即中央一号文件特别指出大力推进数字乡村建设,推进智慧农业发展。随着智慧农业的快速发展和对农业智能传感器需求的日益增长,农业智能传感器的中国智造发展已不容迟缓。本文首先阐述了智能传感器的概念、特征和实现方法,从而引入了农业智能传感器的应用和当前我国农业智能传感器的挑战与措施。随着物联网的普及以及科学水平的提高,智慧农业开始崛起,全国各地也开始大力发展智慧农业,智慧农业依靠物联网技术促进了农业领域自动化、智能化、便利化的发展。农业智能传感器由此被逐渐重视,开始在农业发展领域中扮演着越来越重要的角色。
作为信息化时代感知层的关键技术,智能传感器在农业领域的应用范围十分广阔。农业生产环境复杂,多目标监测需求下,通常需要多个传感器单元,高度智能化下控制单元具备对传感器数据进行数字转换、数据处理、数据存储等功能,通信单元作为农业智能传感器与外界通信的接口,负责与外部网络的信息交互。在智慧农业背景下,配套的智能算法更是实现农业传感器智能化的关键。
农业生产具有多样性,应用于农业领域的智能传感器逐渐发展形成一个种类繁多的技术领域。根据农业智能传感器检测对象的不同,大致分为:生命信息智能传感技术是指对动植物生长过程中的生长信息和生理信息进行感知的智能传感技术。植物生长信息和生理信息的检测传感器主要包括植物茎秆直径、植物径流、植物叶片叶绿素含量、植物叶片厚度、植物归一化植被指数等智能传感器。动物生命信息的检测传感器主要包括动物行为、呼吸、脉象、体温等智能传感器。
环境信息智能传感器技术是指对动植物生存所需的环境要素进行监测的智能传感技术。环境信息智能传感器主要包括土壤类、气象类、水体类、畜禽类等智能传感器。土壤类智能传感器应用于土壤温湿度、电导率、酸碱度、氮磷钾养分、农药含量等监测。气象类智能传感器应用于环境温湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度、氨气浓度、光照度等监测。水体类智能传感器应用于水产养殖水体温度、酸碱度、溶解氧、电导率、浊度等监测。低成本、小型化、高精度、多参数、寿命长以及集成感知的环境信息智能传感器是目前环境信息智能传感技术的研究重点。畜禽类智能传感器应用于畜禽养殖环境中温度、湿度、氨气、硫化氢、二氧化碳、二氧化硫、光照等环境参数的监测与调控。
农产品品质与安全智能传感技术是指对新鲜果蔬、果汁、食品、农副产品等品质与安全监测的智能传感技术,主要包括嗅觉、味觉、视觉、听觉等智能传感技术。嗅觉智能传感技术应用于新鲜果蔬品质的成熟度、新鲜度、腐败度等无损检测。味觉智能传感技术应用于果蔬汁制品味道、成分、添加剂等监测。视觉智能传感技术应用于农产品分级、外部品质、受损情况等监测。听觉智能传感技术应用于果蔬内部品质缺陷、水果硬度等监测。植物的含水率、叶绿素、植物径流、植物叶片厚度、植物茎秆直径等代表植物生长和生理信息,其检测/监测有助于获取植物的生长和生理状态,对植物的生长进行评价,为农业生产管理提供科学依据和指导建议。目前对植物生长和生理信息采集主要采用的是基于光学的智能传感器技术。中国有研究人员采用光学传感器配合STC12C5A60S2单片机,研发出植物叶片叶绿素含量检测仪,具有便携、无损测量、可视化、测量误差小的优点,测量响应时间小于2s。有学者以近红外光谱分析技术为基础,采用AT89C52作为控制核心,使用TCL7135实现模数转换功能,设计出便携式的玉米叶片含水率检测仪,测量误差小于0.2%,装置体积小、测量精度高和稳定性好。浙江大学智能生物产业装备创新团队采用自主研制可穿戴的柔性植物径流传感器,结合无线通信模块,实现对植物径流的无损在线实时监测。智能传感器技术更是实现无土栽培监控系统的关键,温、湿度、光强、PH值、营养液浓度、二氧化碳传感器等集成,加载无线传感器网路和智能算法便可实现,便于使研究者获取无土栽培关键参数。对动物的体温、行为、呼吸、血压等动物生长和生理信息的监测,有助于对动物生长发育状态做出客观评价,尤其是识别动物的特殊状态(如患病症状),可及时采取有效应对措施来降低损失。现代智能传感器具有高效率和低成本的优势,相较于传统的人工观察,对现代大规模养殖工厂更具有应用价值。
加拿大Shayan Sharif等智慧畜禽管理的关键在于智能传感器、农场管理自动化进程和数据驱动的决策平台,其中,智能传感器实时收集多目标畜禽操作参数,也是智慧畜禽管理的核心环节,智慧畜禽管理系统的使用有助于有效预防畜禽疾病,同时为消费者提供透明的肉类产品生产过程。山东农业大学研究人员利用微控制器、无线通信模块和振动、姿态、温度传感器设计出一套监测奶牛发情行为的智能传感器,用来监测奶牛行走步数、静卧时间、行走时间和体表温度,建立上述四个参数与奶牛发情概率的学习向量量化神经网络模型,可以准确快速的判断出奶牛是否处于发情状态和预测奶牛发情日期。南京农业大学采用红外线、水流量、射频识别传感器,STM32微控制器和ZigBee无线通信模块设计出监测母猪饮水行为的智能传感器及管理信息系统,实现群养母猪饮水频率监测准确率100%,还具有实时远程监测功能。浦雪峰等人采用图像传感器、三星S3C2410、通用无线分组业务无线通信模块设计出监控群养猪行为的智能传感器,实现疑似患病病猪的自动识别。