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Agricultural investment

国内智慧农业的发展现状与传感器的运用

来源:农业物联网 日期:2020.12.29 阅读:37
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全球智慧农业发展现状


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智慧农业已成为当今世界现代农业发展的大趋势,日本、英国、加拿大、美国等多个发达国家和地区的政府和组织相继推出了智慧农业发展计划。据国际咨询机构研究与市场预测,到2025年,全球智慧农业市值将达到300.1亿美元,发展最快的是亚太地区(中国和印度),2017-2025年复合增长率(CAGR)达到11.5%,主要内容包括大田精准农业、智慧畜牧业、智慧渔业、智能温室,主要技术包括遥感与传感器技术、农业大数据与云计算服务技术、智能化农业装备(如无人机、机器人)等。



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国内智慧农业的发展现状与存在的问题



近年来,在政府的大力支持下,中国智慧农业发展快速。截止到2018年7月,全国21个省市开展了8种主要农产品大数据的试点,通过完善监测预警体系,每日发布农产品批发价格指数,每月发布19种农产品市场供需报告和5种产品供需平衡表,实现了用数据管理服务,引导产销;以山东、河南等为代表的全国18个省市开展了整省建制的信息进村入户工程,全国1/3的行政村(约20.4万个村)建立了益农信息社,农村信息综合服务能力不断提升;广东、浙江等14个省市开展了农业电子商务试点,在428个国家级贫困县开展电商精准扶贫试点,电子商务进农村综合示范工程已累计支持了756个县,农村网络零售额达到了1.25万亿元人民币,农产品电商迈向3000亿元大关。


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“十三五”期间,农业农村部在全国9个省市开展农业物联网工程区域试点,形成了426项节本增效农业物联网产品技术和应用模式。围绕设施温室智能化管理的需求,自主研制出了一批设施农业作物环境信息传感器、多回路智能控制器、节水灌溉控制器、水肥一体化等技术产品,对提高我国温室智能化管理水平发挥了重要作用。我国精准农业关键技术取得重要突破,建立了天空地一体化的作物氮素快速信息获取技术体现,可实现省域、县域、农场、田块不同空间尺度和作物不同生育时期时间尺度的作物氮素营养监测;研制的基于北斗自动导航与测控技术的农业机械,在新疆棉花精准种植中发挥了重要的作用,研制的农机深松作业监测系统解决了作业面积和质量人工核查难的问题,得到大面积应用。


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2018—2019年,在国家相关政策的响应下,诸多国内企业纷纷投资布局智慧农业,加快我国智慧农业建设,比如美团“未来食物农场”、腾讯“智慧农业平台”、京东“京东农场”和阿里巴巴“AI养猪”等。但与国外相比我国智慧农业仍缺乏基础研究和技术积累,整体技术水平与发达国家差距15-20年。因此,加大科学技术创新、提高农业技术水平势在必行。


目前,制约我国智慧农业发展的短板技术有三项:一是农业专用传感器落后,我国目前自主研发农业传感器数量不到世界的10%,且稳定性差;二是动植物模型与智能决策准确度低,很多情况是时序控制而不是按需决策控制;三是缺乏智能化精准作业装备,作业质量差。在应用推广上,全国各省市都开展了智慧农业应用试点建设,但大都处于“盆景”状态,缺乏智慧农业大面积应用的“风景”。同时,大多数项目停留在信息的简单传输与显示,展示成分大于实际效果,与农业融合深度不够,缺乏解决农业实际问题的效果。


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智慧农业具有显著的多学科交叉的特点,由于农业具有生物特性,将信息技术直接拿到农业领域往往不能有效解决问题,必须开展基于农业生物特性的农业信息学(Ag-informatics)交叉研究,揭示基础原理。然而,目前国家自然科学基金学科目录中只在作物一级学科下设立作物信息学,而与生物信息学对应的农业信息学没有作为学科方向给予支持。因此,国家在智慧农业基础研究方面的支持力度还需继续加大。



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传感器的概念

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传感器是一种可以将被测量的物理量按一定规律转换成电信号或者其他形式信息输出的检测装置,具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等优点。


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农业传感器主要包括生命信息传感器和环境传感器。生命信息传感器是通过检测植物生长过程中植物信息元素和农药化肥等元素含量,并对植物生长体征进行数字化处理,进而分析植物生长状况。环境传感器主要是对水分、土壤、空气等植物所生长的环境进行监控分析,及时了解环境变化,保证植物成长和农作物质量达到最优水平。目前,常用的农业传感器主要包括温度传感器、湿度传感器、pH值传感器、气敏传感器、生物传感器、光电传感器和压力传感器等。


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传感器是基础,应用物联网技术可以采集动植物信息,时时掌握动植物动态。传感器在农业生产中将起着不可或缺的作用。施肥、喷药、灌溉等环节,都需要传感器的数据采集,通过对所种植产品的土壤、害虫、湿度等的数据来判断何时施肥、何时喷药、何时灌溉以及所需份量,从而避免传统经验式管理的资源浪费和对环境的破坏。


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现代智慧农业技术发展离不开传感器。目前,市场所生产的传感器质量参差不齐,传感器的性能选择也影响着农业生产力的提高。低功耗、材质耐腐蚀、抗低温性能好的传感器可在户外田间的环境中使用。受农业生产地区限制和大多数农民对传感器知识缺乏的影响,应选择安装方式简单、方便携带、稳定性好和校正周期短的传感器。



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传感器在智慧农业中的应用

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   在农业生产中的应用

由于国内传感器技术具有局限性,传感器在农业生产中的应用大多存在于育种育苗过程中。例如,通过使用生物传感器操纵种子的遗传基因以达到培育优良品种的目的。另外,在作物生长过程中进行生理生态监测,配合相应的智能化系统,对作物的各项参数进行准确有效记录,能够实时了解作物生长状况,针对监测情况及时做出调整,进而提高收成率。比如,可以利用颜色传感器、水分传感器检测作物的颜色和水分含量来判断作物的成熟程度以便于在适当的时间进行采摘。


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除了育种育苗,农业机械在作物种植以及生长过程中也占有很大的比重。带有传感器装备的农机不仅会大幅提高工作效率,还可以减轻一定量的人力劳动。传感器在农业机械方面的应用可以体现在近几年来非常普遍的智能节水灌溉系统和未来可期的农业机器人等。在智能节水灌溉系统中,利用传感器进行土壤湿度的检测是最必需和基本的操作。当湿度传感器反馈结果为土壤干燥的情况下,配合智能平台及时启动灌溉系统进行相应的灌溉调度;相反,当湿度传感器检测到水分已达到合适的标准时,关闭灌溉系统以达到精准灌溉的效果。对于期待值最高的未来农业智能机器人,它是一个集视觉、力觉(压力)、避障(超声波&红外)、触觉等多种传感器于一身并且由平台控制,从而实现各种作业的机器设备。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。



   在监测管理中的应用

传感器在监测管理中的应用大多体现在对作物生长周围环境的监测,比如土壤、大气、水环境、杂草等的监测。目前,传感器在大棚种植中有显着效果,例如技术较为成熟的大棚智能监测系统。在此系统中,温度传感器、湿度传感器、光传感器等实时监测育种环境使其作物达到最优生长的条件;土壤传感器实时监测土壤水分、不同土层温度、土壤pH值、氮、磷、钾等农药化肥元素等,进而精准传递土壤水分和土壤颗粒组成的信息;二氧化碳传感器可以实时监控植物生长环境中二氧化碳的含量以保障植物光合作用;新兴的杂草检测传感器技术可以进行杂草识别达到除草自动化等。


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相应地,在禽畜饲养领域的动物育种繁殖、生存环境等环节也需要应用传感器。例如,育种使用生物传感器;生存环境采用气敏传感器、温度传感器、湿度传感器、光电传感器等,及时调整饲养方案,提高饲养质量。



   在加工储存中的应用

传感器在加工储存上的应用主要是监督农产品质量安全。在分类加工成熟的农作物过程中,根据农作物特有的性质进行相应的传感器检测。例如,根据水分传感器来判断蔬菜新鲜程度。同样地,在储存过程中,温湿度传感器实时监测仓库存储环境,确保农产品保持良好的存储状态。



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传感器在智慧农业上的未来发展趋势

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《国家乡村振兴战略规划(2018—2022年)》指出大力发展数字农业,实施智慧农业工程和“互联网+”现代农业行动,鼓励对农业生产进行数字化改造,加强农业遥感、物联网应用,提高农业精准化水平。发展智慧气象,提升气象为农服务能力。在此情形下,实现智慧农业数字智能化和加强与其他现代科学技术相融合是大势所趋。


对于智慧农业来说,传感器是实现智慧农业的最基础,也是最必不可少的“探头”工具。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,传感器也向更加微型化、集成化和智能化等方向发展。


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成本低、功耗小、使用简单的无线传感器网络就是实现传感器集成化的一种技术,也是精准农业体系中至关重要的一部分。无线传感器网络是一种集成传感器并通过无线通信进行感知、采集、处理传输网覆盖区域内被感知对象的信息的分布式传感网络。在农业生产中,该技术主要用来获取环境信息,也是目前使用最广泛的一项技术。


无线传感器网络为智慧农业发展和真正实现农业精准化水平发挥了重要的促进作用。比如,未来需要发展的智能农业机器人。一个集多种传感器于一身且可以智能操纵的机器人,不仅可以代替人工实现更加精确的信息数据获取和田间劳作,还可以配合大数据平台得到更合适的治理方案。同样,在遥感领域,无线传感器网络在实现地形分析、灾害研究、病虫害监控和植保无人机等占有主导地位。


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此外,传感器和物联网、云计算等技术的结合可以打造一个智能化、数字化的多功能智慧农业平台,也是实现传统农业向现代农业过渡的重要节点。一方面,可以对传感器所测的数据进行信息整理,整个过程的数据分析、决策支持、远程控制、灾变预警等也同样需要平台处理;另一方面,通过与物联网技术的融合,不仅能够完善农产品电商平台的构建,还可以打破农业市场时间和地理的限制性因素,促进农村经济新业态。