农业传感器发展态势研究

彭汉艮 倪军 陈可

0 引言

农业传感器技术应用范围较广，涵盖农业物联网、温室智能控制、农业机器人、农业收获机械、水产养殖、灌溉、牲畜养殖、农产品溯源等领域。目前，基于深度学习、机器学习的植物分类、病虫害识别、水肥管理技术方面的专利层出不穷，农业传感器技术应用潜力巨大。

1 农业传感器发展现状

1.1 技术研究

全球农业传感器领域的专利研究始于1917年。1917～2006年，世界各国对农业传感器技术的专利保护意识从无到有，逐渐加强，共申请了247项传感器技术专利。2006年之后，随着信息农业的快速发展，农业传感器技术在硬件模块设计和软件功能设计上均产生了质的飞跃，农业传感器技术领域的投资模式也从纯粹的政府支持下的研究投入转换为具备一定盈利价值的商业投资应用，因此也吸引了大量具有丰富市场经验的风投公司进入该领域，在一定程度上提高了投资者对于专利保护的意识。2006年至今，全球农业传感器专利申请总量为9 372项。

我国的农业传感器技术研究起步较晚，专利申请量虽然较多，但整体质量及影响力较差，大多数专利为基于其他国家已有产品的技术改造/升级产物，缺乏核心技术研究。

1.2 技术应用

目前，荷兰、日本等农业发达国家在农业传感器领域的专利申请、转让、实际生产、销售上均已形成较为成熟的盈利模式，研究型机构与公司之间也建立了较好的合作共赢关系。而我国在农业传感器领域的研究大多依靠政府资金支持，专利申请人以单一的科研单位为主，研究机构与企业间的合作较少，适合我国国情和农业生产特点的农业传感器技术盈利模式仍处在积极探索阶段。

2 常用的农业传感器

2.1 能量型传感器

能量型传感器能通过硬件电路设备将环境信息、作物生长信息转换为电能量信号，通过预先测定的模型实现对应参数的反演计算。能量型传感器的种类较多，包括环境温湿度传感器、光照强度传感器、土壤温湿度传感器、地物光谱仪、各种气体浓度传感器等。

1）环境温湿度传感器。产品有：柏特瑞TEM-300X、Sensirion SHT3X数字温湿度传感器、VAISALA HMT330。

2）光照强度传感器。产品有：虹谱光色OHSP-350I、远方光电SPIC-300、Asensetek ALP-01。

3）土壤温湿度传感器。产品有：ESM101-01T、JD-W485。

4）地物光谱仪。产品有：ASD Fieldspec、Greenseeker、Crop Circle、Rapidscan。

5）气体传感器。产品有：Sensepoint XCD各类气体传感器、Alphasense PID光离子传感器PID-1A、Honeywell MIDAS-E-PH3气体传感器。

2.2 图像型传感器

图像型传感器可以获取植物的图像信息、光谱信息以及三维结构信息，可视化程度高，包含的信息更加丰富。除了依靠植被指数进行表型信息反演外，还可根据成像传感器感知方法的差异及数据处理方法的不同，从图像数据中直观地提取包括叶色、花期、株高、冠层覆盖度、作物水分状态等多种表型参数。根据成像方法的不同，图像型传感器可分为光谱成像传感器及非光谱成像传感器。前者主要依靠目标对象的反射光谱不同进行成像，后者则通过光谱成像以外的手段实现目标结构的获取。

已有商业产品如下：

1）多光谱相机。包括Micasense Altum多光谱/热成像/RGB相机、sequoia多光谱相机、Micasense RedEdge多光谱相机。

2）高光谱相机。包括Resonon高光谱相机、QuantumDesgin Spectral Camerea FX系列工业高光谱相机、Rainbow-VN无人机载高光谱相机、GaiaSky-mini无人机载高光谱相机。

3）热红外相机。包括FLIR系列热红外相机、WIRIS pro热红外相机、Fotric615C。

2.3 仿生传感器

仿生传感器主要基于生物物质识别电子元器件，通过将待测物质产生的物理或化学信号转换为电子信号，而后通过计算结果反演得出对应生物质信息，进而实现产品品质的检测。常用的仿生传感器包括电子鼻、电子眼、电子舌等。所采用的检测方法也多种多样，包括通过反射光谱检测、气体检测以及图像检测等。使用仿生传感器可以在农产品交易、流通过程中对产品品质进行快速检测，及时对品质有问题的农产品进行报告，防止有问题的农产品大规模流入市场。

已有商业产品如下：

1）电子舌。包括日本INSENT味觉分析系统、BosinTech C-Tougue、ISENSO SuperTongue、Alpha MOS ASTREE电子舌。

2）电子鼻。包括德国AIRSENSE电子鼻pen3、Alpha MOS电子鼻FOX 3000、ISENSO iN-ose。

3）电子眼。包括各类RGB相机。

3 传感器技术应用于智慧农业存在的问题

3.1 传感器种类少，核心技术匮乏

我国现阶段所使用的农业传感器设备种类不够丰富，对传感器测试原理、外形、功能的设计仍然停留于对国外设备的模仿阶段。在顶尖的光谱技术、自动化控制技术、人工智能技术研究方面较难突破农业发达国家的技术垄断，因此，在农业传感器的推广与应用方面整体进程缓慢。

3.2 农业传感器测试稳定性差

由于作业环境多在户外农田中，农业传感器十分容易受到外界环境的干扰。以田间物联网设备为例，农田物联网传感节点长期处于无人值守的状态下，传感器设备风蚀、水蚀严重，会导致其使用寿命缩短、测试准确度下降。

3.3 缺乏适合我国的盈利模式

目前，我国农业传感器技术领域的投资模式、盈利模式仍然处于探索阶段，部分传感器设备高昂的售价也让农民、小农场主群体难以接受，间接加大了农业传感器技术在我国的推广难度。因此，探索出适合我国农情的农业传感器投资盈利模式，也是当前亟待解决的问题之一。

3.4 农业传感器集成度较低

现有农业传感器设备已经能够完成对作物生长信息（株高、叶面积指数、叶干重等）、田间环境信息（温度、湿度、光照强度、气体浓度等）的基本测试，但是传感器的功能较为单一，缺乏集成度较高的农业传感器，在同一测试点往往需要安装大量的传感器设备。此外，田间传感器节点多采用单点和静态测定方法，覆盖面积以及测试速度也有待加强。

3.5 传感器实时传输水平较低

由于种养环境较为复杂，农业传感器设备间的互通、数据传输存在问题，如作物冠层过高、过于密集，会阻挡传感器信号的发送及接收。因此，传感器节点的布置，传感网络架构的组建往往需要更加系统的科学研究，而当前对于该方面的研究较少。此外，传感器数据的实时云端传输能够使农事操作人员、科研人员对于田间环境状况、作物生长状况有更加准确的判断，如何高效地实现传感器数据汇聚、实时上传也是急需解决的难题之一。

3.6 农业传感器应用标准体系尚不完善

农业传感器所涉及的测试结果较多，即使是使用同一种传感器，如果研究人员设置的标准不同，得到的结果也会出现较大的差异，这种差异也会在数据结合研究中体现出来。因此，统一农业传感器在数据传输、接口等方面的标准，能够使农业传感器的设计更加快速、便捷。

4 我国农业传感器发展前景展望

中共中央办公厅、国务院办公厅2019年5月印发《数字乡村发展战略纲要》，把发展农村数字经济作为十大重点任务之一［1］，提出加快推广云计算、大数据、物联网、人工智能在农业生产经营管理中的运用，促进新一代信息技术与种植业、种业、畜牧业、渔业、农产品加工业全面深度融合应用，打造科技农业、智慧农业、品牌农业” 。当前，我国农业生产仍然缺少具备核心技术的多功能一体化国产传感器设备。在农业生产信息实时、无损、准确、高通量感知方面，现有传感器的采集精度及抗干扰性也有待提高。在实际应用过程中，各种能量型传感设备及成像感知设备间也没有较好的组合（或结合）方式，对于不同传感器数据的分析及处理需要依赖多种硬件设备、软件系统及分析方法，这种复杂的操作流程无疑会减缓数据获取的速度，导致信息滞后。此外，即使是应用同一种传感器设备，如果采用的搭载平台不同，所获取的数据结果也同样难以进行结合分析。5G甚至是6G时代的来临意味着万物互联成为可能，高通量的数据不再需要存储于存储设备中，而是能够实时与云平台进行直接通信。这一技术瓶颈的突破能够直接简化数据获取、传输以及存储的操作流程，新型数据互通平台的构建也意味着全球的农业传感器数据都将可能被存储于同一个公共平台，对于不同传感器数据结合处理分析技术的进一步发展值得期待。只有建立统一的数据传输标准、传感器硬件开发标准、数据测试结果标准，使农业传感器技术的研究与发展更加规范，才能确保农业传感器数据稳定、安全。