无人农场中水稻生长环境信息感知技术的研究

刘超 盛洪利 于雯

摘  要：基于无人农场的水稻生长环境信息感知技术，是一种能够利用高质量传感器和状态交互技术，准确调控土壤温度、湿度及其他状态值，来有效监测水稻生长环境、提升水稻生产效率、质量的优秀技术，在国内外都得到了广泛的应用。但眼下这类技术的应用虽然可有效优化水稻的生长条件，但现有技术仍然在精度、成本以及系统集成这三方面存在不足，需要持续对技术精度、能耗体系、系统集成进行优化升级，以此来进一步提高无人农场中水稻生长环境信息感知技术的整体水平，确保无人水稻种植技术可更符合农业生产的实际需要。

关键词：无人农场；水稻；水稻生长环境；环境感知；环境信息感知

中图分类号：S-1                              文献标志码：A文章编号：1673－6737（２０24）03－００76－０3

水稻作为全球重要的食品作物之一，对全球粮食供应稳定起着关键作用。在此背景下，利用先进的信息感知技术来监测和管理水稻生长环境，成为提高生产率和环境可持续性的关键策略。通过精确监控土壤、气候等环境参数，无人农场技术既能够优化水稻的生长条件、提升产量和质量，还能有效地节约资源和降低环境影响。然而，尽管水稻生长环境信息感知技术在无人农场中的应用取得了显著效果，但这些技术的推广和实际应用仍然面临一系列技术和操作上的挑战。探索这些技术的发展、应用现状以及存在的问题，对于全面理解无人农场技术的潜力和限制，以及为未来的技术改进和创新提供指导，具有重要的研究和实际意义。

1  主流水稻生长环境信息感知技术概述与应用现状

当前，水稻生长环境信息感知技术在无人农场的应用已成为现代农业技术的一个重要分支。

这些技术主要包括土壤湿度传感器、温度传感器、光照传感器等。在国内外的无人农场中，这些传感器已被广泛部署，通过收集关键的环境数据，辅助农业管理者做出更为科学的决策。[1]在国外，比较有名的土壤湿度传感器有用于测量土壤水分含量、适用于精细灌溉管理的Decagon 10HS Moisture Sensor，可为农场提供不同深度的精确土壤湿度数据的Sentek Drill & Drop Probe；温度传感器中使用频率较高的是用于记录环境和土壤温度、支持长期数据收集的Onset HOBO Data Loggers，以及提供高精度温度监测、适用于需求严苛的环境的Omega Engineering Thermocouples；光照传感器有精确测量光合有效辐射的LI-COR LI-250A Light Meter，能够测量光强度、帮助调节作物的光照需求的Apogee Instruments Quantum Sensors。

在国内，土壤湿度传感器主要有建大仁科、控塞恩、冀欧速等知名品牌，如XE48/TM-100N等型号。这些传感器通常具有高精度、稳定性和耐腐蚀性等特点，能够满足无人农场对土壤湿度精确监测的需求。温度传感器有松导、霍尼韦尔等品牌，如Pt100铂热电阻温度传感器等，以及非特定品牌的温度感应元件，如DS18B20、PT100、热电偶等。光照传感器也是由建大仁科、冀欧速等知名品牌扛旗，测量范围、精度、稳定性、耐候性基本可以满足市场需要。而这些技术的最大特点和优势，就是能够实时监测和调控农作物生长的关键环境因素，从而优化作物的生长条件和提高农作物的产量及品质。例如，在欧美国家，类似技术的应用既提高了作物产量，还实现了节水和能源的优化使用。在我国江苏无锡的锡山区，就在太湖水稻示范园筹建了一个全流程、全覆盖的无人化农场，并依托在农业生产中布置的各种传感器和无线通信网络，就可以随时掌握农场各项信息，让农民“足不出户”管理好农田。然而，尽管这些技术带来了诸多好处，但其应用也存在一些局限性，这些局限性使当前信息感知技术还无法广泛应用。[2]

2 无人农场中水稻生长环境信息感知技术的需求分析

在无人农场中，水稻生长环境信息感知技术的需求主要有三个，即环境监测需求、数据采集与传输需求、智能化决策支持需求。

第一，环境监测需求，其指的是水稻生长对环境“掌控”的精确性的需求，这包括可迅速获取和整理实时环境数据的具体需求。之所以产生这一需求，是因为水稻生长要想出产量、有质量，就必须保证水稻在最佳条件下生长。这就需要在水稻生长的环境中，部署精度较高、位置合理的传感器网络，这样无人农场才能真正实现对生长环境信息的有效采集。从而让农场管理者可以更高效及时地调整水稻种植计划，并随时调整水稻生长环境的温湿度状态。[3]可见，环境监测需求是无人农场中水稻生长环境维护的首要步骤，也是必要的步骤之一，自然需要被充分满足。

第二，数据采集与传输需求，其可以直接影响农场管理系统的效率和决策质量。有效的数据采集系统必须能从土壤湿度传感器、温度传感器、光照传感器等设备中准确记录关键环境参数，并保证这些数据能在监测点之间实时传输至中央处理系统进行即时分析。这一流程对数据传输技术的要求极高，需要具备足够的带宽以处理大量数据，以防数据在传输过程中丢失或产生错误，这对于精细调控水稻的生长条件和及时响应环境变化至关重要。因此，构建一个高效且可靠的数据采集和传输系统，不仅是提升无人农场自动化和智能化水平的基石，更是确保水稻能在最佳生长环境中高效生长的关键技术支持。通过这样的系统，无人农场能够实现对水稻生长条件的精确管理，从而优化产出并提高农业生产的可持续性。

第三，智能化决策支持需求。对这一需求的理解，可以从另一个角度出发。也就是将“需求”看作一个系统。智能化决策的整个过程，就是一个行动系统。而系统想要流畅、高效，那么支撑系统的技术框架就需要高级、合理。系统的架构和算法高级与否，决定了系统从传感器等监测设备中收取的数据能否以最贴合使用需求的方式辅助“无人操控”的诸多需求。而系统的架构和算法合理与否，则决定了系统是否能够为无人农场提供最为科学的决策支持。例如，高级、合理的系统可以有效根据农场内水稻种植区温湿度的变化，自动调整灌溉模式，还能够基于以往的调整经验，尽可能避免种植资源的浪费。由此可见，满足智能化决策支持的需求，是保障无人农场水稻生长智能化管理完美闭环的必要步骤。

3  现有水稻生长环境信息感知技术存在的问题

3.1  技术精度与稳定性的局限性

目前，水稻生长环境信息感知技术虽然已经广泛投入使用，但相关技术也存在非常明显的局限性问题。而最主要的问题，就是感知技术的精度和技术应用的稳定性仍存在较大的升级空间。例如，部分温湿度传感器在长期投入使用时，一旦使用环境变化较大，或设备本身已经面临老化，调查数据就会产生偏差。而错误数据对于无人种植而言是不容忽视的，一旦数据不准将会误判，相应的就会导致水稻的产量和质量直接下滑。种植规模越大的农场，受到的负面影响就越大。[4]这还可能导致国内许多想要建设无人农场的区域，因为环境信息感知技术在精度和稳定性上的不足，放弃朝水稻种植现代化、无人化的方向发展。

3.2  能耗与维护的经济负担

水稻生长环境信息感知技术虽然能够很好地提升现代农业的生产率，但其操作所需的高能耗及维护的经济负担不容忽视。传感器和相关设备不仅需要定期维护以确保精确性和可靠性，还必须持续供电以维持连续监测，这在大规模应用时尤其突出。例如，大型无人农场中的传感器网络需要消耗大量电力，而这些电力往往依赖于非可再生能源，这既增加了经济成本，还可能与可持续发展的目标相悖。高维护成本包括技术人员的培训费用、硬件更换及软件升级，这些都需要持续的资金投入。因此，虽然这些感知技术为农业生产带来了创新，但其因高成本和能源需求也产生了必须解决的问题，以确保这些技术的长期可持续应用，并支持农业生态系统的经济和环境可持续性。

3.3  系统集成和兼容性问题

系统集成和兼容性问题在于不同设备和系统间往往难以实现无缝对接，这在技术应用中导致诸多实际操作困难。由于农业技术领域内众多设备供应商使用的标准和协议各不相同，所以将新的传感器或数据处理系统整合进现有的农场管理架构成为一项挑战。这种缺乏标准化的情况阻碍了技术的有效整合，而且增加了技术调试、维护和升级的复杂性。对农场运营者而言，这种集成难题往往意味着更高的时间和财务成本，而这些额外的负担可能会抑制他们采纳新技术的意愿。同时，系统的不兼容性也会限制技术的可扩展性和灵活性，进而影响农场整体的运营效率和生产力。

4  无人农场中水稻生长环境信息感知技术的改进策略

4.1  精确度与稳定性的技术提升

为了提升无人农场中水稻生长环境信息感知技术的精确度与稳定性，应采用高精度传感器替换现有设备，从数据源头提高测量的准确性。

高精度传感器的研发需要重视以下几个关键问题。第一，如何提升传感器对微小环境变动的感知精准度。对此，建议技术人员从物理设计和电子组件两个方面同时入手，如使用现代化的高精尖材料并融合业内最新的电子处理技术，有效提高传感器测量的精准度和对环境信息感知的响应速度。目前，已经有一些企业开始研究半导体材料和微机电技术的协同应用。第二，如何在信号处理方面提高传感器的处理能力。这可以通过改进数据处理的流程和去除过程中的噪声干扰来实现。例如，使用更优秀的芯片，配以数字滤波技术和自适应算法，实现对环境噪声信息的实时校正和补偿。第三，提升传感器的环境适应性，这可以通过改进传感器的封装技术和环境防护措施来实现，如使用防水防尘材料和抗温度波动设计，以保护传感器不受潮湿、灰尘或温差的影响。

4.2  能耗与维护成本的效率优化

为了优化高精度传感器在能耗与维护成本的效率，技术升级应集中在增强能效性和降低长期运维需求方面。通过采用低功耗设计的电子组件，如使用低能耗的微处理器和传感器芯片，可以显著降低传感器在持续运行中的能源消耗。引入能效优化的算法，如动态电源管理和睡眠唤醒机制，也有助于在不活跃期间减少能量消耗。采用耐用的材料和设计可以延长传感器的使用寿命，减少故障或损耗导致的维护和更换频率。具体可以从物质层面延长传感器设备的使用寿命，使其能够更好地应对水稻种植环境的变化。除了要使用防水材料，还需要使用抗腐蚀的外观材料。这样一来，可以有效避免温度骤降、肥料更换和喷洒农药对环境信息感知技术的影响作用，从长期角度有效降低传感器的维护成本。最重要的就是必须开发出传感器模块中的自我监控和自我诊断功能，这需要让传感器在处理环境变动信息时，有余力去判断自身是否面临故障风险。同时，传感器需要配置自我预警能力，也就是能够对危险进行预判和通知，为管理者预留出处理的时间，进而有效避免长时间的设备空置，同时降低设备维护和生产成本。

4.3  系统集成与兼容性的加强措施

为了加强高精度传感器的系统集成与兼容性，应采用广泛认可的通信协议，如IEEE、USB、Bluetooth或Wi-Fi。这样的标准化接口使传感器能够无缝集成到各种现有系统中，支持跨平台数据交换和设备控制，从而提高其适应不同技术环境的能力。同时，要想进一步降低维护成本，传感器应采用模块化设计，这种设计允许根据应用需求灵活调整或升级功能模块，而无需整体替换，这既简化了系统的维护和升级过程，也降低了长期的运营成本。这可以通过与制作厂商长期合作，开发出高度集成的传感器模块化生产线，减少农场在安装和维护方面的流程消耗。整体来看，系统集成与兼容性的加强措施，可以直接从外围提升系统应用的整体效率，从而有效提升环境信息感知技术的实用性价值。

5  结语

无人农场中水稻生长环境信息感知技术必须基于现实需求，在准度、稳度、效率、成本和兼容性等方面持续革新。未来，随着感知技术的持续进步和集成能力的提高，可以预见这些技术将在全球粮食安全和农业可持续性方面发挥更加重要的作用。为了充分发挥其潜力，必须持续探索创新的技术解决方案和管理策略，以应对不断变化的全球农业需求和环境挑战。这将促进无人农场技术的进一步发展，同时也为全球农业生产模式的转型提供动力。

参考文献：

[1] 陈怀林.基于情境感知的智慧农场系统交互设计研究[D].镇江：江苏大学，2023.

[2] 房可.基于视觉感知的智慧农场物联网系统研究[D].武汉：华中师范大学，2023.

[3] 尹彦鑫，孟志军，赵春江，等.大田无人农场关键技术研究现状与展望[J].智慧农业（中英文），2022，4（4）：1-25.

[4] 柴世豪.基于物联网的智慧农场管理系统[D].太原：中北大学，2022.