农业传感器与智能检测技术发展任重道远

文|王儒敬 中国科学院合肥智能机械研究所 所长

如果智慧农业是一棵树，那么传感器和智能感知就是树的根，是智慧农业的源头。作为农业信息获取的“感觉器官”，农业信息感知层的关键组成部分，农业传感器承担着数据采集和传输的重任。通过传感器，可以有效降低人力消耗，更能极大摆脱天气因素限制。同时，将农业生产中的个人经验转化成更科学、更精确的信息手段和以软件为中心的生产模式，从而让农业生产真正走上智能化、自动化和远程控制化的智慧农业发展之路。近年来我国农业传感器从论文、专利、产业、技术体系方面都有较快的发展，但产业化程度低，规模小，这些都成为我国现代农业发展的制约，必须进行协同创新。

农业生产方式随时代而变迁，与科技相接轨，现代农业的发展离不开农业信息化的支持。随着物联网、互联网+等技术在现代化农业中的广泛应用，农业生产逐步走向信息化、自动化、智能化的道路。

在信息化农业中，通过获取作物信息、农田环境信息、农机作业信息等，分析与处理采集的环境信息，最终形成可提供决策支持的信息命令，将农业生产中的个人经验转化成更科学，更精确的信息手段和以软件为中心的生产模式，将为精细农业提供更加丰富的实时信息，为农业生产提供智能化、智慧化管理。

获取信息是分析、处理信息，形成控制的前提，如何有效获取信息是实现智慧农业的关键问题，而现代传感器技术则为解决这个问题提供了技术支持。作为农业信息获取的“感觉器官”，农业信息感知层的关键组成部分，农业传感器承担着数据采集和传输的重任。

在现代农业发展过程中，越来越多的新技术及新设备均得到广泛应用。智能传感器概念最早由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出，并迅速应用到各个领域，世界范围内的农业传感器探索也快速向前发展。本文根据中国科学院情报所袁建霞研究员提供农业传感器论文与专利分析报告，从论文、专利、产业、技术体系方面对农业传感器发展现状进行分析。

我国相关论文发表的数量居世界第二位，但不在高被引论文之列，这从一个侧面反映我国前沿创新能力的严重不足

从1991年到2017年全世界在农业传感器研究领域发表的论文数量呈快速上升态势，农业传感器是国际科研机构研究热点。随着传感器技术在农业领域的不断发展和应用，相关论文数量在2015年至2017年甚至出现了猛增，可见国际上对农业传感器前沿技术的研究，尤其是创新理论的研究是一个重大热点。近些年来，我国的农业传感器技术的发展步伐比较快，但是与发达国家还有一定差距。在农业传感器论文数量排名的国家中，美国共发表有影响力的论文519篇，牢牢占据第一的位置，中国排名第二，但数量只有99篇，不到美国的1/5，理论创新差距较大。高被引论文来自美国等11个国家，没有中国，也从一个侧面充分说明我国前沿创新能力严重不足。在论文数量排名前10机构及其所属国家总排名中，9家机构属于美国，中国机构论文数量排名未进前10。我国在该领域机构研究分散，从基础理论、创新、影响方面说明我国在该领域的研究与世界先进水平还有差距。

我国农业传感器专利申请量遥遥领先，但产业关注度严重不足，核心创新点薄弱，国产元器件占比率低，成为现代农业发展瓶颈

从1974年到2017年全世界农业传感器方面专利总体趋势看，农业传感器知识产权争夺是重点之一。中国以4500多件的专利申请量遥遥领先，其中江苏大学、西北农林大学申请数量排名进入了世界前10位。

但是，我国农业传感器产业关注严重不足。专利主要依靠企业进行发力，而在专业申请量排名前40名中都没有中国企业，我国企业对农业传感器的关注度还未引起高度重视，产业规模和应用较小，还处于发展起步阶段。在高被引专利分析中，不见中国机构的身影，前3名均是来自美国的企业，这也从一个侧面反映出中国专利质量相对较低，核心创新点薄弱。

《中国传感器产业发展白皮书（2014）》明确提出，美国、日本、德国等发达国家掌握着传感器的核心技术，而我国传感器需求、尤其是高端需求严重依赖进口，国产化缺口巨大，传感器件进口占比80%，传感器芯片进口占比达90%。国产农用传感器核心元器件应用占比不到10%，无法满足农业物联网、智慧农业发展需求，已成为我国现代农业发展的瓶颈。

此外，我国目前农用传感器种类不到世界的10%，传感器价格现阶段相对来说还比较贵，并且部分国产传感器性能不够稳定，对于普通农作物来说并不适用，传感器在覆盖面、适用性等方面还有很大提升空间。

我国农业传感器从前端信息获取到终端市场信息反馈都存在不足之处

从整个智能农业技术体系来看，中国在前端环境信息获取、作物本体信息获取、农业知识获取、市场信息获取等方面的能力还有所欠缺，在终端市场信息的反馈，农产品品质检测的感知技术也有不足之处，明显感觉到我国技术体系发展这一块前端和后端的感知是很薄弱的，有必要得到更好地加强。

传感器技术在智慧农业中的应用前景非常广泛，但目前我国农用传感器在技术、生产、应用上还远未成熟，无法满足智慧农业发展的技术要求，农业传感器技术存在的诸多技术瓶颈严重制约着智慧农业的快速发展。

我国在土壤成分速测智能传感技术探索方面取得突破性进展

智能农业中的一个重要组成部分就是精准施肥。精准施肥的前提是实时准确地获取土壤中植物生长所须营养物质的准确含量，然后在施肥过程中再依据这些准确数据对化肥和农药的施加量进行科学的配比，实现以最小的化学投入量获得最大的产出效益。目前对于土壤养分含量的测量方法主要有两种：一种是使用最为广泛也最准确的化学分析方法，另一种就是利用土壤传感器进行分析。

土壤传感器因土壤组成成分的复杂性，发展较为缓慢，这是目前农业传感器研究的重点。国内外农业传感器研究机构，希望解决的关键性问题就是利用传感器对土壤进行低成本、大面积、快速、原位土壤肥力速测。

目前采用的方法主要有以下几种，但都有不足之处。一是采用电子以及电磁学等方法对土壤的电阻以及电容等参数进行测量，但是这种测量方法很容易受土壤组成的影响；二是利用电磁波对土壤进行测量，这种方法可以对土壤的结构及其物理化学性质等进行测量。三是采用电化学方法，这种方式可以对土壤中的某些离子等进行测量，但是这些测量方法都有所局限，因而，原位测量传感器在国际范围中都是研究的难点。

想要对其信息进行精准的探测，就必须在其测量技术、计量模型上有一定程度上的突破。经过不断的努力和发展，我国在土壤传感器研究领域取得了一定的突破和创新。

一是土壤光谱检测技术和光谱的非线性性建模能力不断提升。这种检测技术采用近红外结合深度学习非线性建模实现土壤总氮、有机质、PH值快速检测，LIBS技术快速检测土壤中镁、钙、锰、铁等中微量元素。这项技术的突破不仅消除土壤颗粒、湿度以及多种成分交互影响，还大大提高近红外、激光击穿诱导、X荧光射线以及太赫兹等土壤光谱检测的鲁棒性与模型泛化能力，实现土壤大面积、低成本土壤快速现场速测。

二是新材料与新工艺取得突破，降低设备生产成本，实现光学探测器的国产化。我国制备CdTe（碲化镉）纳米膜与石墨烯纳米膜与磷酸根等离子络合，实现土壤传感器新材料突破，实现硝酸根、铵根、磷酸根、钾离子痕量检测（PPb量级）、选择性检测，多点、原位、连续检测；单样检测成本批量生产1元左右。

三是解决大面积、低成本、土壤速效养分速测问题，为精准追肥提供产品支撑。中科院上海技术物理研究所研制的InGaAs（铟砷化镓：三元化合物半导体）线列焦平面探测器，已研制0.9-1.7mm线阵探测器，突破1.7-2.5mm土壤探测阶段，每台探测器价格约为2-3万元，达到土壤肥力速测效率高、成本低、精度达到要求。我国还成功研制出车载土壤养分与重金属污染物快速检测装置，目前已经通过省级鉴定。这种检测装置能够实现土壤总氮、有机质、PH值，镁、钙、锰、铁等中微量元素快速检测，解决大面积、低成本、土壤综合肥力速测问题。

此外，我国土壤养分检测机器人技术得到突破，实现土壤样本快速测试，单样1元以内，检测时间3-5分钟，检测周期2小时；为精准施肥提供技术支撑，同时为大规模土壤成分光学速测提供大量样本准备，实现现场、原位、快速、低成本、智能化检测。

农业传感器的在现代农业发展领域应用广泛

现代农机必须满足大田块作业的要求，向大型化、作业高速化发展，将传感器应用于农业机械领域，有利于及时发现并处理农业机械工作中容易出现的问题，并能促进农业机械自动化发展进程，保证农业机械使用的可靠性、降低工作能耗、节省人力和资源的投入。

我国近年来一直致力于研究从动力机械到播种、植保、收获的智能化农业机械装备。播种是农业生产过程中的重要环节，播种过程中控制系统反应的快速程度以及可靠程度是播种类农业机械工作中需要解决的重要问题。排种器是播种机的重要部件，光电传感器可以对播种的种子的籽粒距离进行准确检测，现已发展成为国内外种子籽粒距离检测的最有效方法之一，光电传感器工作的优良程度直接影响到整个播种系统的性能和效果，进而影响产量。

传感器技术还应用于农产品加工检测方面。一般的农产品都需要分类加工，如番茄除青果，大米除杂、棉种分选，这些都是农业生产的后道工序。农产品分选时多使用的是色选装置，而充当色选装置“眼睛”的就是传感器，从普通的光电传感器，到复杂的图像传感器，不一而足。通过传感器可以识别出农产品中的杂质或不成熟体，并反馈给系统进行筛除，也可以通过高精度的图像传感器对种子表面进行损伤、颜色、缺陷识别，以便进行分级处理。在农产品的检测方面，近年来兴起了电子鼻检测技术，就是借助气敏传感器来识别气味，并可实现不同时间、不同地点采集的气味持续动态的监测，可以检测出果蔬产品中的农药残留浓度、不同水果的成熟度、谷类是否变质等等。

传感器技术还广泛应用于动物养殖及植物栽培等方面。我国农村在动物养殖及植物栽培方面存在着布局分散、诊治专家短缺、瘟病、病虫害频发等困难，我国已经研制出农业远程诊断系统，集音、视频于一体，可实现专家远程指导、诊断。该系统是由传感器、传输网络、专家信息平台 3 个部分构成，可对动物养殖及植物栽培过程中部分灾害进行有效防治。我国也有部分地区已将传感器技术运用到测土配方施肥当中，可使农户将植物生长情况数据通过终端传输给农业专家，专家给予有效的解决方案，对植物实现精细化施肥，提高生产效率。

智慧农业发展，专业农业传感器研发意义重大，要强化协同创新，着力突破共性技术、关键技术，缩小与国外的差距

人工智能技术的发展为农业带来新的机遇。通过可以实现；无线传感网络，通过大量微型、低成本、低功耗传感器节点多跳无线网络，可以完成大规模、自组织、集成化，动态性、可靠性的数据传输；传感器与智能感知：通过热敏、光敏、气敏、力敏、磁敏、湿敏、声敏、放射线敏、色敏和味敏等信息感知，微纳米敏感材料与敏感元器件、深度学习泛化模型，实现了智能感知与数据收集。感知、传输及应用三个层面的发展协作，实现对农业生产过程的管理与控制的同时，为智能农业的发展提供强有力的支撑。

为加快我国农业传感器发展，进一步缩小与发达国家技术差距，围绕我国农业传感器发展的现状和问题给出几点建议：

全球传感器市场分布情况

一是面向农业生产过程中的复杂变异性，围绕光敏、气敏、力敏、离子敏及纳米材料制备及其元器件制造等问题，开展关键性技术研究，以解决传感器件的特异性感知性能问题。

二是利用我国大科学装置、大科学中心已有装备，开展敏感增强以及封装技术研究，引进与自主开发结合，研制先进微纳工艺制备装备与自动化生产线，以提高传感器件的整体性能。

三是按创新2.0模式构建政、产、学、研、用协同创新机制，降低开发成本，缩短创新周期，深度学习提升传感器鲁棒性与模型泛化能力。

目前，中国科学院智能所、地理所、遥感所、南京土壤所、沈阳自动化所、中国科大、上海技术物理所、国家传感器重点实验室等优势单位已共建智慧农业协同创新中心，开展农业传感器、大数据与智能装备（农业机器人）研究，在敏感材料与敏感元器件以及传感器深度学习建模等核心技术前沿，取得重大突破，形成系列源头创新成果，随着研究的进一步深入，我国农业传感器领域的发展将会有广阔的空间。