智慧農業背景下農業智能傳感器應用現狀分析

趙自強

（塔里木大學信息工程學院，新疆阿拉爾 843300）

隨著信息技術在經濟和社會發展中的廣泛應用，信息化水平已成為衡量一個地區現代化水平的重要標志之一[1-2]。現代農業正在向信息化農業發展，建立農業信息科學勢在必行，科技興農是農業現代化發展的必由之路[3-5]。隨著科技的飛速發展，農業信息化建設將對農業生產、經營和管理模式產生重大而深刻的影響[6-7]。推進農業信息化進程能夠加速農業現代化發展，為了更好地實現農業信息化，催生了智慧農業的概念。通過物聯網技術，能實現更好的智能感知，并由此推廣全產業鏈的檢測，使農產品更加安全可靠[8]；合理應用農業信息技術可以促進作物的生長，降低養分的損失，增加糧食的收成。因此，智慧農業有著廣闊的發展空間。

農業智能傳感器是利用先進傳感技術、物聯網技術和人工智能算法，實現對農田、作物和養殖環境的精準感知、實時監測和智能分析的設備，也是智慧農業的關鍵核心技術之一，為農業生產過程中所需的關鍵信息和智能化管理提供支持。在智慧農業發展背景下，利用農業智能傳感器可以對農產品進行遠程監測與種植策略分析[9]，從而提高設施農業的建設和經營水平。本文闡述了智慧農業背景下農業智能傳感器的應用現狀，剖析了農業智能傳感器自身、數據傳輸通訊和數據處理方面存在的問題，并提出了解決措施和建議，為推廣應用農業智能傳感器提供參考。

1 智慧農業生產中傳感器分類

1.1 植物生理信息類智能傳感器

在智慧農業生產中，植物生理信息類智能傳感器起到了至關重要的作用。它可以通過感知和測量植物內外環境信息，實時監測和記錄植物的生理狀態，為植物生長和發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、數據采集單元和數據處理與傳輸單元組成。感知單元可以采集植物及其生長環境中的紅外輻射、葉綠素熒光、光合速率和蒸騰速率等信息[11]。數據采集單元將感知單元采集到的信息轉化為電信號，并進行放大、濾波和模數轉換等處理。數據處理與傳輸單元負責對采集到的數據進行處理和分析，并通過無線通信技術傳輸至上位機或云服務器進行存儲和分析[12]。

張新榮等[13]通過ZigBee 技術設計了一個植物生長多環境參數監測系統，克服了傳統植物生長環境數據監測和傳輸的局限性，在植物生長環境信息檢測過程中取得了優異表現。王玲玲等[14]將RFID技術應用到海南熱帶特色農業中，實現對熱帶特色農業生產過程中的環境信息和農作物自身特征信息的實時數據采集，保證農產品品質，達到農產品質量追溯的目的。劉九慶等[15]應用電感式位移傳感器設計了一種接觸式無損植物葉片檢測儀，解決了傳統葉片生理環境參數傳感器精確度不高問題，提升了葉片生理環境參數獲取精度。

1.2 土壤環境類智能傳感器

土壤環境類智能傳感器的廣泛應用為智慧農業帶來了許多便利。通過測量土壤濕度、溫度、鹽分含量以及營養元素含量等參數，為作物生產提供技術指導[16]。農民可以通過實時監測數據了解土壤狀況，并根據不同作物對土壤條件的要求進行相應的灌溉和施肥管理。可以有效避免灌溉和施肥過度或不足，從而保證農作物在適宜的生長環境中獲得充足的養分[17]。當傳感器檢測到土壤中某些營養元素缺乏或鹽分含量過高時，可以采取相應措施進行調整，如添加適當的肥料或進行鹽分調節[18]。這有助于及時預防和解決作物生長過程中可能出現的問題，最大限度地提高作物產量和品質[19]。通過對土壤環境數據進行長期分析，可以了解土壤的變化趨勢和周期性規律，從而更好地制定農作物的種植計劃和管理策略[20]。

張東興等[21]設計了一種可見光—近紅外式土壤水分傳感器，在測量玉米等作物播種環節的土壤水分中取得了良好表現；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等問題，設計了一種基于無線傳感器的棉田墑情監控系統，實現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—基質勢—溫度復合傳感器，用于同步測定森林土壤、農田壤土和砂土的水分特征曲線，為農業生產和環境監測等領域提供了可靠的技術支持。

1.3 氣象環境類智能傳感器

氣象環境類智能傳感器在智慧農業中也扮演著重要的角色。通過監測氣溫、相對濕度、降水量和風速等參數，將這些數據傳輸到終端設備上，通過分析氣象數據，可以判斷天氣變化，合理安排作業計劃，實施適當的防災措施[24]。氣象環境類智能傳感器憑借感知單元的靈敏度和多樣性，實現對多氣象要素和環境參數的感知和測量，提供全面的氣象和環境數據支持，采用先進的傳感技術和校準方法，提高測量的準確度和穩定性[25]。建立氣象傳感器網絡，實現傳感器之間的數據共享和互聯互通，提高數據的實時性，增強網絡覆蓋范圍。

肖婷等[26]以STM32F103ZET6 為主控設計了一款基于物聯網的茶場生態環境監測系統，利用各類氣象傳感器監測茶場的環境參數，通過GPRS 與主控通信，由主控對所有傳感器采集的數據進行匯總、分析、顯示和存儲等，提升了茶場生態環境的監測效率；胡敏哲[27]設計了一種自動氣象信息采集系統，并使用改進Leach 算法的傳感器網絡，實現了氣象數據采集過程中的低能耗、低延遲以及高準確性；韓貝等[28]設計了一種氣象聯網系統與氣象無人機相結合的氣象環境參數獲取系統，結合LoRa 無線通信技術，實現了氣象數據采集時精細化、網絡化的特點，達到了快速反應的要求。

2 農業智能傳感器面臨的挑戰

2.1 農業智能傳感器

在傳感器自身方面，需要關注以下幾個問題：首先是傳感器的精度和穩定性，確保其能夠準確測量和記錄相關參數；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境條件下工作，如高溫、高濕度和多灰塵環境，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定運行；最后應考慮傳感器的功耗和尺寸，使其更節能高效且易于部署。

傳感器的精度直接影響數據的準確性和可信度。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，導致數據存在誤差。此外，高精度和多功能的農業智能傳感器一般價格較高，一定程度上限制了其普及和應用。

2.2 數據傳輸通信

在數據傳輸通信方面，需要解決以下問題：首先是選擇合適的通信技術和協議，以確保數據能夠穩定、快速地傳輸到指定設備或云平臺；其次是確保數據傳輸的安全性和隱私保護，采取合適的加密和認證機制，防止數據泄露或被篡改；最后是合理制定傳感器網絡的覆蓋范圍和擴展性，以滿足不同農田布局和規模的需求。

傳感器數據的傳輸和共享需要有可靠的網絡和平臺支持，而小部分農村地區可能缺乏穩定的網絡和數據共享平臺，最終導致傳感器數據無法及時傳輸和共享。

2.3 農業數據處理

在農業數據處理方面，需要解決以下問題：首先是對大量的傳感器數據進行有效的存儲和管理，以便后續的分析和應用；其次是開發高效準確的數據處理算法，從海量數據中提取有價值的信息，并為農民提供實時的決策支持；最后是關注數據模型的更新和優化，以適應不斷變化的農業環境條件和作物生長需求。

農業傳感器產生的數據量龐大，對數據的處理和分析能力要求較高，一些農民可能缺乏相關技術和工具，導致無法有效地處理和分析傳感器數據。農業數據中包含的農田位置、作物生長情況等信息，可能存在數據和隱私泄露的風險，因此，農業數據處理需要采取適當的安全措施來保護數據的安全和隱私。此外，農業數據來源多樣，包括氣象數據、土壤數據和作物生長數據等。這些數據具有不同的格式和結構，難以進行有效的集成和標準化，給數據處理和分析帶來了困難。

3 對策建議

3.1 提升農業智能傳感器性能

為提升農業傳感器的性能，可以從多個角度入手。一是通過優化傳感器硬件設計和制造工藝，提高測量精度、穩定性和可靠性；二是利用先進的材料技術，降低能耗和尺寸，提高傳感器的能效性能；三是采用多模態傳感器融合技術，結合不同傳感器優勢，實現更全面準確的數據采集；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確性；五是定期對傳感器進行校準和維護，保證傳感器始終處于良好的工作狀態。

3.2 構建農業專用通信網絡

為構建農業專用通信網絡，可以考慮以下幾個方面。一是選擇適合農田環境的通信技術和協議，如LoRa、NB-IoT 等低能耗廣域網技術；二是布置合理的基站和中繼設備，以確保傳感器數據能夠穩定可靠地傳輸到指定位置；三是考慮網絡拓撲結構和路由算法的設計，以提高網絡覆蓋范圍和傳輸效率；四是在農田、農村等地區建設通信基站，擴大通信信號覆蓋范圍，這些基站可以采用無線通信技術，以保證通信質量和傳輸速度。

3.3 科學合理采集作業環境數據

科學合理地采集作業環境數據是智慧農業生產過程中的關鍵一步。在采集作業環境數據時，應根據具體作物種類和生長階段確定監測指標，并選擇適當的傳感器進行數據采集，同時要注意采樣點的布置和數量，保證數據的代表性和可靠性。在數據采集過程中要注意標定和校準傳感器，并進行數據的實時監測和記錄，以便后續分析和應用。根據作物的生長周期和發育階段，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據的頻率和時間點。

4 結論

當前，農業正處在由傳統農業向現代農業轉型的時期。利用信息技術對農業生產的各種要素進行數字化設計、智能化控制、精準化運行和科學化管理，可大幅度減少農業生產過程中不必要的消耗，降低生產成本，提高產業效益。通過現代信息技術運用和信息引導，促進農業科技水平提高，幫助農業產業結構優化升級，改善農業基礎設施和生產環境，使農業生產方式向現代化轉變，促進農業全面、協調和可持續發展。

未來，以農業智能傳感器及相關技術作為支撐，可推動智慧農業發展與農業現代化進程，實現農業生產的低成本快速檢測和連續監測，提高農業生產的實時反饋能力，在此過程中農業智能傳感器將更加智能化、精準化、可靠化和安全化。農業智能傳感器的應用將更加個性化和差異化，農業智能傳感器除應用于傳統的種植業和養殖業之外，還將涉及農業物流、農產品質量監控和農業環境保護等領域。農民可以通過精細化管理提高作物的產量和質量，建立農產品的品牌形象，增強消費者對產品的信任度和價值認知，進而提高產品的售價和市場份額，實現農業生產的效益最大化。農業智能傳感器的發展也將推動農業產業的升級和轉型，為農業生產提供更加高效、優質和可持續的解決方案。

本文通過對目前植物生理信息類智能傳感器、土壤環境類智能傳感器和氣象環境類智能傳感器的應用現狀和存在問題進行分析，提出了相應的對策和建議：在農業智能傳感器自身方面，應注重優化精度，提高穩定性、可靠性和耐用性等方面的性能；在數據傳輸通訊方面，要關注通信技術選擇、安全性保障和網絡覆蓋范圍等問題；在數據處理及算法方面，要解決數據存儲管理效率不高的問題，應對高效準確的數據處理算法和模型更新優化等挑戰。