全球农业传感器市场规模将保持高速增长。根据相关数据显示，2022年全球农业传感器市场规模达到453.48亿元，预计在2028年将达到1341.67亿元，年复合增长率为19.75%。目前，我国农业传感器生产规模约6000万只，年产值约1100亿元;预计到2025年，农业环境传感器、农机专用传感器、动植物生命信息传感器等主要农业传感器市场规模将达到2800亿元左右。农业传感器市场竞争越来越激烈，国内外企业都在积极布局和拓展市场。

SeeTree：建立农业种植“情报网络”

SeeTree成立于2017年，总部位于以色列特拉维夫。SeeTree利用基于机器学习、人工智能、物联网的数据驱动解决方案，为农业生产种植建立“情报网络”，帮助农户控制病虫害、高效灌溉施肥，最终提高作物产量。核心系统基于地理空间和目标识别算法，训练识别、收集和分析果树数据，为精确决策提供支持。

中国农业科学院棉花研究所南繁育种基地：无人机遥感田间育种表型观测系统

中国农业科学院棉花研究所南繁育种基地采用无人机遥感田间育种表型观测系统，将基地概貌和株高、叶面积指数、冠层温度、叶绿素含量等育种专家关心的表型数据投映到南繁育种基地中控室大屏上，解决南繁农业信息基础设施不足、基础数据缺失、信息管理系统不完善等问题。新一代农业传感技术“加持”，使得南繁育种基地立刻“耳聪目明”起来。

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传感器在智慧农业上的未来发展趋势

随着物联网和人工智能技术逐渐成熟和传感器行业飞速发展，传感器将向更加微型化、集成化和智能化等方向发展。成本低、功耗小、使用简单的无线传感器网络就是实现传感器集成化的一种技术，也是精准农业体系中至关重要的一部分。

无线传感器网络是一种集成传感器并通过无线通信进行感知、采集、处理传输网覆盖区域内被感知对象的信息的分布式传感网络，为智慧农业发展和真正实现农业精准化水平发挥了重要促进作用。比如，智能农业机器人集多种传感器于一身且可以智能操纵，不仅可以代替人工实现更加精确的信息数据获取和田间劳作，还可以配合大数据平台得到更合适的治理方案。

此外，传感器和物联网、云计算等技术的结合可以打造一个智能化、数字化的多功能智慧农业平台，也是实现传统农业向现代农业过渡的重要节点。一方面，可以对传感器所测数据进行信息整理，整个过程的数据分析、决策支持、远程控制、灾变预警等也同样需要平台处理;另一方面，通过与物联网技术融合，不仅能够完善农产品电商平台构建，还可以打破农业市场时间和地理的限制性因素，促进农村经济新业态发展。

来源：传感器专家网、广源温室、168report、光明日报、35斗等媒体平台

图文由公众号成都市科技顾问团提供

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新一代传感技术让农业“耳聪目明”

当无人机在三亚的晴空缓缓升起，中国农业科学院棉花研究所南繁育种基地中控室的大屏上，基地的概貌和株高、叶面积指数、冠层温度、叶绿素含量等育种专家关心的表型数据逐渐清晰起来。

这是该基地无人机遥感田间育种表型观测系统工作时的场景。为解决南繁农业信息基础设施不足、基础数据缺失、信息管理系统不完善等问题，海南省投建了南繁硅谷综合服务平台，有了新一代农业传感技术“加持”，南繁育种基地立刻“耳聪目明”起来。

传感技术显身手

“传感器技术是信息社会的重要技术基础。”国家农业信息化工程技术研究中心副研究员张云鹤对《中国科学报》说，“传感器的品种、数量、质量和技术水平，直接决定了信息技术系统的功能和质量。”

提起目前农业生产中应用的各类传感技术，张云鹤从环境、气体传感，土壤、水质传感，植物生理传感，无人机遥感四大类，一口气列举了20多种。

在作物环境信息监测系统中，可以实时监测育种小区视频图像、空气温湿度、光照、风速、风向、雨量、土壤温湿度、电导率、pH值、土壤墒情等参数，也可以进行作物穗层温湿度监测。系统通过对不同监测点信息同步获取、存储、动态直观呈现及管理，为及时灌溉和适量灌溉、作物最佳生长条件改善等提供参考。

例如，借助远程作物生长状况监测系统，计算机可实时收集作物长势、病虫害、作物营养状况等信息。同时，人们可以在电脑端、手机端实时接收相关数据，查看现场信息，便于专家远程指导。

凭借强大的农业传感技术，人们足不出户即可对作物叶片及病斑进行测量，并基于智能手机，进行作物叶片图像信息获取和识别，以及实时处理。这种技术适用于田间环境不同作物叶面积、叶长、叶宽、病斑面积、病斑比例等信息的快速检测，其测量误差小于3%。

此外，先进的传感技术还可用于作物叶片及病斑测量仪、多功能水肥一体化管理设备、电物理水消毒设备等，为田间育种决策提供高通量信息服务支持。

“基于物联网技术构建的育种环境信息监测系统，可以实现作物生长气象信息、土壤情况、长势情况、病虫害以及光、温、水、气等相关信息的实时采集和监测，为育种家提供育种环节全过程的精准数据支撑。”张云鹤说，“结合融合分析系统，能实现地块级的精准气象及病虫害预警，提高作物育种生产管控精准化和智能化程度，有效提升育种作业效率和信息化水平。”

同时，通过三维实景建模及物联网系统，管理人员可实时查看大田、温室、办公场所以及气象、灌溉等相关设备状况，极大程度提高管理和生产效率。

智慧农业的基础

“现在，我们都说智慧农业、智能农机，其核心制约因素还是传感器。”南京农业大学工学院院长汪小旵对《中国科学报》说，“对于一个智能系统来说，没有传感器，就成了‘瞎子’和‘聋子’，后面的智能决策无从谈起。”

汪小旵长期从事作物信息智能化检测和农业装备智能化控制研究，在日常研究中，他和团队不仅大量使用传感器，而且从事一些传感器的开发研究工作。比如，该团队正在研制基于土壤原位根系检测的传感器，营养液栽培中的氮、磷、钾传感器，水产养殖中的硝酸盐、磷酸盐检测的传感器，基于高光谱和荧光图像的作物病虫害监测传感技术等。

“智能控制系统如果没有传感器的输入信号，就无法比对和形成闭环控制，农业大数据系统如果没有传感器就没有数据来源，人工智能系统就无法获取足够的知识。”汪小旵说，“从这个角度来说，传感器是现代智能农业的核心技术，同时也是容易被‘卡脖子’的技术。”

目前，我国的传感器技术已经广泛应用在农业领域，但主要集中在对单个特征，如温、湿度的测量上，而新一代传感器技术不仅仅包括对物理环境、生物性状的监测和整合，更包括运用材料科学及微电子、纳米技术创造的新型纳米和生物传感器，对诸如水分子、病原体、微生物在跨越土壤、动植物、环境时的循环运动过程进行监控。

“新一代传感器具备快速检测、连续监测、实时反馈、智能处理的能力。”张云鹤说，“如果能在资源要素的利用环节即精准发现和定量识别可能出现的问题，并能实时进行优化调整，将彻底改变我国农业生产利用方式。”

须多学科联合攻关

今年以来，全球小麦、玉米、水稻三大主粮产区均受到极端天气影响。传统的小麦出口国澳大利亚因遭遇严重干旱，时隔12年后首次计划进口小麦；玉米出口大国美国因受阴雨天气影响，播种创历史同期最低水平；同受干旱影响，水稻出口国菲律宾也出现大规模歉收。

众所周知，我国以全球7%的耕地养活了全球近20%的人口。提高粮食产量、减少化肥农药用量急需新一代传感技术。建设高标准农田，发展精准农业、智慧农业，新一代传感技术已然成为“刚需”。

汪小旵认为，虽然对比国际先进水平，我国智慧农业发展还处于成长期，但这也意味着具有较大的价值。得益于中国政策和土地政策的助推，中国智慧农业起步晚，但发展速度特别快。

传感器的性能影响着农业生产力的提高，当前我国智慧农业尚处于监测环境因素的初级阶段，而且市场上的传感器质量参差不齐。同时，智慧农业所使用的传感器大部分面临比较恶劣的环境，低功耗、耐腐蚀、抗低温性能良好成为农业传感器的基本要求。此外，受部分农业生产者操作仪器的水平所限，农业传感器件应尽量选择安装方式简单、方便携带、稳定性好和校正周期短的产品。

“新一代传感器技术涉及的内容非常多，不是哪一个学科和专业可以单独完成的，需要多学科联合攻关。”汪小旵说。

汪小旵举例说，监测动植物性状，有可能用到高光谱图像、荧光图像、纳米技术、3D打印等；对氮磷钾、病原体、微生物在土壤、水体等中的循环运动过程进行监控，也会用到光电子学、材料学、微电子、纳米技术等。

“同时，制约新一代传感器从实验室走入产业的最关键因素，在于新一代传感器快速稳定检测、连续可靠监测以及与物联网有效集成的能力。”汪小旵说。（张双虎）

来源： 《中国科学报》

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