智能傳感器在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

智慧農(nóng)業(yè)，也稱為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，使農(nóng)民可以使用最少的資源（例如水，肥料和種子）來(lái)實(shí)現(xiàn)最大化產(chǎn)量。通過部署傳感器和測(cè)繪田地，農(nóng)民可以開始從微觀角度了解他們的農(nóng)作物，節(jié)約資源并減少對(duì)環(huán)境的影響。智能農(nóng)業(yè)的歷史可以追溯到1980年代，當(dāng)時(shí)全球民用定位系統(tǒng)（GPS）的功能變得可以使用。一旦農(nóng)民能夠準(zhǔn)確繪制出他們的耕地圖，他們就可以僅在需要的地方監(jiān)測(cè)和施肥和除草。　　

 

一、農(nóng)業(yè)傳感器 　　

 

精確農(nóng)業(yè)中使用了許多傳感技術(shù)，它們提供的數(shù)據(jù)可幫助農(nóng)民監(jiān)測(cè)和優(yōu)化農(nóng)作物，并適應(yīng)不斷變化的環(huán)境因素，其中包括：　　

 

位置傳感器使用來(lái)自GPS衛(wèi)星的信號(hào)來(lái)確定英尺內(nèi)的緯度，經(jīng)度和高度。三角定位至少需要三顆衛(wèi)星。精確定位是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基石。　　

 

光學(xué)傳感器使用光來(lái)測(cè)量土壤特性。傳感器在近紅外，中紅外和偏振光譜中測(cè)量不同頻率的光反射率，可以放置在諸如無(wú)人機(jī)甚至衛(wèi)星之類的車輛或高空平臺(tái)上來(lái)測(cè)量下方的土壤。土壤反射率和植物顏色數(shù)據(jù)只是光學(xué)傳感器的兩個(gè)變量，可以進(jìn)行匯總和處理。目前已經(jīng)開發(fā)出光學(xué)傳感器來(lái)確定土壤中的粘土，有機(jī)物和水分含量。例如，Vishay提供了數(shù)百個(gè)光電探測(cè)器和光電二極管，這是光學(xué)傳感器的基本構(gòu)建塊。

 

電化學(xué)傳感器可提供精密農(nóng)業(yè)所需的關(guān)鍵信息：pH和土壤養(yǎng)分水平。傳感器電極通過檢測(cè)土壤中的特定離子來(lái)工作。當(dāng)前，安裝在專門設(shè)計(jì)的“滑板”上的傳感器可幫助收集，處理和繪制土壤化學(xué)數(shù)據(jù)。　　

 

機(jī)械傳感器可測(cè)量土壤壓實(shí)度或“機(jī)械阻力”。傳感器使用一個(gè)探頭，該探頭可穿透土壤并通過稱重傳感器或應(yīng)變儀記錄電阻。這種技術(shù)的類似形式用于大型拖拉機(jī)，以預(yù)測(cè)地面接合設(shè)備的牽引要求。像霍尼韋爾 FSG15N1A一樣的張力計(jì)可檢測(cè)根系在吸水過程中所使用的力，這對(duì)于灌溉干預(yù)非常有用。

 

介電土壤濕度傳感器通過測(cè)量土壤中的介電常數(shù)（電特性隨存在的水分含量而變化）來(lái)評(píng)估水分含量。　　

 

氣流傳感器測(cè)量土壤的透氣性。測(cè)量可以在單個(gè)位置進(jìn)行，也可以在運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行。期望的輸出是將預(yù)定量的空氣以預(yù)定深度推入地面所需的壓力。各種類型的土壤特性，包括壓實(shí)度，結(jié)構(gòu)，土壤類型和濕度，都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的識(shí)別特征。　　

 

農(nóng)業(yè)氣象站是獨(dú)立的單元，被放置在整個(gè)田地的各個(gè)位置。這些站結(jié)合了適合當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物和氣候的傳感器。以預(yù)定的間隔測(cè)量并記錄諸如氣溫，各種深度的土壤溫度，降雨量，葉片濕度，葉綠素，風(fēng)速，露點(diǎn)溫度，風(fēng)向，相對(duì)濕度，太陽(yáng)輻射和大氣壓力等信息。這些數(shù)據(jù)被編譯并以編程的時(shí)間間隔無(wú)線發(fā)送到中央數(shù)據(jù)記錄器。它們的便攜性和價(jià)格下降使氣象站對(duì)各種規(guī)模的農(nóng)場(chǎng)都具有吸引力。　　

 

二、傳感器輸出數(shù)據(jù)在精確耕作上的應(yīng)用 　　

 

傳感技術(shù)可提供可操作的數(shù)據(jù)，以根據(jù)需要進(jìn)行處理和實(shí)施，以優(yōu)化作物產(chǎn)量，同時(shí)將對(duì)環(huán)境的影響降至最低。以下是精確耕作利用此數(shù)據(jù)的幾種方法：

 

產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在農(nóng)作物收割機(jī)上，例如聯(lián)合收割機(jī)和玉米收割機(jī)。它們可以通過測(cè)量，記錄到30厘米以內(nèi)的時(shí)間，距離或GPS位置來(lái)提供農(nóng)作物的增重產(chǎn)量。　　

 

產(chǎn)量映射使用安裝在收割設(shè)備上的GPS傳感器的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)。產(chǎn)量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與坐標(biāo)相結(jié)合以創(chuàng)建產(chǎn)量圖。　　

 

可變速率肥料應(yīng)用工具使用產(chǎn)量圖以及可能通過著色確定的植物健康的光學(xué)調(diào)查來(lái)控制粒狀，液態(tài)和氣態(tài)肥料。可變速率控制器既可以手動(dòng)控制，也可以使用由真實(shí)GPS位置引導(dǎo)的車載計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。　　

 

雜草制圖目前通過GPS接收器和數(shù)據(jù)記錄儀快速標(biāo)記位置，從而使用操作員的解釋和輸入來(lái)生成地圖。然后，雜草的出現(xiàn)可以與產(chǎn)量圖，肥料圖和噴霧圖重疊。隨著視覺識(shí)別系統(tǒng)的改進(jìn)，手動(dòng)輸入將很快被安裝在工作設(shè)備上的自動(dòng)化視覺系統(tǒng)所取代。　　

 

可變噴涂控制器可打開和關(guān)閉除草劑噴桿，并自定義噴灑量（和混合量）。一旦確定了雜草的位置并繪制了地圖，就可以確定噴霧的量和混合量。　　

 

可以使用高精度GPS記錄地形和邊界，從而可以對(duì)任何領(lǐng)域進(jìn)行非常精確的地形表示。這些精度圖在解釋產(chǎn)量圖和雜草圖時(shí)很有用。可以精確定位田間邊界，現(xiàn)有道路和濕地，以幫助進(jìn)行農(nóng)場(chǎng)規(guī)劃。　　

 

用鹽度計(jì)在拖曳受鹽度影響的田間的雪橇上用鹽度計(jì)完成鹽度映射。鹽度映射可以解釋新出現(xiàn)的問題以及鹽度隨時(shí)間的變化。　　

 

引導(dǎo)系統(tǒng)可以使用GPS將移動(dòng)的車輛準(zhǔn)確地定位在30厘米或更短的范圍內(nèi)。引導(dǎo)系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的噴涂或播種設(shè)備。自動(dòng)駕駛汽車目前正在開發(fā)中，很可能會(huì)在不久的將來(lái)投入使用。

 

大規(guī)模耕作在精確耕作的實(shí)踐中早已立足。昂貴的傳感器，基礎(chǔ)設(shè)施和處理設(shè)備只能由具有足夠資本可用于投資的農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)現(xiàn)實(shí)地使用。那些投資精耕細(xì)作的人在作物產(chǎn)量方面獲得了可觀的回報(bào)。　　

 

三、傳感器在“小型”農(nóng)業(yè)的擴(kuò)展應(yīng)用 　　

 

在美國(guó)，小型農(nóng)場(chǎng)（包括有機(jī)農(nóng)場(chǎng)和傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)）占近200萬(wàn)個(gè)農(nóng)場(chǎng)的91％。僅在美國(guó)就有一個(gè)潛在的180萬(wàn)個(gè)小型農(nóng)場(chǎng)的市場(chǎng)，開發(fā)商和設(shè)計(jì)師已經(jīng)注意到通過整合較小規(guī)模的精確耕作技術(shù)所帶來(lái)的機(jī)遇。智能手機(jī)傳感器和應(yīng)用程序以及小型機(jī)械使小型農(nóng)場(chǎng)可以利用精密農(nóng)業(yè)技術(shù)。　　

 

智能手機(jī)工具 　　

 

僅智能手機(jī)就有幾種工具可以適應(yīng)農(nóng)業(yè)應(yīng)用。例如，農(nóng)作物和土壤的觀測(cè)結(jié)果可以以快照?qǐng)D片，精確定位，土壤顏色，水，植物葉子和光照特性的形式記錄下來(lái)。表1列出了一些可用于收集數(shù)據(jù)的電話內(nèi)工具：

 

 

智能手機(jī)應(yīng)用 　　

 

許多智能手機(jī)應(yīng)用程序已開始結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）理想，數(shù)據(jù)聚合和快速處理的功能，以向小農(nóng)戶提供有關(guān)播種，除草，施肥和澆水的最新可行信息。這些應(yīng)用程序從手持式傳感器，遠(yuǎn)程傳感器和氣象站收集數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)建深入的分析和有價(jià)值的建議。已經(jīng)針對(duì)小型農(nóng)民開發(fā)了幾種應(yīng)用程序：　　

 

疾病檢測(cè)與診斷：可以將可疑植物的照片轉(zhuǎn)發(fā)給專家進(jìn)行分析。　　

 

肥料計(jì)算器：土壤傳感器和葉子的顏色可以確定所需的養(yǎng)分。　　

 

土壤研究：捕獲土壤圖像以及傳感器的pH值和化學(xué)數(shù)據(jù)，使農(nóng)民可以監(jiān)視和適應(yīng)不斷變化的土壤條件。　　

 

水研究：通過照片和亮度記錄確定葉面積指數(shù)可以幫助農(nóng)民確定水需求。　　

 

作物收成就緒：使用紫外線和白光拍攝的相機(jī)照片可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成熟度。　　

 

當(dāng)專業(yè)應(yīng)用程序通過分析土壤，作物，雜草和病蟲害變量來(lái)提高農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)率，并為農(nóng)業(yè)決策提供有價(jià)值的反饋時(shí)，小農(nóng)的生活質(zhì)量將得到顯著改善。

 

四、傳感器對(duì)全球農(nóng)業(yè)的影響 　　

 

在發(fā)展中國(guó)家，大約有5億個(gè)小農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)的食品占消費(fèi)量的80％以上。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)在全球范圍內(nèi)變得越來(lái)越普及。新的手持設(shè)備可以測(cè)量植物和土壤的健康狀況，為農(nóng)民提供準(zhǔn)確計(jì)算肥料需求所需的信息。鑒于聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，到2050年，全球?qū)Z食的需求將增長(zhǎng)50％，因此將需要用于各種規(guī)模農(nóng)場(chǎng)的精密農(nóng)業(yè)技術(shù)。　　

 

解決大型和小型農(nóng)場(chǎng)的問題并幫助農(nóng)民滿足不斷增長(zhǎng)的糧食需求并不是智能，精確農(nóng)業(yè)所能提供的唯一解決方案。智慧農(nóng)業(yè)還提供了許多其他好處，例如：　　

?降低燃料和能源消耗，從而減少二氧化碳排放 　　

?通過優(yōu)化氮肥用量減少?gòu)耐寥泪尫诺囊谎趸?　　

?通過明確肥料和病蟲害防治需求來(lái)減少化學(xué)藥品的使用 　　

?通過監(jiān)測(cè)和管理土壤健康來(lái)消除養(yǎng)分消耗 　　

?通過減少設(shè)備流量來(lái)控制土壤壓實(shí) 　　

?最大限度地提高用水效率 　　

 

結(jié)語(yǔ) 　　

 

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，可以滿足世界范圍內(nèi)對(duì)食品的日益增長(zhǎng)的需求，其使用的技術(shù)使收集和應(yīng)用數(shù)據(jù)，適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件以及最有效地利用資源變得更加簡(jiǎn)單和便宜。盡管大型農(nóng)場(chǎng)是最先采用這些技術(shù)的農(nóng)場(chǎng)，但現(xiàn)在小型農(nóng)場(chǎng)也可以使用智能電話中內(nèi)置的工具，相關(guān)應(yīng)用程序和小型機(jī)械來(lái)受益。而且，這些技術(shù)正在為解決方案做出貢獻(xiàn)，其解決方案不僅限于農(nóng)場(chǎng)，還包括污染，全球變暖和保護(hù)。　　

 

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的未來(lái)發(fā)展可能包括增加自動(dòng)農(nóng)用車的使用，以及從更智能，更小巧的無(wú)人機(jī)和無(wú)人地面車輛（分別為UAV和UGV）獲得更好的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和采集。除了監(jiān)視作物和土壤狀況之外，這些較小的車輛還可以監(jiān)視農(nóng)業(yè)設(shè)備的狀態(tài)，從而使農(nóng)民可以改善機(jī)器的維修和保養(yǎng)。總體而言，在工業(yè)制造領(lǐng)域獲得的過程改進(jìn)將繼續(xù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)。