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传感器在农业领域的应用现状及发展趋势

2019-02-11姚金霞陈燕英四川省农业机械研究设计院

四川农业与农机 2019年1期
关键词:温度传感器智能化传感器

□姚金霞 王 利 郭 鹏 陈 进 陈燕英/四川省农业机械研究设计院

传感器对绝大多数人来说并不陌生,日常生活中的手机、数字电视等都在使用传感器。农业作为我国经济发展赖以生存的基本物质供给,作为支撑社会发展的基础,提升种植技术是社会发展的必然要求。随着农业科技的不断发展,信息化技术逐渐使用到农业生产过程中,提升了农业产量,促进了精细化操作。进入到信息化时代,作为5大农业新兴技术之一的农业传感器技术在农业生产中得到了广泛的应用和推广;同时,作为农业信息化技术的核心,传感器成为了现代农业必不可少的设备之一,伴随着农业产业结构的整体优化,促进了农业科技水平的进步。

1 农业传感器简述

传感器是指能感受规定的被测量,并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

农业传感器包括生命信息传感器和环境传感器。生命信息传感器主要是通过对植物生长过程中氮元素、植物信息指标和农药化肥等含量的分析,判断植物的生长情况,展示植物的生长信息和生理信息,并对植物的生长体征进行数字化处理。环境传感器则是对植物生长所需要的水、土壤、空气等进行监控,及时了解外部环境的变化,重点对作物土壤环境进行检测,并对环境因素进行综合检测和评估,以便为农作物的健康成长创造更好的条件,促进农作物管理质量的提升。

目前,农业中所用的传感器种类主要有温度传感器、湿度传感器、气敏传感器、pH值传感器、光电传感器、压力传感器、生物传感器等。

2 农业传感器的应用现状

2.1 应用领域

1)育种育苗中的应用。采用生物传感器培育优良品种。例如,用温室育苗法培育蔬菜,不仅能使应季蔬菜提前上市,而且可提高蔬菜的品质和产量,最终提高蔬菜附加值,增加种植者收入。

2)农产品分类中的应用。成熟的农产品一般都需要进行分类加工或储存,在分类过程中,要依据温湿度传感器、压力传感器、光电传感器等农业传感器的检测数据来进行加工和储存。

3)农产品储藏中的应用。在农产品储藏入库前,要采用称重传感器称重,采用湿度传感器测试农产品含水率,依靠料位传感器进行农产品料位的监测。入库后,要依靠温度传感器、湿度传感器对储存仓库内外具有代表性的数据采集点进行温湿度的监测和跟踪,以确保保持或调整到良好的储存状态。

4)农机化中的应用。现代农业的发展和乡村振兴战略的实施都离不开农机的支撑。而在农机的设计试验环节和其工作环节中,都离不开传感器的作用。例如,农业机器人作为农机中的尖端装备,其所用传感器种类及技术水平均较高,要使农业机器人按照既定要求工作,就要多种压力传感器、压电传感器、光电传感器、温度传感器等协同工作才能达成。

5)禽畜饲养领域的应用。禽畜饲养过程中也用到了很多传感器。例如,在育种过程中采用生物传感器;在饮食方面,采用温度传感器、气敏传感器等;在环境监测方面,采用湿度传感器、温度传感器、光电传感器等,快速及时地满足饲养要求,提高饲养质量和收益。

6)农业气象及环境监测方面的应用。在农业生产中,需要对农业气象和环境进行按需监测,这就需要用到如气压传感器、温度传感器、湿度传感器、风向传感器、pH值传感器、光电传感器等多种功能的传感器。

7)遥感领域的应用。遥感传感器是获取目标电磁辐射信息的探测仪器。在遥感技术中,主要采用摄影类传感器、扫描成像类传感器、雷达成像类传感器、非图像类型的传感器等。遥感传感器在农业领域的应用很多,如地形分析、农业灾害研究、农作物病虫害监测、植保无人机等方面。

2.2 需要提升的方面

1)传感器技术。受导体芯片技术的制约,光刻和光敏材料的生产技术难以达到使用要求,使传感器难以实现监控的实时、动态和连续性。面对农业环境的复杂多变,由于受核心技术发展的限制,导致监测数据时常不精确、不完整,制约了农业传感器的发展和应用推广。

2)智能化水平。目前,我国农业传感器虽然众多,但智能化水平仍然较低。智能化不仅要求农业传感器起到检测获取数据的作用,而且要求对采集到的数据信息进行分析,并做出相应的警告,对误差数据进行校准和调节。目前,国外一些先进传感器,如美国霍尼韦尔公司的ST-3000系列智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器等产品的智能化水平已经较高,而我国的农业传感器智能化水平仍需提升。

3)便携性。目前,农业传感器普遍存在体积较大的问题,有的需要使用运输工具进行搬运转移。例如,应用比较广泛的荷兰ASTEC Global种子技术公司研发的氧传感检测仪,占地面积达到1.5 m2,不利于携带,给使用带来不便。

4)多功能性。目前,我国市面上的农业传感器,对数据的采集和监控仅集中在某一种或同一系列的参数上,功能比较单一。例如,在农业试验中,往往需要测试同一典型样本点土壤的坚实度和含水率,需要同时携带土壤坚实度仪和水分仪这两种仪器到点进行检测,技术集成化程度低。

5)其他因素。一是后续配套。目前,农业传感器使用的后续配套设置还不完善,在使用中还存在许多问题,如数据采集后的处理与分析设备尚未配备或配备不齐。要指导农业生产实践,信息数据采集的完整性和充足性非常重要,若没有配备后续设备,就会影响数据的参考和使用价值。二是基层从业人员对传感器技术的掌握。基层从业人员和留守农民文化水平普遍不高,学习理解能力有限,对传感器掌握不够充分,限制了农业传感器的应用。

3 发展趋势

3.1 应用越来越广泛

传感器作为现代农业信息化发展过程中必不可少的组成部分,对于农业和农村的发展起着至关重要的作用。目前,国内传感器行业正在飞速发展,伴随着传感器核心技术的突破、农业信息化技术的进一步发展、云技术的高速发展和大数据平台的搭建、应用推广程度的加强,未来,无论是在农作物的田间生产(育苗、播种、植保、收获)、储运、加工各环节,畜禽养殖的生产环节(育种、喂养、出栏、场所免疫消毒等),还是农业大数据的采集方面,传感器的应用都会越来越广泛;同时,也对传感器技术提出了更高的要求。

3.2 微型化发展趋势

传感器本身体积是越小越好,如传统的加速度传感器是由弹簧和重力块等制成的,不仅体积较大,而且测试不稳定、使用寿命短;而硅加速度传感器利用激光等各种微细加工技术制成,不仅体积小,而且可靠性好、使用寿命长。而农业领域应用的传感器,对便携性要求更高。这就要求发展新的材料及加工技术制作微机电系统(MEMS)器件,实现传感器尺寸的小型化。微型传感器不只是可以不受尺寸制约而安放在狭小空间内,还有反应灵敏、响应快速、成本低、对被测对象干扰小等优点。以集成技术为基础的微细加工技术能把电路加工到光波数量级,同时可批量生产、实用性强、价格便宜。

3.3 智能化发展趋势

人工智能,不仅是取代人的工作,而且增加了人的能力,将人力解放出来。面对我国农业领域传感器智能化水平不高的境况,行业人士纷纷建议国内传感器行业高度重视技术层面的提升,着力研发核心技术;引进与培养专业人才,不断向国际化靠近;同时,国家政策需与市场共同努力,鼓励国产企业发展中高端产品。将传感器的信号检测、转换与计算机的记忆、存储、分析、统计处理、自诊断自适应等功能结合在同一个芯片上,开发高智能化传感器,提高传感器的人工智能性。未来,智能化发展会越来越快,农业传感器市场也必然随之发展,两者互相促进,在面对智能化进步的同时,我国也需要不断提升传感器产业核心技术的自主研发能力,这也是农业传感器发展道路上必不可少的一部分。

3.4 多功能化发展趋势

伴随着电介质、固体材料半导体和强磁体等材料的进一步开发,以及集成技术的不断发展,农业传感器的集成化有了广阔的前景;纳米、薄膜技术等新材料制备技术的成功应用,为传感器实现新功能提供了条件。在核心技术提升的基础上,传感器的精密集成化是未来传感器在农业领域应用的发展趋势之一,以实现其多功能性,最终提高传感器的使用效率和响应速度,降低传感器的成本,提高农事生产采集数据的精密性、完整性,更好地指导农业生产,提高现代农业的管理水平,以适应农业现代化和信息化发展的需求。

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