劉超 盛洪利 于雯

摘? 要：基于無人農(nóng)場的水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)，是一種能夠利用高質(zhì)量傳感器和狀態(tài)交互技術(shù)，準(zhǔn)確調(diào)控土壤溫度、濕度及其他狀態(tài)值，來有效監(jiān)測水稻生長環(huán)境、提升水稻生產(chǎn)效率、質(zhì)量的優(yōu)秀技術(shù)，在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用。但眼下這類技術(shù)的應(yīng)用雖然可有效優(yōu)化水稻的生長條件，但現(xiàn)有技術(shù)仍然在精度、成本以及系統(tǒng)集成這三方面存在不足，需要持續(xù)對技術(shù)精度、能耗體系、系統(tǒng)集成進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，以此來進(jìn)一步提高無人農(nóng)場中水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)的整體水平，確保無人水稻種植技術(shù)可更符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要。

關(guān)鍵詞：無人農(nóng)場；水稻；水稻生長環(huán)境；環(huán)境感知；環(huán)境信息感知

中圖分類號(hào)：S-1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673－6737（２０24）03－００76－０3

水稻作為全球重要的食品作物之一，對全球糧食供應(yīng)穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。在此背景下，利用先進(jìn)的信息感知技術(shù)來監(jiān)測和管理水稻生長環(huán)境，成為提高生產(chǎn)率和環(huán)境可持續(xù)性的關(guān)鍵策略。通過精確監(jiān)控土壤、氣候等環(huán)境參數(shù)，無人農(nóng)場技術(shù)既能夠優(yōu)化水稻的生長條件、提升產(chǎn)量和質(zhì)量，還能有效地節(jié)約資源和降低環(huán)境影響。然而，盡管水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)在無人農(nóng)場中的應(yīng)用取得了顯著效果，但這些技術(shù)的推廣和實(shí)際應(yīng)用仍然面臨一系列技術(shù)和操作上的挑戰(zhàn)。探索這些技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀以及存在的問題，對于全面理解無人農(nóng)場技術(shù)的潛力和限制，以及為未來的技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新提供指導(dǎo)，具有重要的研究和實(shí)際意義。

1? 主流水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)概述與應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)在無人農(nóng)場的應(yīng)用已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的一個(gè)重要分支。

這些技術(shù)主要包括土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器等。在國內(nèi)外的無人農(nóng)場中，這些傳感器已被廣泛部署，通過收集關(guān)鍵的環(huán)境數(shù)據(jù)，輔助農(nóng)業(yè)管理者做出更為科學(xué)的決策。[1]在國外，比較有名的土壤濕度傳感器有用于測量土壤水分含量、適用于精細(xì)灌溉管理的Decagon 10HS Moisture Sensor，可為農(nóng)場提供不同深度的精確土壤濕度數(shù)據(jù)的Sentek Drill & Drop Probe；溫度傳感器中使用頻率較高的是用于記錄環(huán)境和土壤溫度、支持長期數(shù)據(jù)收集的Onset HOBO Data Loggers，以及提供高精度溫度監(jiān)測、適用于需求嚴(yán)苛的環(huán)境的Omega Engineering Thermocouples；光照傳感器有精確測量光合有效輻射的LI-COR LI-250A Light Meter，能夠測量光強(qiáng)度、幫助調(diào)節(jié)作物的光照需求的Apogee Instruments Quantum Sensors。

在國內(nèi)，土壤濕度傳感器主要有建大仁科、控塞恩、冀歐速等知名品牌，如XE48/TM-100N等型號(hào)。這些傳感器通常具有高精度、穩(wěn)定性和耐腐蝕性等特點(diǎn)，能夠滿足無人農(nóng)場對土壤濕度精確監(jiān)測的需求。溫度傳感器有松導(dǎo)、霍尼韋爾等品牌，如Pt100鉑熱電阻溫度傳感器等，以及非特定品牌的溫度感應(yīng)元件，如DS18B20、PT100、熱電偶等。光照傳感器也是由建大仁科、冀歐速等知名品牌扛旗，測量范圍、精度、穩(wěn)定性、耐候性基本可以滿足市場需要。而這些技術(shù)的最大特點(diǎn)和優(yōu)勢，就是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和調(diào)控農(nóng)作物生長的關(guān)鍵環(huán)境因素，從而優(yōu)化作物的生長條件和提高農(nóng)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)。例如，在歐美國家，類似技術(shù)的應(yīng)用既提高了作物產(chǎn)量，還實(shí)現(xiàn)了節(jié)水和能源的優(yōu)化使用。在我國江蘇無錫的錫山區(qū)，就在太湖水稻示范園籌建了一個(gè)全流程、全覆蓋的無人化農(nóng)場，并依托在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中布置的各種傳感器和無線通信網(wǎng)絡(luò)，就可以隨時(shí)掌握農(nóng)場各項(xiàng)信息，讓農(nóng)民“足不出戶”管理好農(nóng)田。然而，盡管這些技術(shù)帶來了諸多好處，但其應(yīng)用也存在一些局限性，這些局限性使當(dāng)前信息感知技術(shù)還無法廣泛應(yīng)用。[2]

2 無人農(nóng)場中水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)的需求分析

在無人農(nóng)場中，水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)的需求主要有三個(gè)，即環(huán)境監(jiān)測需求、數(shù)據(jù)采集與傳輸需求、智能化決策支持需求。

第一，環(huán)境監(jiān)測需求，其指的是水稻生長對環(huán)境“掌控”的精確性的需求，這包括可迅速獲取和整理實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)的具體需求。之所以產(chǎn)生這一需求，是因?yàn)樗旧L要想出產(chǎn)量、有質(zhì)量，就必須保證水稻在最佳條件下生長。這就需要在水稻生長的環(huán)境中，部署精度較高、位置合理的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這樣無人農(nóng)場才能真正實(shí)現(xiàn)對生長環(huán)境信息的有效采集。從而讓農(nóng)場管理者可以更高效及時(shí)地調(diào)整水稻種植計(jì)劃，并隨時(shí)調(diào)整水稻生長環(huán)境的溫濕度狀態(tài)。[3]可見，環(huán)境監(jiān)測需求是無人農(nóng)場中水稻生長環(huán)境維護(hù)的首要步驟，也是必要的步驟之一，自然需要被充分滿足。

第二，數(shù)據(jù)采集與傳輸需求，其可以直接影響農(nóng)場管理系統(tǒng)的效率和決策質(zhì)量。有效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須能從土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器等設(shè)備中準(zhǔn)確記錄關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，并保證這些數(shù)據(jù)能在監(jiān)測點(diǎn)之間實(shí)時(shí)傳輸至中央處理系統(tǒng)進(jìn)行即時(shí)分析。這一流程對數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的要求極高，需要具備足夠的帶寬以處理大量數(shù)據(jù)，以防數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失或產(chǎn)生錯(cuò)誤，這對于精細(xì)調(diào)控水稻的生長條件和及時(shí)響應(yīng)環(huán)境變化至關(guān)重要。因此，構(gòu)建一個(gè)高效且可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，不僅是提升無人農(nóng)場自動(dòng)化和智能化水平的基石，更是確保水稻能在最佳生長環(huán)境中高效生長的關(guān)鍵技術(shù)支持。通過這樣的系統(tǒng)，無人農(nóng)場能夠?qū)崿F(xiàn)對水稻生長條件的精確管理，從而優(yōu)化產(chǎn)出并提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。

第三，智能化決策支持需求。對這一需求的理解，可以從另一個(gè)角度出發(fā)。也就是將“需求”看作一個(gè)系統(tǒng)。智能化決策的整個(gè)過程，就是一個(gè)行動(dòng)系統(tǒng)。而系統(tǒng)想要流暢、高效，那么支撐系統(tǒng)的技術(shù)框架就需要高級(jí)、合理。系統(tǒng)的架構(gòu)和算法高級(jí)與否，決定了系統(tǒng)從傳感器等監(jiān)測設(shè)備中收取的數(shù)據(jù)能否以最貼合使用需求的方式輔助“無人操控”的諸多需求。而系統(tǒng)的架構(gòu)和算法合理與否，則決定了系統(tǒng)是否能夠?yàn)闊o人農(nóng)場提供最為科學(xué)的決策支持。例如，高級(jí)、合理的系統(tǒng)可以有效根據(jù)農(nóng)場內(nèi)水稻種植區(qū)溫濕度的變化，自動(dòng)調(diào)整灌溉模式，還能夠基于以往的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，盡可能避免種植資源的浪費(fèi)。由此可見，滿足智能化決策支持的需求，是保障無人農(nóng)場水稻生長智能化管理完美閉環(huán)的必要步驟。

3? 現(xiàn)有水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)存在的問題

3.1? 技術(shù)精度與穩(wěn)定性的局限性

目前，水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)雖然已經(jīng)廣泛投入使用，但相關(guān)技術(shù)也存在非常明顯的局限性問題。而最主要的問題，就是感知技術(shù)的精度和技術(shù)應(yīng)用的穩(wěn)定性仍存在較大的升級(jí)空間。例如，部分溫濕度傳感器在長期投入使用時(shí)，一旦使用環(huán)境變化較大，或設(shè)備本身已經(jīng)面臨老化，調(diào)查數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生偏差。而錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對于無人種植而言是不容忽視的，一旦數(shù)據(jù)不準(zhǔn)將會(huì)誤判，相應(yīng)的就會(huì)導(dǎo)致水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量直接下滑。種植規(guī)模越大的農(nóng)場，受到的負(fù)面影響就越大。[4]這還可能導(dǎo)致國內(nèi)許多想要建設(shè)無人農(nóng)場的區(qū)域，因?yàn)榄h(huán)境信息感知技術(shù)在精度和穩(wěn)定性上的不足，放棄朝水稻種植現(xiàn)代化、無人化的方向發(fā)展。

3.2? 能耗與維護(hù)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)

水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)雖然能夠很好地提升現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)率，但其操作所需的高能耗及維護(hù)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)不容忽視。傳感器和相關(guān)設(shè)備不僅需要定期維護(hù)以確保精確性和可靠性，還必須持續(xù)供電以維持連續(xù)監(jiān)測，這在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)尤其突出。例如，大型無人農(nóng)場中的傳感器網(wǎng)絡(luò)需要消耗大量電力，而這些電力往往依賴于非可再生能源，這既增加了經(jīng)濟(jì)成本，還可能與可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)相悖。高維護(hù)成本包括技術(shù)人員的培訓(xùn)費(fèi)用、硬件更換及軟件升級(jí)，這些都需要持續(xù)的資金投入。因此，雖然這些感知技術(shù)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了創(chuàng)新，但其因高成本和能源需求也產(chǎn)生了必須解決的問題，以確保這些技術(shù)的長期可持續(xù)應(yīng)用，并支持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)性。

3.3? 系統(tǒng)集成和兼容性問題

系統(tǒng)集成和兼容性問題在于不同設(shè)備和系統(tǒng)間往往難以實(shí)現(xiàn)無縫對接，這在技術(shù)應(yīng)用中導(dǎo)致諸多實(shí)際操作困難。由于農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)眾多設(shè)備供應(yīng)商使用的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議各不相同，所以將新的傳感器或數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)整合進(jìn)現(xiàn)有的農(nóng)場管理架構(gòu)成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這種缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的情況阻礙了技術(shù)的有效整合，而且增加了技術(shù)調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)的復(fù)雜性。對農(nóng)場運(yùn)營者而言，這種集成難題往往意味著更高的時(shí)間和財(cái)務(wù)成本，而這些額外的負(fù)擔(dān)可能會(huì)抑制他們采納新技術(shù)的意愿。同時(shí)，系統(tǒng)的不兼容性也會(huì)限制技術(shù)的可擴(kuò)展性和靈活性，進(jìn)而影響農(nóng)場整體的運(yùn)營效率和生產(chǎn)力。

4? 無人農(nóng)場中水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)的改進(jìn)策略

4.1? 精確度與穩(wěn)定性的技術(shù)提升

為了提升無人農(nóng)場中水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)的精確度與穩(wěn)定性，應(yīng)采用高精度傳感器替換現(xiàn)有設(shè)備，從數(shù)據(jù)源頭提高測量的準(zhǔn)確性。

高精度傳感器的研發(fā)需要重視以下幾個(gè)關(guān)鍵問題。第一，如何提升傳感器對微小環(huán)境變動(dòng)的感知精準(zhǔn)度。對此，建議技術(shù)人員從物理設(shè)計(jì)和電子組件兩個(gè)方面同時(shí)入手，如使用現(xiàn)代化的高精尖材料并融合業(yè)內(nèi)最新的電子處理技術(shù)，有效提高傳感器測量的精準(zhǔn)度和對環(huán)境信息感知的響應(yīng)速度。目前，已經(jīng)有一些企業(yè)開始研究半導(dǎo)體材料和微機(jī)電技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用。第二，如何在信號(hào)處理方面提高傳感器的處理能力。這可以通過改進(jìn)數(shù)據(jù)處理的流程和去除過程中的噪聲干擾來實(shí)現(xiàn)。例如，使用更優(yōu)秀的芯片，配以數(shù)字濾波技術(shù)和自適應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境噪聲信息的實(shí)時(shí)校正和補(bǔ)償。第三，提升傳感器的環(huán)境適應(yīng)性，這可以通過改進(jìn)傳感器的封裝技術(shù)和環(huán)境防護(hù)措施來實(shí)現(xiàn)，如使用防水防塵材料和抗溫度波動(dòng)設(shè)計(jì)，以保護(hù)傳感器不受潮濕、灰塵或溫差的影響。

4.2? 能耗與維護(hù)成本的效率優(yōu)化

為了優(yōu)化高精度傳感器在能耗與維護(hù)成本的效率，技術(shù)升級(jí)應(yīng)集中在增強(qiáng)能效性和降低長期運(yùn)維需求方面。通過采用低功耗設(shè)計(jì)的電子組件，如使用低能耗的微處理器和傳感器芯片，可以顯著降低傳感器在持續(xù)運(yùn)行中的能源消耗。引入能效優(yōu)化的算法，如動(dòng)態(tài)電源管理和睡眠喚醒機(jī)制，也有助于在不活躍期間減少能量消耗。采用耐用的材料和設(shè)計(jì)可以延長傳感器的使用壽命，減少故障或損耗導(dǎo)致的維護(hù)和更換頻率。具體可以從物質(zhì)層面延長傳感器設(shè)備的使用壽命，使其能夠更好地應(yīng)對水稻種植環(huán)境的變化。除了要使用防水材料，還需要使用抗腐蝕的外觀材料。這樣一來，可以有效避免溫度驟降、肥料更換和噴灑農(nóng)藥對環(huán)境信息感知技術(shù)的影響作用，從長期角度有效降低傳感器的維護(hù)成本。最重要的就是必須開發(fā)出傳感器模塊中的自我監(jiān)控和自我診斷功能，這需要讓傳感器在處理環(huán)境變動(dòng)信息時(shí)，有余力去判斷自身是否面臨故障風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，傳感器需要配置自我預(yù)警能力，也就是能夠?qū)ξｋU(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判和通知，為管理者預(yù)留出處理的時(shí)間，進(jìn)而有效避免長時(shí)間的設(shè)備空置，同時(shí)降低設(shè)備維護(hù)和生產(chǎn)成本。

4.3? 系統(tǒng)集成與兼容性的加強(qiáng)措施

為了加強(qiáng)高精度傳感器的系統(tǒng)集成與兼容性，應(yīng)采用廣泛認(rèn)可的通信協(xié)議，如IEEE、USB、Bluetooth或Wi-Fi。這樣的標(biāo)準(zhǔn)化接口使傳感器能夠無縫集成到各種現(xiàn)有系統(tǒng)中，支持跨平臺(tái)數(shù)據(jù)交換和設(shè)備控制，從而提高其適應(yīng)不同技術(shù)環(huán)境的能力。同時(shí)，要想進(jìn)一步降低維護(hù)成本，傳感器應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)允許根據(jù)應(yīng)用需求靈活調(diào)整或升級(jí)功能模塊，而無需整體替換，這既簡化了系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)過程，也降低了長期的運(yùn)營成本。這可以通過與制作廠商長期合作，開發(fā)出高度集成的傳感器模塊化生產(chǎn)線，減少農(nóng)場在安裝和維護(hù)方面的流程消耗。整體來看，系統(tǒng)集成與兼容性的加強(qiáng)措施，可以直接從外圍提升系統(tǒng)應(yīng)用的整體效率，從而有效提升環(huán)境信息感知技術(shù)的實(shí)用性價(jià)值。

5? 結(jié)語

無人農(nóng)場中水稻生長環(huán)境信息感知技術(shù)必須基于現(xiàn)實(shí)需求，在準(zhǔn)度、穩(wěn)度、效率、成本和兼容性等方面持續(xù)革新。未來，隨著感知技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和集成能力的提高，可以預(yù)見這些技術(shù)將在全球糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)性方面發(fā)揮更加重要的作用。為了充分發(fā)揮其潛力，必須持續(xù)探索創(chuàng)新的技術(shù)解決方案和管理策略，以應(yīng)對不斷變化的全球農(nóng)業(yè)需求和環(huán)境挑戰(zhàn)。這將促進(jìn)無人農(nóng)場技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)也為全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型提供動(dòng)力。

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