農業傳感器與智能檢測技術發展任重道遠

文|王儒敬 中國科學院合肥智能機械研究所 所長

如果智慧農業是一棵樹，那么傳感器和智能感知就是樹的根，是智慧農業的源頭。作為農業信息獲取的“感覺器官”，農業信息感知層的關鍵組成部分，農業傳感器承擔著數據采集和傳輸的重任。通過傳感器，可以有效降低人力消耗，更能極大擺脫天氣因素限制。同時，將農業生產中的個人經驗轉化成更科學、更精確的信息手段和以軟件為中心的生產模式，從而讓農業生產真正走上智能化、自動化和遠程控制化的智慧農業發展之路。近年來我國農業傳感器從論文、專利、產業、技術體系方面都有較快的發展，但產業化程度低，規模小，這些都成為我國現代農業發展的制約，必須進行協同創新。

農業生產方式隨時代而變遷，與科技相接軌，現代農業的發展離不開農業信息化的支持。隨著物聯網、互聯網+等技術在現代化農業中的廣泛應用，農業生產逐步走向信息化、自動化、智能化的道路。

在信息化農業中，通過獲取作物信息、農田環境信息、農機作業信息等，分析與處理采集的環境信息，最終形成可提供決策支持的信息命令，將農業生產中的個人經驗轉化成更科學，更精確的信息手段和以軟件為中心的生產模式，將為精細農業提供更加豐富的實時信息，為農業生產提供智能化、智慧化管理。

獲取信息是分析、處理信息，形成控制的前提，如何有效獲取信息是實現智慧農業的關鍵問題，而現代傳感器技術則為解決這個問題提供了技術支持。作為農業信息獲取的“感覺器官”，農業信息感知層的關鍵組成部分，農業傳感器承擔著數據采集和傳輸的重任。

在現代農業發展過程中，越來越多的新技術及新設備均得到廣泛應用。智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發宇宙飛船過程中提出，并迅速應用到各個領域，世界范圍內的農業傳感器探索也快速向前發展。本文根據中國科學院情報所袁建霞研究員提供農業傳感器論文與專利分析報告，從論文、專利、產業、技術體系方面對農業傳感器發展現狀進行分析。

我國相關論文發表的數量居世界第二位，但不在高被引論文之列，這從一個側面反映我國前沿創新能力的嚴重不足

從1991年到2017年全世界在農業傳感器研究領域發表的論文數量呈快速上升態勢，農業傳感器是國際科研機構研究熱點。隨著傳感器技術在農業領域的不斷發展和應用，相關論文數量在2015年至2017年甚至出現了猛增，可見國際上對農業傳感器前沿技術的研究，尤其是創新理論的研究是一個重大熱點。近些年來，我國的農業傳感器技術的發展步伐比較快，但是與發達國家還有一定差距。在農業傳感器論文數量排名的國家中，美國共發表有影響力的論文519篇，牢牢占據第一的位置，中國排名第二，但數量只有99篇，不到美國的1/5，理論創新差距較大。高被引論文來自美國等11個國家，沒有中國，也從一個側面充分說明我國前沿創新能力嚴重不足。在論文數量排名前10機構及其所屬國家總排名中，9家機構屬于美國，中國機構論文數量排名未進前10。我國在該領域機構研究分散，從基礎理論、創新、影響方面說明我國在該領域的研究與世界先進水平還有差距。

我國農業傳感器專利申請量遙遙領先，但產業關注度嚴重不足，核心創新點薄弱，國產元器件占比率低，成為現代農業發展瓶頸

從1974年到2017年全世界農業傳感器方面專利總體趨勢看，農業傳感器知識產權爭奪是重點之一。中國以4500多件的專利申請量遙遙領先，其中江蘇大學、西北農林大學申請數量排名進入了世界前10位。

但是，我國農業傳感器產業關注嚴重不足。專利主要依靠企業進行發力，而在專業申請量排名前40名中都沒有中國企業，我國企業對農業傳感器的關注度還未引起高度重視，產業規模和應用較小，還處于發展起步階段。在高被引專利分析中，不見中國機構的身影，前3名均是來自美國的企業，這也從一個側面反映出中國專利質量相對較低，核心創新點薄弱。

《中國傳感器產業發展白皮書（2014）》明確提出，美國、日本、德國等發達國家掌握著傳感器的核心技術，而我國傳感器需求、尤其是高端需求嚴重依賴進口，國產化缺口巨大，傳感器件進口占比80%，傳感器芯片進口占比達90%。國產農用傳感器核心元器件應用占比不到10%，無法滿足農業物聯網、智慧農業發展需求，已成為我國現代農業發展的瓶頸。

此外，我國目前農用傳感器種類不到世界的10%，傳感器價格現階段相對來說還比較貴，并且部分國產傳感器性能不夠穩定，對于普通農作物來說并不適用，傳感器在覆蓋面、適用性等方面還有很大提升空間。

我國農業傳感器從前端信息獲取到終端市場信息反饋都存在不足之處

從整個智能農業技術體系來看，中國在前端環境信息獲取、作物本體信息獲取、農業知識獲取、市場信息獲取等方面的能力還有所欠缺，在終端市場信息的反饋，農產品品質檢測的感知技術也有不足之處，明顯感覺到我國技術體系發展這一塊前端和后端的感知是很薄弱的，有必要得到更好地加強。

傳感器技術在智慧農業中的應用前景非常廣泛，但目前我國農用傳感器在技術、生產、應用上還遠未成熟，無法滿足智慧農業發展的技術要求，農業傳感器技術存在的諸多技術瓶頸嚴重制約著智慧農業的快速發展。

我國在土壤成分速測智能傳感技術探索方面取得突破性進展

智能農業中的一個重要組成部分就是精準施肥。精準施肥的前提是實時準確地獲取土壤中植物生長所須營養物質的準確含量，然后在施肥過程中再依據這些準確數據對化肥和農藥的施加量進行科學的配比，實現以最小的化學投入量獲得最大的產出效益。目前對于土壤養分含量的測量方法主要有兩種：一種是使用最為廣泛也最準確的化學分析方法，另一種就是利用土壤傳感器進行分析。

土壤傳感器因土壤組成成分的復雜性，發展較為緩慢，這是目前農業傳感器研究的重點。國內外農業傳感器研究機構，希望解決的關鍵性問題就是利用傳感器對土壤進行低成本、大面積、快速、原位土壤肥力速測。

目前采用的方法主要有以下幾種，但都有不足之處。一是采用電子以及電磁學等方法對土壤的電阻以及電容等參數進行測量，但是這種測量方法很容易受土壤組成的影響；二是利用電磁波對土壤進行測量，這種方法可以對土壤的結構及其物理化學性質等進行測量。三是采用電化學方法，這種方式可以對土壤中的某些離子等進行測量，但是這些測量方法都有所局限，因而，原位測量傳感器在國際范圍中都是研究的難點。

想要對其信息進行精準的探測，就必須在其測量技術、計量模型上有一定程度上的突破。經過不斷的努力和發展，我國在土壤傳感器研究領域取得了一定的突破和創新。

一是土壤光譜檢測技術和光譜的非線性性建模能力不斷提升。這種檢測技術采用近紅外結合深度學習非線性建模實現土壤總氮、有機質、PH值快速檢測，LIBS技術快速檢測土壤中鎂、鈣、錳、鐵等中微量元素。這項技術的突破不僅消除土壤顆粒、濕度以及多種成分交互影響，還大大提高近紅外、激光擊穿誘導、X熒光射線以及太赫茲等土壤光譜檢測的魯棒性與模型泛化能力，實現土壤大面積、低成本土壤快速現場速測。

二是新材料與新工藝取得突破，降低設備生產成本，實現光學探測器的國產化。我國制備CdTe（碲化鎘）納米膜與石墨烯納米膜與磷酸根等離子絡合，實現土壤傳感器新材料突破，實現硝酸根、銨根、磷酸根、鉀離子痕量檢測（PPb量級）、選擇性檢測，多點、原位、連續檢測；單樣檢測成本批量生產1元左右。

三是解決大面積、低成本、土壤速效養分速測問題，為精準追肥提供產品支撐。中科院上海技術物理研究所研制的InGaAs（銦砷化鎵：三元化合物半導體）線列焦平面探測器，已研制0.9-1.7mm線陣探測器，突破1.7-2.5mm土壤探測階段，每臺探測器價格約為2-3萬元，達到土壤肥力速測效率高、成本低、精度達到要求。我國還成功研制出車載土壤養分與重金屬污染物快速檢測裝置，目前已經通過省級鑒定。這種檢測裝置能夠實現土壤總氮、有機質、PH值，鎂、鈣、錳、鐵等中微量元素快速檢測，解決大面積、低成本、土壤綜合肥力速測問題。

此外，我國土壤養分檢測機器人技術得到突破，實現土壤樣本快速測試，單樣1元以內，檢測時間3-5分鐘，檢測周期2小時；為精準施肥提供技術支撐，同時為大規模土壤成分光學速測提供大量樣本準備，實現現場、原位、快速、低成本、智能化檢測。

農業傳感器的在現代農業發展領域應用廣泛

現代農機必須滿足大田塊作業的要求，向大型化、作業高速化發展，將傳感器應用于農業機械領域，有利于及時發現并處理農業機械工作中容易出現的問題，并能促進農業機械自動化發展進程，保證農業機械使用的可靠性、降低工作能耗、節省人力和資源的投入。

我國近年來一直致力于研究從動力機械到播種、植保、收獲的智能化農業機械裝備。播種是農業生產過程中的重要環節，播種過程中控制系統反應的快速程度以及可靠程度是播種類農業機械工作中需要解決的重要問題。排種器是播種機的重要部件，光電傳感器可以對播種的種子的籽粒距離進行準確檢測，現已發展成為國內外種子籽粒距離檢測的最有效方法之一，光電傳感器工作的優良程度直接影響到整個播種系統的性能和效果，進而影響產量。

傳感器技術還應用于農產品加工檢測方面。一般的農產品都需要分類加工，如番茄除青果，大米除雜、棉種分選，這些都是農業生產的后道工序。農產品分選時多使用的是色選裝置，而充當色選裝置“眼睛”的就是傳感器，從普通的光電傳感器，到復雜的圖像傳感器，不一而足。通過傳感器可以識別出農產品中的雜質或不成熟體，并反饋給系統進行篩除，也可以通過高精度的圖像傳感器對種子表面進行損傷、顏色、缺陷識別，以便進行分級處理。在農產品的檢測方面，近年來興起了電子鼻檢測技術，就是借助氣敏傳感器來識別氣味，并可實現不同時間、不同地點采集的氣味持續動態的監測，可以檢測出果蔬產品中的農藥殘留濃度、不同水果的成熟度、谷類是否變質等等。

傳感器技術還廣泛應用于動物養殖及植物栽培等方面。我國農村在動物養殖及植物栽培方面存在著布局分散、診治專家短缺、瘟病、病蟲害頻發等困難，我國已經研制出農業遠程診斷系統，集音、視頻于一體，可實現專家遠程指導、診斷。該系統是由傳感器、傳輸網絡、專家信息平臺 3 個部分構成，可對動物養殖及植物栽培過程中部分災害進行有效防治。我國也有部分地區已將傳感器技術運用到測土配方施肥當中，可使農戶將植物生長情況數據通過終端傳輸給農業專家，專家給予有效的解決方案，對植物實現精細化施肥，提高生產效率。

智慧農業發展，專業農業傳感器研發意義重大，要強化協同創新，著力突破共性技術、關鍵技術，縮小與國外的差距

人工智能技術的發展為農業帶來新的機遇。通過可以實現；無線傳感網絡，通過大量微型、低成本、低功耗傳感器節點多跳無線網絡，可以完成大規模、自組織、集成化，動態性、可靠性的數據傳輸；傳感器與智能感知：通過熱敏、光敏、氣敏、力敏、磁敏、濕敏、聲敏、放射線敏、色敏和味敏等信息感知，微納米敏感材料與敏感元器件、深度學習泛化模型，實現了智能感知與數據收集。感知、傳輸及應用三個層面的發展協作，實現對農業生產過程的管理與控制的同時，為智能農業的發展提供強有力的支撐。

為加快我國農業傳感器發展，進一步縮小與發達國家技術差距，圍繞我國農業傳感器發展的現狀和問題給出幾點建議：

全球傳感器市場分布情況

一是面向農業生產過程中的復雜變異性，圍繞光敏、氣敏、力敏、離子敏及納米材料制備及其元器件制造等問題，開展關鍵性技術研究，以解決傳感器件的特異性感知性能問題。

二是利用我國大科學裝置、大科學中心已有裝備，開展敏感增強以及封裝技術研究，引進與自主開發結合，研制先進微納工藝制備裝備與自動化生產線，以提高傳感器件的整體性能。

三是按創新2.0模式構建政、產、學、研、用協同創新機制，降低開發成本，縮短創新周期，深度學習提升傳感器魯棒性與模型泛化能力。

目前，中國科學院智能所、地理所、遙感所、南京土壤所、沈陽自動化所、中國科大、上海技術物理所、國家傳感器重點實驗室等優勢單位已共建智慧農業協同創新中心，開展農業傳感器、大數據與智能裝備（農業機器人）研究，在敏感材料與敏感元器件以及傳感器深度學習建模等核心技術前沿，取得重大突破，形成系列源頭創新成果，隨著研究的進一步深入，我國農業傳感器領域的發展將會有廣闊的空間。