传感器在设施农业中的应用

胡建平 ，赵新宇 ，冯汝广 ，范国华 ，赵翠敏

（聊城市农业科学院，山东 聊城 252000）

我国是设施农业大国，2023年中央一号文件提出“发展现代设施农业”，“十四五”规划中也提出要积极发展设施农业[1]。现代设施农业通过现代化技术和智能化装备实现了农业生产的信息化、数字化和智能化。随着科学技术的进步，水土资源的约束，多元化和多层次消费需求的升级，设施农业将变得更智能。智能传感器作为设施农业中的核心要素，自动监测设施内的动植物生产所需的温、光、水、土、气、肥等环境条件，有助于水土资源的最大化利用，还能增强综合生产能力。

1 我国设施农业发展现状

设施农业是综合应用工程装备技术、生物技术和环境技术，按照动植物生长发育所要求的最佳环境，进行动植物生产的一种高效优质的现代农业生产方式[2]。设施农业环境可根据动植物的生长规律进行调控，突破时间和空间的制约，实现蔬菜瓜果连续周年生产，保障“菜篮子”产品稳产保供。随着工程技术手段的进步，我国设施农业取得了显著成果，相关统计数据显示，截至2021年年底，我国设施农业面积已达286万hm2，总产值超过1.4万亿元，已经形成了日光温室81万hm2、塑料拱棚203万hm2、大型连栋温室1.8万hm2和植物工厂250座的四种结构形态，而且通过多年的技术革新，在节能设施结构、环境调控以及植物工厂等方面取得了重要进展，如实现了植物工厂成套装备的完全国产化[3]。虽然我国设施农业取得了显著的成绩，但是相较于发达国家，我国设施农业在土地利用率、单体规模、产量、抗逆能力、机械化水平等方面还存在不足，整体智能化管控技术有待提升。

2 农业传感器

2.1 农业传感器概念

传感器是一种检测装置，它可以检测到指定的测量值，并根据一定的规则将其转换为可用的信号。传感器通常由三部分组成：敏感元件、转换元件和转换电路。敏感元件直接检测测量值，并发出与测量值有一定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件发出的物理量信号转换为电信号；转换电路负责放大和调制转换元件发出的电信号[4]。传感器在农业领域的应用和发展，使作物和农副产品拥有触觉、味觉和嗅觉等感官，并将它们最原始的信息传递给人类[5]。在大数据时代，利用各种传感器建立完整的数据监测平台，记录和分析农业种养过程的动态变化，实现科学的监管。

2.2 农业传感器分类

农业生产具有差异性和复杂性，根据设施农业应用的场景，传感器大致可分为三类：环境信息传感器、生命信息传感器和农机参数传感器[6]。

1）环境信息传感器主要是对动植物生存所需的环境要素进行监测，主要包括气象类、土壤类、水体类、畜禽类[7]。气象类传感器主要用来监测光照、氧气浓度、氨气浓度、二氧化碳浓度、温湿度等环境信息，一方面对动植物生长环境进行调控，保持动植物生长最适宜的微气候环境，另一方面对二氧化碳、甲烷、氨气等污染气体的监测可以减轻环境污染。土壤类传感器用来测量土壤电导率、酸碱度、温湿度、农药含量、微量元素养分等。水体类传感器用来监测水体环境，如pH值、电导率、溶解氧、氨氮、亚硝酸盐、总硬度等参数，有助于控制生产过程中的关键环境参数，降低生产成本，提高水产养殖的效率和稳定性。畜禽类传感器主要监测和调控养殖环境，实时采集和分析养殖舍内的参数值，如光照度、温度、湿度以及二氧化碳、氨气、二氧化硫、硫化氢浓度等，提高畜禽舍管理效率，提升畜禽质量。

2）生命信息传感器是对动植物生长过程中的生命数据进行监测，及时了解动植物的生长状态[8]。对植物来说，主要是采集植物叶片厚度、叶绿素含量、含水率、植物径流、植物茎秆直径、激素、葡萄糖小分子等信息，用于指导精准灌溉、施肥以及病虫害的防治，有助于节约水分和养料；对动物来说，主要是监测动物的生理指标和行为指标，实现禽畜养殖的智能生产与科学管理。

3）农机参数传感器是智能化农机装备的重要组成部分，在众多农业智能装备中起到了信息采集、控制的核心功能[9]，能够实现对农业机械工作状态的监控，提高生产植保效率，如速度和加速度传感器、输出轴扭矩检测中的扭矩传感器、油耗检测中的液位传感器以及其他性能检测中的角度传感器、计数传感器、位移传感器等[10]。

3 传感器在设施农业中的应用

3.1 设施园艺中传感器的应用

中国设施园艺发展迅猛，截至2022年中国设施园艺总面积280多万hm2，占世界设施总面积的80%以上，其中设施蔬菜占比81%，中国设施园艺产业产值超过1.4万亿元，解决了中国蔬菜周年均衡供应问题，促进了农民增收，实现了资源的高效利用[11]。设施园艺的未来是智能化，智能化的技术与装备是提高设施园艺生产技术水平和能力的重要手段，而传感器是推动我国设施农业智慧化发展的第一步[12]。通过将传感器等设备部署在温室大棚内，对蔬菜生长的全过程进行数据采集与监控，有效掌握了蔬菜生长每个阶段的数据信息，并通过智能控制方法，确保蔬菜处于最佳的生长环境中[13]。以食用菌种植为例，原来大棚种植金针菇一年只能种两季，现在得益于智慧化菇房建设，遍布厂区的传感器与车间设备、生产线实时连接，以毫秒级的传输速度将数据归集到大数据中心实时监测、智能分析，可以实现全年种植，优品率大大提升。浙江大学团队[14]针对植物茎秆特殊的生理特性，利用芯片级的微纳加工工艺，制备了一种可穿戴式茎流传感器，在自然生长状态下，不断检测植物体内水分传递和分配的动态过程。国外有研究者使用多光谱成像传感器检测叶绿素浓度和含量，通过使用超声波传感器估算植被高度来提升叶绿素含量检测的精确度[15]。北卡罗莱纳州立大学总结可穿戴植物传感器的最新进展，跟踪和预测植物状况，在健康压力环境下及时优化和调整植物生长参数。

植物工厂是典型的设施农业的高科技成果，是一种高新农业系统，通过设施内高精度的环境控制实现农作物周年连续生产。植物工厂的环境控制系统由传感器、控制器和执行机构三部分组成，通过传感器及搭载人工智能摄像头的视觉分析系统，不断优化调节温光水气肥等参数，采集植物生长表型参数变化并进行学习计算，得出作物生长最优化的数据模型，实行“植物对话”，用最少的资源实现最大化的产量、最优化的质量。以淄博市桓台县的“植物工厂”为例[16]，整个温室配备了423个传感器、1 165 个控制器，能够随时获取并智能调节工厂内部的光照、温度、空气、水肥等相关的数据，让植物每时每刻都能在最佳环境下生长。“植物工厂”不仅控制植物生长环境，还能通过传感器等设备获得农业生产各个阶段的数据，建立植物生长模型，结合机器学习、人工智能等技术，将经验论、非标准化的生产种植变为有清晰模型、因素可控的方式。

3.2 设施养殖中传感器的应用

养殖环境是影响家禽健康和生产力的重要因素[17]。传感器在畜禽和水产养殖领域也发挥着重要的作用，传感器不仅能采集养殖环境的温度、湿度、空气质量等信息，还可以采集动物身上的体温、脉搏以及采食量等相关信息，并将以上数据信息传递到控制处理器中，处理系统会依据之前设定好的参数来发出指令，从而对养殖环境进行通风、消毒，提高空气质量，或是增加光照或适当降温，从而满足动物生长对环境提出的各种需求，最终实现环境调控，提高生产效率[18]。例如在羊养殖中，传感器不仅对养殖场的光照度、水温、空气温湿度、pH值、二氧化碳浓度、硫化氢浓度、氨气浓度、溶氧量等各项环境参数进行实时采集[19]，还能利用传感器收集羊群生活环境、生产性能等参数，配合智能系统自动生成生长曲线，从而更加精准计算出羊只个体的饲料报酬率[20]。再如，在水产养殖生产领域，传感器配合物联网技术实现养殖水体实时监控，饲料、渔药自动精准投喂，水产病害监测预警[21]。

3.3 设施装备中传感器的应用

现代设施农业的发展离不开设施装备的支撑，而在设施装备智能化的过程中，传感器发挥着极其重要的作用。在荷兰等发达国家，温室成套装备中室内作业机械装备和环境控制设施设备正在朝着智能化和自动化方向发展，国内研究者利用传感器技术、遥感技术、物联网等技术研制出的自动控制和环境检测系统，在自动检测温室内的土壤、气候等参数的同时，还可以自动控制温室开窗、降温、升温、加湿、补气、补光、灌溉、施肥等，以便设备达到最优运行状态[22]。

智能机器人在设施农业领域应用十分广泛。它是一种由一个或多个程序软件控制，配备有视觉、力觉、避障、触觉等多种传感器以适应各种作业的设备，通过融合多个传感器的感知，获得更加精确的信息，完成信息交融[23]。如育苗机器人依靠视觉传感器锁定苗木的实际位置；除草机器人利用传感器获取杂草所在位置的信号数据；采摘机器人可以利用传感器以及红外遥控器获取果实信号[24]；畜牧机器人可以完成自动挤奶、消毒、清粪、饲喂、移动检测等作业，例如英国开发的挤奶机器人，通过双自由度x-y位移传感器识别奶牛的位置，完成挤奶的同时还能对牛奶进行质量检测并且检测奶牛是否患有乳房炎[25]；博田公司研发的一种设施农业智能运输车，采用视觉相机、超声波传感器等多传感器融合，能够实现自主导航和避障以及搬运功能[26]。

4 我国设施农业发展中传感器的应用趋势

现代设施农业的发展，也给农业传感器的发展带来了新的机遇和挑战。党的二十大报告指出，“发展设施农业，构建多元化食物供给体系”。党中央的决策部署，给设施农业的发展指明了方向，戈壁设施农业、垂直植物工厂正在被探索和推广，这些探索将不断推动传感器技术的革新。

4.1 高稳定性

我国的农业传感器通常存在故障率高、制造粗糙、材料差、使用寿命短等问题。农业大棚内又经常是高温高湿的环境，安装在大棚内的传感器如果封装技术不过关，传感器的核心元件和电路板很容易受潮生锈，从而导致故障不断出现，影响到精度和使用寿命。设施农业实现周年化生产需要检测精度高、运行效率高的传感器来降低维护成本。随着物联网和人工智能技术的逐渐成熟和传感器行业的飞速发展，传感器技术可向低功耗、低成本、高稳定性方向发展。

4.2 微型化

农业领域应用的传感器对便携性要求更高，这就要求传感器体积越小越好，微机电系统（MEMS）技术的发展让传感器的微型化得以实现。与传统工艺制造的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。未来，准确、精密、便携式传感器和生物传感器的研究和开发将是设施农业传感器创新和发展的关键领域。

4.3 高智能化

目前，传感器在设施农业的环境控制方面取得了一定的成效，但多数传感器是对温湿度、光照度、气体、营养元素等单个特征的检测，传感器没有对植物生长的综合环境形成动态的检测系统，联动性较差，无法提供真正意义上的传感功能。未来传感器能对诸如水分子、病原体、微生物在跨越土壤、动植物、环境时的循环运动过程进行监控，具备快速检测、连续监测、实时反馈、智能处理的能力。

4.4 多功能化

设施生产环境控制要求严格，在育苗、定植、移栽、收获加工、畜禽养殖等方面存在较大差异，不同动植物之间的系统传感器缺乏通用性。随着材料学、微电子、纳米技术等多学科的联合攻关，新一代传感器将实现其多功能性，从而提高设备的效率和性能，降低能耗和维护成本。

5 总结

综上所述，新工艺、新材料、新技术的交叉融合，将促使传感器技术产生新的变革，解决制约新一代传感器从实验室走入产业的最关键问题。本研究在传感器的定义及分类的基础上，分别从设施园艺、养殖、装备等不同方面对农业传感器的应用进行了介绍，分析发现，设施农业的生产中，传感器在材料、寿命、成本、稳定性、便携性、智能化等方面还存在一定的问题，并提出了未来农业传感器趋于高稳定性、微型化、高智能化、多功能化发展。相信随着高新技术的集成，传感器技术的基础研究和应用研究将持续深入，必将推动设施农业的高速发展，进而推动农业相关产业的进步。