農業傳感器發展態勢研究

彭漢艮 倪軍 陳可

0 引言

農業傳感器技術應用范圍較廣，涵蓋農業物聯網、溫室智能控制、農業機器人、農業收獲機械、水產養殖、灌溉、牲畜養殖、農產品溯源等領域。目前，基于深度學習、機器學習的植物分類、病蟲害識別、水肥管理技術方面的專利層出不窮，農業傳感器技術應用潛力巨大。

1 農業傳感器發展現狀

1.1 技術研究

全球農業傳感器領域的專利研究始于1917年。1917～2006年，世界各國對農業傳感器技術的專利保護意識從無到有，逐漸加強，共申請了247項傳感器技術專利。2006年之后，隨著信息農業的快速發展，農業傳感器技術在硬件模塊設計和軟件功能設計上均產生了質的飛躍，農業傳感器技術領域的投資模式也從純粹的政府支持下的研究投入轉換為具備一定盈利價值的商業投資應用，因此也吸引了大量具有豐富市場經驗的風投公司進入該領域，在一定程度上提高了投資者對于專利保護的意識。2006年至今，全球農業傳感器專利申請總量為9 372項。

我國的農業傳感器技術研究起步較晚，專利申請量雖然較多，但整體質量及影響力較差，大多數專利為基于其他國家已有產品的技術改造/升級產物，缺乏核心技術研究。

1.2 技術應用

目前，荷蘭、日本等農業發達國家在農業傳感器領域的專利申請、轉讓、實際生產、銷售上均已形成較為成熟的盈利模式，研究型機構與公司之間也建立了較好的合作共贏關系。而我國在農業傳感器領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，研究機構與企業間的合作較少，適合我國國情和農業生產特點的農業傳感器技術盈利模式仍處在積極探索階段。

2 常用的農業傳感器

2.1 能量型傳感器

能量型傳感器能通過硬件電路設備將環境信息、作物生長信息轉換為電能量信號，通過預先測定的模型實現對應參數的反演計算。能量型傳感器的種類較多，包括環境溫濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤溫濕度傳感器、地物光譜儀、各種氣體濃度傳感器等。

1）環境溫濕度傳感器。產品有：柏特瑞TEM-300X、Sensirion SHT3X數字溫濕度傳感器、VAISALA HMT330。

2）光照強度傳感器。產品有：虹譜光色OHSP-350I、遠方光電SPIC-300、Asensetek ALP-01。

3）土壤溫濕度傳感器。產品有：ESM101-01T、JD-W485。

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

5）氣體傳感器。產品有：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構信息，可視化程度高，包含的信息更加豐富。除了依靠植被指數進行表型信息反演外，還可根據成像傳感器感知方法的差異及數據處理方法的不同，從圖像數據中直觀地提取包括葉色、花期、株高、冠層覆蓋度、作物水分狀態等多種表型參數。根據成像方法的不同，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。前者主要依靠目標對象的反射光譜不同進行成像，后者則通過光譜成像以外的手段實現目標結構的獲取。

已有商業產品如下：

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

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

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

2.3 仿生傳感器

仿生傳感器主要基于生物物質識別電子元器件，通過將待測物質產生的物理或化學信號轉換為電子信號，而后通過計算結果反演得出對應生物質信息，進而實現產品品質的檢測。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產品交易、流通過程中對產品品質進行快速檢測，及時對品質有問題的農產品進行報告，防止有問題的農產品大規模流入市場。

已有商業產品如下：

1）電子舌。包括日本INSENT味覺分析系統、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。

3 傳感器技術應用于智慧農業存在的問題

3.1 傳感器種類少，核心技術匱乏

我國現階段所使用的農業傳感器設備種類不夠豐富，對傳感器測試原理、外形、功能的設計仍然停留于對國外設備的模仿階段。在頂尖的光譜技術、自動化控制技術、人工智能技術研究方面較難突破農業發達國家的技術壟斷，因此，在農業傳感器的推廣與應用方面整體進程緩慢。

3.2 農業傳感器測試穩定性差

由于作業環境多在戶外農田中，農業傳感器十分容易受到外界環境的干擾。以田間物聯網設備為例，農田物聯網傳感節點長期處于無人值守的狀態下，傳感器設備風蝕、水蝕嚴重，會導致其使用壽命縮短、測試準確度下降。

3.3 缺乏適合我國的盈利模式

目前，我國農業傳感器技術領域的投資模式、盈利模式仍然處于探索階段，部分傳感器設備高昂的售價也讓農民、小農場主群體難以接受，間接加大了農業傳感器技術在我國的推廣難度。因此，探索出適合我國農情的農業傳感器投資盈利模式，也是當前亟待解決的問題之一。

3.4 農業傳感器集成度較低

現有農業傳感器設備已經能夠完成對作物生長信息（株高、葉面積指數、葉干重等）、田間環境信息（溫度、濕度、光照強度、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業傳感器，在同一測試點往往需要安裝大量的傳感器設備。此外，田間傳感器節點多采用單點和靜態測定方法，覆蓋面積以及測試速度也有待加強。

3.5 傳感器實時傳輸水平較低

由于種養環境較為復雜，農業傳感器設備間的互通、數據傳輸存在問題，如作物冠層過高、過于密集，會阻擋傳感器信號的發送及接收。因此，傳感器節點的布置，傳感網絡架構的組建往往需要更加系統的科學研究，而當前對于該方面的研究較少。此外，傳感器數據的實時云端傳輸能夠使農事操作人員、科研人員對于田間環境狀況、作物生長狀況有更加準確的判斷，如何高效地實現傳感器數據匯聚、實時上傳也是急需解決的難題之一。

3.6 農業傳感器應用標準體系尚不完善

農業傳感器所涉及的測試結果較多，即使是使用同一種傳感器，如果研究人員設置的標準不同，得到的結果也會出現較大的差異，這種差異也會在數據結合研究中體現出來。因此，統一農業傳感器在數據傳輸、接口等方面的標準，能夠使農業傳感器的設計更加快速、便捷。

4 我國農業傳感器發展前景展望

中共中央辦公廳、國務院辦公廳2019年5月印發《數字鄉村發展戰略綱要》，把發展農村數字經濟作為十大重點任務之一［1］，提出加快推廣云計算、大數據、物聯網、人工智能在農業生產經營管理中的運用，促進新一代信息技術與種植業、種業、畜牧業、漁業、農產品加工業全面深度融合應用，打造科技農業、智慧農業、品牌農業” 。當前，我國農業生產仍然缺少具備核心技術的多功能一體化國產傳感器設備。在農業生產信息實時、無損、準確、高通量感知方面，現有傳感器的采集精度及抗干擾性也有待提高。在實際應用過程中，各種能量型傳感設備及成像感知設備間也沒有較好的組合（或結合）方式，對于不同傳感器數據的分析及處理需要依賴多種硬件設備、軟件系統及分析方法，這種復雜的操作流程無疑會減緩數據獲取的速度，導致信息滯后。此外，即使是應用同一種傳感器設備，如果采用的搭載平臺不同，所獲取的數據結果也同樣難以進行結合分析。5G甚至是6G時代的來臨意味著萬物互聯成為可能，高通量的數據不再需要存儲于存儲設備中，而是能夠實時與云平臺進行直接通信。這一技術瓶頸的突破能夠直接簡化數據獲取、傳輸以及存儲的操作流程，新型數據互通平臺的構建也意味著全球的農業傳感器數據都將可能被存儲于同一個公共平臺，對于不同傳感器數據結合處理分析技術的進一步發展值得期待。只有建立統一的數據傳輸標準、傳感器硬件開發標準、數據測試結果標準，使農業傳感器技術的研究與發展更加規范，才能確保農業傳感器數據穩定、安全。