傳感器在設施農業中的應用

胡建平 ，趙新宇 ，馮汝廣 ，范國華 ，趙翠敏

（聊城市農業科學院，山東 聊城 252000）

我國是設施農業大國，2023年中央一號文件提出“發展現代設施農業”，“十四五”規劃中也提出要積極發展設施農業[1]。現代設施農業通過現代化技術和智能化裝備實現了農業生產的信息化、數字化和智能化。隨著科學技術的進步，水土資源的約束，多元化和多層次消費需求的升級，設施農業將變得更智能。智能傳感器作為設施農業中的核心要素，自動監測設施內的動植物生產所需的溫、光、水、土、氣、肥等環境條件，有助于水土資源的最大化利用，還能增強綜合生產能力。

1 我國設施農業發展現狀

設施農業是綜合應用工程裝備技術、生物技術和環境技術，按照動植物生長發育所要求的最佳環境，進行動植物生產的一種高效優質的現代農業生產方式[2]。設施農業環境可根據動植物的生長規律進行調控，突破時間和空間的制約，實現蔬菜瓜果連續周年生產，保障“菜籃子”產品穩產保供。隨著工程技術手段的進步，我國設施農業取得了顯著成果，相關統計數據顯示，截至2021年年底，我國設施農業面積已達286萬hm2，總產值超過1.4萬億元，已經形成了日光溫室81萬hm2、塑料拱棚203萬hm2、大型連棟溫室1.8萬hm2和植物工廠250座的四種結構形態，而且通過多年的技術革新，在節能設施結構、環境調控以及植物工廠等方面取得了重要進展，如實現了植物工廠成套裝備的完全國產化[3]。雖然我國設施農業取得了顯著的成績，但是相較于發達國家，我國設施農業在土地利用率、單體規模、產量、抗逆能力、機械化水平等方面還存在不足，整體智能化管控技術有待提升。

2 農業傳感器

2.1 農業傳感器概念

傳感器是一種檢測裝置，它可以檢測到指定的測量值，并根據一定的規則將其轉換為可用的信號。傳感器通常由三部分組成：敏感元件、轉換元件和轉換電路。敏感元件直接檢測測量值，并發出與測量值有一定關系的物理量信號；轉換元件將敏感元件發出的物理量信號轉換為電信號；轉換電路負責放大和調制轉換元件發出的電信號[4]。傳感器在農業領域的應用和發展，使作物和農副產品擁有觸覺、味覺和嗅覺等感官，并將它們最原始的信息傳遞給人類[5]。在大數據時代，利用各種傳感器建立完整的數據監測平臺，記錄和分析農業種養過程的動態變化，實現科學的監管。

2.2 農業傳感器分類

農業生產具有差異性和復雜性，根據設施農業應用的場景，傳感器大致可分為三類：環境信息傳感器、生命信息傳感器和農機參數傳感器[6]。

1）環境信息傳感器主要是對動植物生存所需的環境要素進行監測，主要包括氣象類、土壤類、水體類、畜禽類[7]。氣象類傳感器主要用來監測光照、氧氣濃度、氨氣濃度、二氧化碳濃度、溫濕度等環境信息，一方面對動植物生長環境進行調控，保持動植物生長最適宜的微氣候環境，另一方面對二氧化碳、甲烷、氨氣等污染氣體的監測可以減輕環境污染。土壤類傳感器用來測量土壤電導率、酸堿度、溫濕度、農藥含量、微量元素養分等。水體類傳感器用來監測水體環境，如pH值、電導率、溶解氧、氨氮、亞硝酸鹽、總硬度等參數，有助于控制生產過程中的關鍵環境參數，降低生產成本，提高水產養殖的效率和穩定性。畜禽類傳感器主要監測和調控養殖環境，實時采集和分析養殖舍內的參數值，如光照度、溫度、濕度以及二氧化碳、氨氣、二氧化硫、硫化氫濃度等，提高畜禽舍管理效率，提升畜禽質量。

2）生命信息傳感器是對動植物生長過程中的生命數據進行監測，及時了解動植物的生長狀態[8]。對植物來說，主要是采集植物葉片厚度、葉綠素含量、含水率、植物徑流、植物莖稈直徑、激素、葡萄糖小分子等信息，用于指導精準灌溉、施肥以及病蟲害的防治，有助于節約水分和養料；對動物來說，主要是監測動物的生理指標和行為指標，實現禽畜養殖的智能生產與科學管理。

3）農機參數傳感器是智能化農機裝備的重要組成部分，在眾多農業智能裝備中起到了信息采集、控制的核心功能[9]，能夠實現對農業機械工作狀態的監控，提高生產植保效率，如速度和加速度傳感器、輸出軸扭矩檢測中的扭矩傳感器、油耗檢測中的液位傳感器以及其他性能檢測中的角度傳感器、計數傳感器、位移傳感器等[10]。

3 傳感器在設施農業中的應用

3.1 設施園藝中傳感器的應用

中國設施園藝發展迅猛，截至2022年中國設施園藝總面積280多萬hm2，占世界設施總面積的80%以上，其中設施蔬菜占比81%，中國設施園藝產業產值超過1.4萬億元，解決了中國蔬菜周年均衡供應問題，促進了農民增收，實現了資源的高效利用[11]。設施園藝的未來是智能化，智能化的技術與裝備是提高設施園藝生產技術水平和能力的重要手段，而傳感器是推動我國設施農業智慧化發展的第一步[12]。通過將傳感器等設備部署在溫室大棚內，對蔬菜生長的全過程進行數據采集與監控，有效掌握了蔬菜生長每個階段的數據信息，并通過智能控制方法，確保蔬菜處于最佳的生長環境中[13]。以食用菌種植為例，原來大棚種植金針菇一年只能種兩季，現在得益于智慧化菇房建設，遍布廠區的傳感器與車間設備、生產線實時連接，以毫秒級的傳輸速度將數據歸集到大數據中心實時監測、智能分析，可以實現全年種植，優品率大大提升。浙江大學團隊[14]針對植物莖稈特殊的生理特性，利用芯片級的微納加工工藝，制備了一種可穿戴式莖流傳感器，在自然生長狀態下，不斷檢測植物體內水分傳遞和分配的動態過程。國外有研究者使用多光譜成像傳感器檢測葉綠素濃度和含量，通過使用超聲波傳感器估算植被高度來提升葉綠素含量檢測的精確度[15]。北卡羅萊納州立大學總結可穿戴植物傳感器的最新進展，跟蹤和預測植物狀況，在健康壓力環境下及時優化和調整植物生長參數。

植物工廠是典型的設施農業的高科技成果，是一種高新農業系統，通過設施內高精度的環境控制實現農作物周年連續生產。植物工廠的環境控制系統由傳感器、控制器和執行機構三部分組成，通過傳感器及搭載人工智能攝像頭的視覺分析系統，不斷優化調節溫光水氣肥等參數，采集植物生長表型參數變化并進行學習計算，得出作物生長最優化的數據模型，實行“植物對話”，用最少的資源實現最大化的產量、最優化的質量。以淄博市桓臺縣的“植物工廠”為例[16]，整個溫室配備了423個傳感器、1 165 個控制器，能夠隨時獲取并智能調節工廠內部的光照、溫度、空氣、水肥等相關的數據，讓植物每時每刻都能在最佳環境下生長。“植物工廠”不僅控制植物生長環境，還能通過傳感器等設備獲得農業生產各個階段的數據，建立植物生長模型，結合機器學習、人工智能等技術，將經驗論、非標準化的生產種植變為有清晰模型、因素可控的方式。

3.2 設施養殖中傳感器的應用

養殖環境是影響家禽健康和生產力的重要因素[17]。傳感器在畜禽和水產養殖領域也發揮著重要的作用，傳感器不僅能采集養殖環境的溫度、濕度、空氣質量等信息，還可以采集動物身上的體溫、脈搏以及采食量等相關信息，并將以上數據信息傳遞到控制處理器中，處理系統會依據之前設定好的參數來發出指令，從而對養殖環境進行通風、消毒，提高空氣質量，或是增加光照或適當降溫，從而滿足動物生長對環境提出的各種需求，最終實現環境調控，提高生產效率[18]。例如在羊養殖中，傳感器不僅對養殖場的光照度、水溫、空氣溫濕度、pH值、二氧化碳濃度、硫化氫濃度、氨氣濃度、溶氧量等各項環境參數進行實時采集[19]，還能利用傳感器收集羊群生活環境、生產性能等參數，配合智能系統自動生成生長曲線，從而更加精準計算出羊只個體的飼料報酬率[20]。再如，在水產養殖生產領域，傳感器配合物聯網技術實現養殖水體實時監控，飼料、漁藥自動精準投喂，水產病害監測預警[21]。

3.3 設施裝備中傳感器的應用

現代設施農業的發展離不開設施裝備的支撐，而在設施裝備智能化的過程中，傳感器發揮著極其重要的作用。在荷蘭等發達國家，溫室成套裝備中室內作業機械裝備和環境控制設施設備正在朝著智能化和自動化方向發展，國內研究者利用傳感器技術、遙感技術、物聯網等技術研制出的自動控制和環境檢測系統，在自動檢測溫室內的土壤、氣候等參數的同時，還可以自動控制溫室開窗、降溫、升溫、加濕、補氣、補光、灌溉、施肥等，以便設備達到最優運行狀態[22]。

智能機器人在設施農業領域應用十分廣泛。它是一種由一個或多個程序軟件控制，配備有視覺、力覺、避障、觸覺等多種傳感器以適應各種作業的設備，通過融合多個傳感器的感知，獲得更加精確的信息，完成信息交融[23]。如育苗機器人依靠視覺傳感器鎖定苗木的實際位置；除草機器人利用傳感器獲取雜草所在位置的信號數據；采摘機器人可以利用傳感器以及紅外遙控器獲取果實信號[24]；畜牧機器人可以完成自動擠奶、消毒、清糞、飼喂、移動檢測等作業，例如英國開發的擠奶機器人，通過雙自由度x-y位移傳感器識別奶牛的位置，完成擠奶的同時還能對牛奶進行質量檢測并且檢測奶牛是否患有乳房炎[25]；博田公司研發的一種設施農業智能運輸車，采用視覺相機、超聲波傳感器等多傳感器融合，能夠實現自主導航和避障以及搬運功能[26]。

4 我國設施農業發展中傳感器的應用趨勢

現代設施農業的發展，也給農業傳感器的發展帶來了新的機遇和挑戰。黨的二十大報告指出，“發展設施農業，構建多元化食物供給體系”。黨中央的決策部署，給設施農業的發展指明了方向，戈壁設施農業、垂直植物工廠正在被探索和推廣，這些探索將不斷推動傳感器技術的革新。

4.1 高穩定性

我國的農業傳感器通常存在故障率高、制造粗糙、材料差、使用壽命短等問題。農業大棚內又經常是高溫高濕的環境，安裝在大棚內的傳感器如果封裝技術不過關，傳感器的核心元件和電路板很容易受潮生銹，從而導致故障不斷出現，影響到精度和使用壽命。設施農業實現周年化生產需要檢測精度高、運行效率高的傳感器來降低維護成本。隨著物聯網和人工智能技術的逐漸成熟和傳感器行業的飛速發展，傳感器技術可向低功耗、低成本、高穩定性方向發展。

4.2 微型化

農業領域應用的傳感器對便攜性要求更高，這就要求傳感器體積越小越好，微機電系統（MEMS）技術的發展讓傳感器的微型化得以實現。與傳統工藝制造的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。未來，準確、精密、便攜式傳感器和生物傳感器的研究和開發將是設施農業傳感器創新和發展的關鍵領域。

4.3 高智能化

目前，傳感器在設施農業的環境控制方面取得了一定的成效，但多數傳感器是對溫濕度、光照度、氣體、營養元素等單個特征的檢測，傳感器沒有對植物生長的綜合環境形成動態的檢測系統，聯動性較差，無法提供真正意義上的傳感功能。未來傳感器能對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動植物、環境時的循環運動過程進行監控，具備快速檢測、連續監測、實時反饋、智能處理的能力。

4.4 多功能化

設施生產環境控制要求嚴格，在育苗、定植、移栽、收獲加工、畜禽養殖等方面存在較大差異，不同動植物之間的系統傳感器缺乏通用性。隨著材料學、微電子、納米技術等多學科的聯合攻關，新一代傳感器將實現其多功能性，從而提高設備的效率和性能，降低能耗和維護成本。

5 總結

綜上所述，新工藝、新材料、新技術的交叉融合，將促使傳感器技術產生新的變革，解決制約新一代傳感器從實驗室走入產業的最關鍵問題。本研究在傳感器的定義及分類的基礎上，分別從設施園藝、養殖、裝備等不同方面對農業傳感器的應用進行了介紹，分析發現，設施農業的生產中，傳感器在材料、壽命、成本、穩定性、便攜性、智能化等方面還存在一定的問題，并提出了未來農業傳感器趨于高穩定性、微型化、高智能化、多功能化發展。相信隨著高新技術的集成，傳感器技術的基礎研究和應用研究將持續深入，必將推動設施農業的高速發展，進而推動農業相關產業的進步。