胡建平 ，趙新宇 ，馮汝廣 ，范國(guó)華 ，趙翠敏

（聊城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 聊城 252000）

我國(guó)是設(shè)施農(nóng)業(yè)大國(guó)，2023年中央一號(hào)文件提出“發(fā)展現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)”，“十四五”規(guī)劃中也提出要積極發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)[1]?，F(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)通過現(xiàn)代化技術(shù)和智能化裝備實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化、數(shù)字化和智能化。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水土資源的約束，多元化和多層次消費(fèi)需求的升級(jí)，設(shè)施農(nóng)業(yè)將變得更智能。智能傳感器作為設(shè)施農(nóng)業(yè)中的核心要素，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施內(nèi)的動(dòng)植物生產(chǎn)所需的溫、光、水、土、氣、肥等環(huán)境條件，有助于水土資源的最大化利用，還能增強(qiáng)綜合生產(chǎn)能力。

1 我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

設(shè)施農(nóng)業(yè)是綜合應(yīng)用工程裝備技術(shù)、生物技術(shù)和環(huán)境技術(shù)，按照動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育所要求的最佳環(huán)境，進(jìn)行動(dòng)植物生產(chǎn)的一種高效優(yōu)質(zhì)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[2]。設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境可根據(jù)動(dòng)植物的生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行調(diào)控，突破時(shí)間和空間的制約，實(shí)現(xiàn)蔬菜瓜果連續(xù)周年生產(chǎn)，保障“菜籃子”產(chǎn)品穩(wěn)產(chǎn)保供。隨著工程技術(shù)手段的進(jìn)步，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)取得了顯著成果，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2021年年底，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已達(dá)286萬hm2，總產(chǎn)值超過1.4萬億元，已經(jīng)形成了日光溫室81萬hm2、塑料拱棚203萬hm2、大型連棟溫室1.8萬hm2和植物工廠250座的四種結(jié)構(gòu)形態(tài)，而且通過多年的技術(shù)革新，在節(jié)能設(shè)施結(jié)構(gòu)、環(huán)境調(diào)控以及植物工廠等方面取得了重要進(jìn)展，如實(shí)現(xiàn)了植物工廠成套裝備的完全國(guó)產(chǎn)化[3]。雖然我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)取得了顯著的成績(jī)，但是相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)在土地利用率、單體規(guī)模、產(chǎn)量、抗逆能力、機(jī)械化水平等方面還存在不足，整體智能化管控技術(shù)有待提升。

2 農(nóng)業(yè)傳感器

2.1 農(nóng)業(yè)傳感器概念

傳感器是一種檢測(cè)裝置，它可以檢測(cè)到指定的測(cè)量值，并根據(jù)一定的規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為可用的信號(hào)。傳感器通常由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路。敏感元件直接檢測(cè)測(cè)量值，并發(fā)出與測(cè)量值有一定關(guān)系的物理量信號(hào)；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件發(fā)出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)放大和調(diào)制轉(zhuǎn)換元件發(fā)出的電信號(hào)[4]。傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，使作物和農(nóng)副產(chǎn)品擁有觸覺、味覺和嗅覺等感官，并將它們最原始的信息傳遞給人類[5]。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，利用各種傳感器建立完整的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，記錄和分析農(nóng)業(yè)種養(yǎng)過程的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的監(jiān)管。

2.2 農(nóng)業(yè)傳感器分類

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有差異性和復(fù)雜性，根據(jù)設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用的場(chǎng)景，傳感器大致可分為三類：環(huán)境信息傳感器、生命信息傳感器和農(nóng)機(jī)參數(shù)傳感器[6]。

1）環(huán)境信息傳感器主要是對(duì)動(dòng)植物生存所需的環(huán)境要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包括氣象類、土壤類、水體類、畜禽類[7]。氣象類傳感器主要用來監(jiān)測(cè)光照、氧氣濃度、氨氣濃度、二氧化碳濃度、溫濕度等環(huán)境信息，一方面對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，保持動(dòng)植物生長(zhǎng)最適宜的微氣候環(huán)境，另一方面對(duì)二氧化碳、甲烷、氨氣等污染氣體的監(jiān)測(cè)可以減輕環(huán)境污染。土壤類傳感器用來測(cè)量土壤電導(dǎo)率、酸堿度、溫濕度、農(nóng)藥含量、微量元素養(yǎng)分等。水體類傳感器用來監(jiān)測(cè)水體環(huán)境，如pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、氨氮、亞硝酸鹽、總硬度等參數(shù)，有助于控制生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的效率和穩(wěn)定性。畜禽類傳感器主要監(jiān)測(cè)和調(diào)控養(yǎng)殖環(huán)境，實(shí)時(shí)采集和分析養(yǎng)殖舍內(nèi)的參數(shù)值，如光照度、溫度、濕度以及二氧化碳、氨氣、二氧化硫、硫化氫濃度等，提高畜禽舍管理效率，提升畜禽質(zhì)量。

2）生命信息傳感器是對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)過程中的生命數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解動(dòng)植物的生長(zhǎng)狀態(tài)[8]。對(duì)植物來說，主要是采集植物葉片厚度、葉綠素含量、含水率、植物徑流、植物莖稈直徑、激素、葡萄糖小分子等信息，用于指導(dǎo)精準(zhǔn)灌溉、施肥以及病蟲害的防治，有助于節(jié)約水分和養(yǎng)料；對(duì)動(dòng)物來說，主要是監(jiān)測(cè)動(dòng)物的生理指標(biāo)和行為指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)禽畜養(yǎng)殖的智能生產(chǎn)與科學(xué)管理。

3）農(nóng)機(jī)參數(shù)傳感器是智能化農(nóng)機(jī)裝備的重要組成部分，在眾多農(nóng)業(yè)智能裝備中起到了信息采集、控制的核心功能[9]，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械工作狀態(tài)的監(jiān)控，提高生產(chǎn)植保效率，如速度和加速度傳感器、輸出軸扭矩檢測(cè)中的扭矩傳感器、油耗檢測(cè)中的液位傳感器以及其他性能檢測(cè)中的角度傳感器、計(jì)數(shù)傳感器、位移傳感器等[10]。

3 傳感器在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1 設(shè)施園藝中傳感器的應(yīng)用

中國(guó)設(shè)施園藝發(fā)展迅猛，截至2022年中國(guó)設(shè)施園藝總面積280多萬hm2，占世界設(shè)施總面積的80%以上，其中設(shè)施蔬菜占比81%，中國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過1.4萬億元，解決了中國(guó)蔬菜周年均衡供應(yīng)問題，促進(jìn)了農(nóng)民增收，實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用[11]。設(shè)施園藝的未來是智能化，智能化的技術(shù)與裝備是提高設(shè)施園藝生產(chǎn)技術(shù)水平和能力的重要手段，而傳感器是推動(dòng)我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)智慧化發(fā)展的第一步[12]。通過將傳感器等設(shè)備部署在溫室大棚內(nèi)，對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的全過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，有效掌握了蔬菜生長(zhǎng)每個(gè)階段的數(shù)據(jù)信息，并通過智能控制方法，確保蔬菜處于最佳的生長(zhǎng)環(huán)境中[13]。以食用菌種植為例，原來大棚種植金針菇一年只能種兩季，現(xiàn)在得益于智慧化菇房建設(shè)，遍布廠區(qū)的傳感器與車間設(shè)備、生產(chǎn)線實(shí)時(shí)連接，以毫秒級(jí)的傳輸速度將數(shù)據(jù)歸集到大數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能分析，可以實(shí)現(xiàn)全年種植，優(yōu)品率大大提升。浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)[14]針對(duì)植物莖稈特殊的生理特性，利用芯片級(jí)的微納加工工藝，制備了一種可穿戴式莖流傳感器，在自然生長(zhǎng)狀態(tài)下，不斷檢測(cè)植物體內(nèi)水分傳遞和分配的動(dòng)態(tài)過程。國(guó)外有研究者使用多光譜成像傳感器檢測(cè)葉綠素濃度和含量，通過使用超聲波傳感器估算植被高度來提升葉綠素含量檢測(cè)的精確度[15]。北卡羅萊納州立大學(xué)總結(jié)可穿戴植物傳感器的最新進(jìn)展，跟蹤和預(yù)測(cè)植物狀況，在健康壓力環(huán)境下及時(shí)優(yōu)化和調(diào)整植物生長(zhǎng)參數(shù)。

植物工廠是典型的設(shè)施農(nóng)業(yè)的高科技成果，是一種高新農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，通過設(shè)施內(nèi)高精度的環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)。植物工廠的環(huán)境控制系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，通過傳感器及搭載人工智能攝像頭的視覺分析系統(tǒng)，不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)溫光水氣肥等參數(shù)，采集植物生長(zhǎng)表型參數(shù)變化并進(jìn)行學(xué)習(xí)計(jì)算，得出作物生長(zhǎng)最優(yōu)化的數(shù)據(jù)模型，實(shí)行“植物對(duì)話”，用最少的資源實(shí)現(xiàn)最大化的產(chǎn)量、最優(yōu)化的質(zhì)量。以淄博市桓臺(tái)縣的“植物工廠”為例[16]，整個(gè)溫室配備了423個(gè)傳感器、1 165 個(gè)控制器，能夠隨時(shí)獲取并智能調(diào)節(jié)工廠內(nèi)部的光照、溫度、空氣、水肥等相關(guān)的數(shù)據(jù)，讓植物每時(shí)每刻都能在最佳環(huán)境下生長(zhǎng)。“植物工廠”不僅控制植物生長(zhǎng)環(huán)境，還能通過傳感器等設(shè)備獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)階段的數(shù)據(jù)，建立植物生長(zhǎng)模型，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)，將經(jīng)驗(yàn)論、非標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)種植變?yōu)橛星逦Ｐ?、因素可控的方式?/p>

3.2 設(shè)施養(yǎng)殖中傳感器的應(yīng)用

養(yǎng)殖環(huán)境是影響家禽健康和生產(chǎn)力的重要因素[17]。傳感器在畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域也發(fā)揮著重要的作用，傳感器不僅能采集養(yǎng)殖環(huán)境的溫度、濕度、空氣質(zhì)量等信息，還可以采集動(dòng)物身上的體溫、脈搏以及采食量等相關(guān)信息，并將以上數(shù)據(jù)信息傳遞到控制處理器中，處理系統(tǒng)會(huì)依據(jù)之前設(shè)定好的參數(shù)來發(fā)出指令，從而對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行通風(fēng)、消毒，提高空氣質(zhì)量，或是增加光照或適當(dāng)降溫，從而滿足動(dòng)物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境提出的各種需求，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境調(diào)控，提高生產(chǎn)效率[18]。例如在羊養(yǎng)殖中，傳感器不僅對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的光照度、水溫、空氣溫濕度、pH值、二氧化碳濃度、硫化氫濃度、氨氣濃度、溶氧量等各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[19]，還能利用傳感器收集羊群生活環(huán)境、生產(chǎn)性能等參數(shù)，配合智能系統(tǒng)自動(dòng)生成生長(zhǎng)曲線，從而更加精準(zhǔn)計(jì)算出羊只個(gè)體的飼料報(bào)酬率[20]。再如，在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)領(lǐng)域，傳感器配合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體實(shí)時(shí)監(jiān)控，飼料、漁藥自動(dòng)精準(zhǔn)投喂，水產(chǎn)病害監(jiān)測(cè)預(yù)警[21]。

3.3 設(shè)施裝備中傳感器的應(yīng)用

現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開設(shè)施裝備的支撐，而在設(shè)施裝備智能化的過程中，傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。在荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家，溫室成套裝備中室內(nèi)作業(yè)機(jī)械裝備和環(huán)境控制設(shè)施設(shè)備正在朝著智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)研究者利用傳感器技術(shù)、遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研制出的自動(dòng)控制和環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，在自動(dòng)檢測(cè)溫室內(nèi)的土壤、氣候等參數(shù)的同時(shí)，還可以自動(dòng)控制溫室開窗、降溫、升溫、加濕、補(bǔ)氣、補(bǔ)光、灌溉、施肥等，以便設(shè)備達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)[22]。

智能機(jī)器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。它是一種由一個(gè)或多個(gè)程序軟件控制，配備有視覺、力覺、避障、觸覺等多種傳感器以適應(yīng)各種作業(yè)的設(shè)備，通過融合多個(gè)傳感器的感知，獲得更加精確的信息，完成信息交融[23]。如育苗機(jī)器人依靠視覺傳感器鎖定苗木的實(shí)際位置；除草機(jī)器人利用傳感器獲取雜草所在位置的信號(hào)數(shù)據(jù)；采摘機(jī)器人可以利用傳感器以及紅外遙控器獲取果實(shí)信號(hào)[24]；畜牧機(jī)器人可以完成自動(dòng)擠奶、消毒、清糞、飼喂、移動(dòng)檢測(cè)等作業(yè)，例如英國(guó)開發(fā)的擠奶機(jī)器人，通過雙自由度x-y位移傳感器識(shí)別奶牛的位置，完成擠奶的同時(shí)還能對(duì)牛奶進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)并且檢測(cè)奶牛是否患有乳房炎[25]；博田公司研發(fā)的一種設(shè)施農(nóng)業(yè)智能運(yùn)輸車，采用視覺相機(jī)、超聲波傳感器等多傳感器融合，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航和避障以及搬運(yùn)功能[26]。

4 我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展中傳感器的應(yīng)用趨勢(shì)

現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，也給農(nóng)業(yè)傳感器的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。黨的二十大報(bào)告指出，“發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，構(gòu)建多元化食物供給體系”。黨中央的決策部署，給設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展指明了方向，戈壁設(shè)施農(nóng)業(yè)、垂直植物工廠正在被探索和推廣，這些探索將不斷推動(dòng)傳感器技術(shù)的革新。

4.1 高穩(wěn)定性

我國(guó)的農(nóng)業(yè)傳感器通常存在故障率高、制造粗糙、材料差、使用壽命短等問題。農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)又經(jīng)常是高溫高濕的環(huán)境，安裝在大棚內(nèi)的傳感器如果封裝技術(shù)不過關(guān)，傳感器的核心元件和電路板很容易受潮生銹，從而導(dǎo)致故障不斷出現(xiàn)，影響到精度和使用壽命。設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)周年化生產(chǎn)需要檢測(cè)精度高、運(yùn)行效率高的傳感器來降低維護(hù)成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的逐漸成熟和傳感器行業(yè)的飛速發(fā)展，傳感器技術(shù)可向低功耗、低成本、高穩(wěn)定性方向發(fā)展。

4.2 微型化

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的傳感器對(duì)便攜性要求更高，這就要求傳感器體積越小越好，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的發(fā)展讓傳感器的微型化得以實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)工藝制造的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。未來，準(zhǔn)確、精密、便攜式傳感器和生物傳感器的研究和開發(fā)將是設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器創(chuàng)新和發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。

4.3 高智能化

目前，傳感器在設(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境控制方面取得了一定的成效，但多數(shù)傳感器是對(duì)溫濕度、光照度、氣體、營(yíng)養(yǎng)元素等單個(gè)特征的檢測(cè)，傳感器沒有對(duì)植物生長(zhǎng)的綜合環(huán)境形成動(dòng)態(tài)的檢測(cè)系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)性較差，無法提供真正意義上的傳感功能。未來傳感器能對(duì)諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動(dòng)植物、環(huán)境時(shí)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)控，具備快速檢測(cè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)反饋、智能處理的能力。

4.4 多功能化

設(shè)施生產(chǎn)環(huán)境控制要求嚴(yán)格，在育苗、定植、移栽、收獲加工、畜禽養(yǎng)殖等方面存在較大差異，不同動(dòng)植物之間的系統(tǒng)傳感器缺乏通用性。隨著材料學(xué)、微電子、納米技術(shù)等多學(xué)科的聯(lián)合攻關(guān)，新一代傳感器將實(shí)現(xiàn)其多功能性，從而提高設(shè)備的效率和性能，降低能耗和維護(hù)成本。

5 總結(jié)

綜上所述，新工藝、新材料、新技術(shù)的交叉融合，將促使傳感器技術(shù)產(chǎn)生新的變革，解決制約新一代傳感器從實(shí)驗(yàn)室走入產(chǎn)業(yè)的最關(guān)鍵問題。本研究在傳感器的定義及分類的基礎(chǔ)上，分別從設(shè)施園藝、養(yǎng)殖、裝備等不同方面對(duì)農(nóng)業(yè)傳感器的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中，傳感器在材料、壽命、成本、穩(wěn)定性、便攜性、智能化等方面還存在一定的問題，并提出了未來農(nóng)業(yè)傳感器趨于高穩(wěn)定性、微型化、高智能化、多功能化發(fā)展。相信隨著高新技術(shù)的集成，傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究將持續(xù)深入，必將推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。