尹武　赵辰　张晋娜

摘要    传感器技术是智慧农业建设中的一项关键技术，目前我国农业传感器的应用存在诸多问题，严重制约着农业产业化的进一步发展。本文对比了国内外农业物联网技术应用与集成的现状，并提出了相应的发展策略，最终提出了关于农业种植养殖产业的未来研究重点与发展方向的观点。

关键词    传感器技术;智慧农业;监测技术

中图分类号    S127        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）02-0253-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    Sensor technology is a key technology in the construction of smart agriculture.At present，there are many problems in the application of sensors in China′s smart agriculture，which seriously restrict the further development of agricultural industrialization.This paper compared the current status of domestic and foreign agricultural cultivation sensors，and proposed corresponding development strategies，and finally put forward the future research focus and development direction of the agricultural cultivation industry.

Key words    sensor technology;smart agriculture;monitoring technology

1    智慧農业的作用与意义

智慧农业是农业发展的高级阶段，即集成应用传感和测量技术、计算机网络和通信技术、智能技术及自动控制技术等现代信息技术，依托部署在农业现场的各种传感器节点和通信网络，实现农业生产的田间智慧种植、可视化管理、智能预警及智能化决策等。

我国是农业大国，但非农业强国。面对农业发展相对落后的现状和国际农业市场的挑战，目前我国也不失时机地大力发展智慧农业，使之成为我国农业普及现代信息技术、实现农业现代化的突破口。在江苏、山东等地，RFID电子标签、远程监控系统、二维码、无线传感器监测等技术日趋成熟，并逐步应用到智慧农业建设中，以帮助农民及时发现问题，及时准确地确定发生问题的位置，使农业生产自动化、智能化，并可远程控制。

农业种植养殖传感器在国内应用广泛，市场规模可达数百亿元。目前，国内传感器测量误差大、精度低，应用设计水平低，相关人才缺乏。农业部统计的数据显示，近年来全国农业种植养殖产值逾1万亿元，产品出口顺差超过100亿元，其中养殖出口额稳居国内大宗农产品首位[1]。但长期以来我国农业种植养殖更多的是通过规模扩张和资源消耗来片面追求高产量，增长速度的提高是以高消耗和占有大量资源为代价[2]。这一模式导致生态失衡和环境恶化的问题日益凸显。

2    农业种植养殖传感器的现状

从全球传感器市场分布情况来看，传感器主要的市场份额被美国、日本和德国所占据，而其他亚洲国家包括中国的市场份额与其相比望尘莫及[3]。由于国内农业种植养殖传感器厂家在以上方面与国外发达国家存在较大的差距，使国内农业种植养殖传感器的发展和应用受到极大的限制，迫切需要国家在此方面进行引导，以推动国内农业种植养殖监控技术的发展。

国内的农业种植养殖传感器在可靠性及稳定性方面与国外产品差距较大。一是生产企业在监测方面缺少电子产品监测标准和技术积累，测试都是传统的误差测试，如大部分农业种植养殖传感器缺少电磁兼容EMC、环境可靠性和安规[4]等测试，遇到强干扰、雷击、强静电、高辐射、温湿度变化大、腐蚀气体液体和强降水和防水密度压力不够等，将严重影响农业种植养殖传感器的性能和功能。二是目前国内相关农业种植养殖传感器厂家在此方面基础比较薄弱，亟需相关技术方面的改进，如纳米技术、生物基因、化学成分及时分析等技术的应用可为农业种植养殖生物传感器的应用奠定基础[5]。

2.1    国内外农业种植养殖传感器的对比

智慧农业已成为欧美等发达国家提升农产品出口产值的最主要手段，在许多国家已成为共识。国内农业种植养殖传感器产业化水平与国外发达国家相差比较大，主要包括以下几个方面。①精度上相差1～2个等级，性价比较低，产品故障率高，缺少智能化信息化的支持，普遍是属于简单单一检测功能，信息化水平较低;②缺少传感器通信技术，如无线传感网络通信，准确度、可靠性、覆盖范围受到较大影响;③测量种类单一，农业种植养殖监测属于系统监测，多参数、多领域监控亟待开发;④缺少传感器智能校准技术，在误差分析、建模和处理方面缺少相关应用;⑤缺少全面可靠监测技术，包括电磁兼容技术和环境可靠性及安规的全方位监测;⑥农业种植养殖传感器类型缺少多样性，基于纳米和微系统技术的生物农业种植养殖传感器应用亟待开发;⑦传感器材料和工艺方面缺少深入技术积累，如纳米技术材料、MEMS[6]新型传感器技术应用在体积、功耗、安装维护等方面。

2.2    国内农业种植养殖传感器的瓶颈和问题

首先，农业种植养殖受到气候、水质的影响，包括降水、风速、风向、太阳光照辐射、氨氮、pH值、溶解氧、环境污染、重金属、遥感技术等数十种天海一体化监控[7]。但是目前国内农业种植养殖传感器监测种类较少而且功能单一，相互测量不能紧密形成互补系统，不能获得海量准确数据，帮助相关部门进行深入分析。因此，有待进一步综合和集成传感器的分析。

其次，国内农业种植养殖传感器的误差校准和消除水平较低，普遍未采取相关标准和算法，如农业种植养殖传感器监测的随机误差、粗大误差、系统误差、坏值等需要进行的模拟或数字滤波、数字校准、数据拟合和数学建模等技术或算法都未采用[8]，导致农业种植养殖传感器的测量精度和抗干扰能力降低，极大地制约了国内农业种植养殖传感器的進一步应用和发展。

此外，国内农业种植养殖传感器在材料和工艺上也与国外存在很大的差距。目前，国外发达国家将MEMS[9]（微机电系统，基于微电子和微结构加工的多学科交叉技术）技术广泛应用于传感器上，结合纳米技术的应用，使传感器在体积和功耗方面极大减少，在安装和维护方面减少了很多费用，可以完成某些传统传感器不能完成的任务，包括农业种植养殖环境中的温度、压力、流量、生物和化学等多项环境参数，而目前在国内还未有相关技术在农业种植养殖传感器上应用。

在发达国家尤其是英国、美国和北欧等多个海洋资源较丰富的国家，海洋通信技术发达，海洋无线传感网络覆盖范围大、成本低、可靠性强、系统稳定。单一的农业种植养殖传感器监控成本高、传输范围小、误差大、可靠性低，我国亟须摆脱单一农业种植养殖传感器监控模式，采用国际先进的无线农业种植养殖传感器网络，提高监测精度和范围。因此，国内农业种植养殖传感器亟需与无线通信和光纤通信信息技术相结合，将无线通信传输接口如Zigbee、Wifi、Lora等无线传感网络通信技术集合到农业种植养殖传感器，提高国内农业种植养殖监测的智能化水平[10]。

3    农业种植养殖传感器发展方向

3.1    形成多技术综合系统

现代农业种植养殖传感器已经从原先的单一技术演化成多学科、跨领域、紧密结合多种技术的复杂系统，包括农业种植养殖传感器智能制造技术、传感器误差消除铝箔和校准监测技术、传感器传输组网技术[11]、传感器电磁兼容、传感器环境可靠性、先进的微纳米材料和微机电系统技术、数据拟合校准以及建模技术等。而农业种植养殖传感器的产业化必定要经过数年甚至更长时间的人才和技术积累，通过大量农业种植养殖传感器的应用，大幅减少农业种植养殖成本，提高农业种植养殖传感器的性价比，尽快缩小国内农业种植养殖传感器与发达国家技术水平的差距，不断加快产业化过程[12]。

3.2    与电子通信技术单位合作

目前国内农业种植养殖耗能大、成本高以及环境污染问题越来越严重，且国内的农业种植养殖传感器在低成本、大范围实时监控和农业种植养殖环境监控参数方面都难以达到要求;农业种植养殖相较其他行业在信息化应用方面差距较大，国家相关部门可以进一步加强相关农业种植养殖监测的资源联合互补，加大研发投入，建立完善的农业种植养殖传感器产业链。目前，农业种植养殖研究和生产部门在新一代信息技术应用方面严重脱节，迫切需要与先进的电子通信技术和材料科研技术单位加强合作[13]。近期国家标准研究院和中国农业大学等已牵头多家国内农业种植养殖传感器相关行业的开发应用单位、农业种植养殖传感器制造单位和新一代电子和通信网络技术单位共同协作，制定相关农业种植养殖传感器的标准，进行相关行业资源互补，获得了明显的效果[14-15]。

4    结语

随着新工艺与新材料技术的运用、元器件更加微型化，功能更加多样化，性能更加完善，且价格更低，稳定性提高。纳米材料以及超材料的研制与广泛应用使元器件的集成化和智能化成为可能，可以结合智能技术、仿生技术、信号处理技术、微电子技术等提高元器件的智能化。目前，我国智能传感器产品种类比较少、稳定性和可靠性较低、产业化水平比较低、高技术人才极度匮乏等，这在很大程度上限制着我国智慧农业的发展。因此，需要国家在相关政策、法规和资金上进行支持倾斜和支持，推动国内农业种植养殖传感器的发展，缩小与国际先进国家在农业种植养殖发展方面的差距，减少农业种植养殖的成本以及提高农业种植养殖生产的效率[16]。

5    参考文献

[1] 潘德春.近期国际大宗农产品价格震荡上涨的影响因素及后期展望[J].中国市场，2017（18）：106-107.

[2] 李道亮.物联网支撑现代渔业大数据助推产业升级[J].中国科技产业，2016（2）：78-79.

[3] 杨志芳.农业产业化经营的模式与发展对策研究[D].北京：中国农业科学院，2011.

[4] 许承毅.浅谈电子信息产品的安规测试及其发展[J].数字化用户，2017（17）：124.

[5] 李陈鑫.新型纳米材料在生物传感器中的应用研究[D].上海：华东师范大学，2006.

[6] PAUL C R.Introduction to electromagnetic compatibility（EMC）[J].Iee Review，2006，38（7/8）：1-12.

[7] 白由路，金继运，杨俐苹，等.低空遥感技术及其在精准农业中的应用[J].中国土壤与肥料，2004（1）：3-6.

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[9] BEDEKAR V N，TANTAWI K H.MEMS Sensors and Actuators[M].Spri-nger International Publishing，2017.

[10] 李哲，侯文博.基于Zigbee/Wifi的农业网关设计[J].西安邮电大学学报，2016，21（4）：96-101.

[11] 刘强.无线传感器网络组网关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2012.

[12] 马川.农业物联网技术的应用推广研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2016.

[13] 王儒敬.农业传感器与智能检测技术发展任重道远[J].中国农村科技，2018（1）：21.

[14] 张港红.农业物联网专用处理器芯片设计研究[D].北京：中国农业大学，2018.

[15] 郭雷风.面向农业领域的大数据关键技术研究[D].北京：中国农业科学院，2016.

[16] 欧文.物联网技术及其在农业生产中的应用研究[D].昆明：昆明理工大学，2015.