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》

传感器在智慧农业中的应用分析

自古以来，粮食生产在人口密度大、耕地面积少的中国 占有重要地位。随着社会的发展，农业在国民经济发展中发 挥了重要作用。近几年，随着人工智能时代的到来，“智慧农 业”一词逐渐发展并且成为现代农业进程中的重要组成部 分。在现代科技飞速发展的大环境下，传感器作为现代智能 化的重要工具，为推进实现智慧农业发挥了重要作用。

1、国内智慧农业的发展现状

智慧农业是运用传感器网络等多种技术通过移动平台 实现信息采集、生产数据收集等功能并达到对农业生产智 能控制的效果。据中商产业研究院分析，开展智慧农业项 目，不仅能有效改善农业生态环境，还能够显著提高农业生 产经营效率，彻底改变了农业生产者、消费者的观念和组织 体系结构[1]。

智慧农业是推动现代农业发展的重要途径。为了促进我 国农业生产力的提高和加快实现现代化，国家为此发布多 个政策并给予诸多的扶持。从 2012 年中央一号文件中提到 “加快推动农业科技创新”到 2019 年 2 月国家发布的《关于 坚持农业农村优先发展做好“三农”工作的若干意见》中提 到“夯实农业基础，保障重要农产品有效供给：提出加快突 破农业关键核心技术，培育一批农业战略科技创新力量，推 动生物种业、重型农机、智慧农业、绿色投入品等领域自主 创新”[2]。无一不显示出智慧农业发展实施的必然性。

我国智慧农业起步虽晚，但发展速度非常快。2018— 2019 年，在国家相关政策的响应下，诸多国内企业纷纷投资 布局智慧农业，加快我国智慧农业建设，比如美团“未来食 物农场”、腾讯“智慧农业平台”、京东“京东农场”和阿里巴 巴“AI 养猪”等。但是与国外相比，智慧农业起步晚的劣势仍 然存在，技术含量、生产水平等方面普遍存在不足。因此，加 大科学技术创新、提高农业技术水平势在必行。

2 传感器的概念

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、多功能化、系统化、网络化等优点[3]。

农业传感器主要包括生命信息传感器和环境传感器。 生命信息传感器是通过检测植物生长过程中植物信息元素 和农药化肥等元素含量，并对植物生长体征进行数字化处 理，进而分析植物生长状况。环境传感器主要是对水分、土壤、空气等植物所生长的环境进行监控分析，及时了解环境 变化，保证植物成长和农作物质量达到最优水平。目前，常 用的农业传感器主要包括温度传感器、湿度传感器、pH 值 传感器、气敏传感器、生物传感器、光电传感器和压力传感 器等[4]。

现代智慧农业技术发展离不开传感器。目前，市场所生 产的传感器质量参差不齐，传感器的性能选择也影响着农 业生产力的提高。低功耗、材质耐腐蚀、抗低温性能好的传 感器可在户外田间的环境中使用。受农业生产地区限制和 大多数农民对传感器知识缺乏的影响，应选择安装方式简 单、方便携带、稳定性好和校正周期短的传感器

3 传感器在智慧农业中的应用

3.1 在农业生产中的应用

由于国内传感器技术具有局限性，传感器在农业生产中 的应用大多存在于育种育苗过程中。例如，通过使用生物 传感器操纵种子的遗传基因以达到培育优良品种的目的。 另外，在作物生长过程中进行生理生态监测，配合相应的智 能化系统，对作物的各项参数进行准确有效记录，能够实时 了解作物生长状况，针对监测情况及时做出调整，进而提高 收成率。比如，可以利用颜色传感器、水分传感器检测作物 的颜色和水分含量来判断作物的成熟程度以便于在适当的 时间进行采摘。

除了育种育苗，农业机械在作物种植以及生长过程中也 占有很大的比重。带有传感器装备的农机不仅会大幅提高 工作效率，还可以减轻一定量的人力劳动。传感器在农业机 械方面的应用可以体现在近几年来非常普遍的智能节水灌 溉系统和未来可期的农业机器人等。在智能节水灌溉系统 中，利用传感器进行土壤湿度的检测是最必需和基本的操 作。当湿度传感器反馈结果为土壤干燥的情况下，配合智能 平台及时启动灌溉系统进行相应的灌溉调度；相反，当湿度 传感器检测到水分已达到合适的标准时，关闭灌溉系统以达 到精准灌溉的效果。对于期待值最高的未来农业智能机器 人，它是一个集视觉、力觉（压力）、避障（超声波 & 红外）、触 觉等多种传感器于一身并且由平台控制，从而实现各种作 业的机器设备。通过融合多个传感器的感知，获得更加精确 的信息，完成信息交融[5]。

3.2 在监测管理中的应用

传感器在监测管理中的应用大多体现在对作物生长周围环境的监测，比如土壤、大气、水环境、杂草等的监测。目 前，传感器在大棚种植中有显著效果，例如技术较为成熟的 大棚智能监测系统。在此系统中，温度传感器、湿度传感器、 光传感器等实时监测育种环境使其作物达到最优生长的条 件；土壤传感器实时监测土壤水分、不同土层温度、土壤 pH 值、氮、磷、钾等农药化肥元素等，进而精准传递土壤水分和 土壤颗粒组成的信息；二氧化碳传感器可以实时监控植物 生长环境中二氧化碳的含量以保障植物光合作用；新兴的杂 草检测传感器技术可以进行杂草识别达到除草自动化等。 相应地，在禽畜饲养领域的动物育种繁殖、生存环境等 环节也需要应用传感器。例如，育种使用生物传感器；生存 环境采用气敏传感器、温度传感器、湿度传感器、光电传感 器等，及时调整饲养方案，提高饲养质量。

3.3 在加工储存中的应用

传感器在加工储存上的应用主要是监督农产品质量安 全。在分类加工成熟的农作物过程中，根据农作物特有的性 质进行相应的传感器检测。例如，根据水分传感器来判断 蔬菜新鲜程度。同样地，在储存过程中，温湿度传感器实时 监测仓库存储环境，确保农产品保持良好的存储状态。

4 传感器在智慧农业上的未来发展趋势

《国家乡村振兴战略规划（2018—2022 年）》指出大力发 展数字农业，实施智慧农业工程和“互联网+”现代农业行 动，鼓励对农业生产进行数字化改造，加强农业遥感、物联 网应用，提高农业精准化水平。发展智慧气象，提升气象为 农服务能力[6]。在此情形下，实现智慧农业数字智能化和加 强与其他现代科学技术相融合是大势所趋。

对于智慧农业来说，传感器是实现智慧农业的最基础， 也是最必不可少的“探头”工具。随着物联网和人工智能技 术的逐渐成熟和传感器行业的飞速发展，传感器也向更加 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。在农业生产中，该技术主要用来获取 环境信息，也是目前使用最广泛的一项技术。

无线传感器网络为智慧农业发展和真正实现农业精准 化水平发挥了重要的促进作用。比如，未来需要发展的智 能农业机器人。一个集多种传感器于一身且可以智能操纵 的机器人，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。同样，在遥感领域，无线传感器网络在实现地形分析、 灾害研究、病虫害监控和植保无人机等占有主导地位。

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 测的数据进行信息整理，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 过与物联网技术的融合，不仅能够完善农产品电商平台的 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。

作者：吕桂英

来源：现代农业科技

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