孫樹莉

（天津市農(nóng)村社會事業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，天津 300000）

物聯(lián)網(wǎng)的提出、應(yīng)用與推廣給科技和社會發(fā)展帶來的變化比互聯(lián)網(wǎng)更加廣泛而深刻。2017年，全球物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備數(shù)量達(dá)84億臺，超過全球人口總數(shù)。預(yù)期物聯(lián)網(wǎng)市場到2025年將達(dá)11萬億美元[1]。我國物聯(lián)網(wǎng)也已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，2017年市場規(guī)模突破1萬億元，年增長率超過25%，預(yù)計(jì)2021年我國物聯(lián)網(wǎng)平臺支出將位居全球第一。2018年以來，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量仍保持強(qiáng)勁增長，智慧城市、智慧工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用快速拓展。2018年我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超1.2萬億元，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)收入較2017年增長了72.9%[2]。與其他領(lǐng)域相比，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更加基礎(chǔ)，也更貼近生活、環(huán)境和大眾健康。但是，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境、地理位置、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)力水平、資源分布、基礎(chǔ)條件和氣候變化的多樣性和復(fù)雜性，使農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨諸多挑戰(zhàn)[3]，因而本文將對主要的挑戰(zhàn)及其進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 傳感器創(chuàng)新研究問題

1.1 新型傳感器的研究與創(chuàng)新成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)最大挑戰(zhàn)

與工業(yè)和物流領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)相比，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對傳感器技術(shù)特別是電化學(xué)型生物傳感器的研究與創(chuàng)新依賴性更大?；瘜W(xué)與生物傳感器相結(jié)合可以模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行更為精確的預(yù)測[4-5]；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳感器用于農(nóng)業(yè)所獲得的數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控[6-7]；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于食品監(jiān)控或食品生產(chǎn)[8]；可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以用于臨床診斷、在線監(jiān)護(hù)[9-10]，還可以用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，如奶牛養(yǎng)殖場等。

為滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求，最新的研究越來越注重傳感器的小型或微型化、高連通性和可移動性，并借助本地云計(jì)算或霧計(jì)算提高計(jì)算能力，從而解決復(fù)雜運(yùn)算和大數(shù)據(jù)儲存、處理和傳輸問題。因此，更多的工程化預(yù)期進(jìn)入視野。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)出調(diào)度、功能優(yōu)化和實(shí)際運(yùn)營的關(guān)鍵取決于傳感器及其質(zhì)量、通量和穩(wěn)定性。雖然化學(xué)分析方法已經(jīng)得到充分發(fā)展，但是并不能滿足快速、連續(xù)、低成本、高特異性、高通量和網(wǎng)絡(luò)化的要求。物聯(lián)網(wǎng)邊界數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、歸一化、儲存和傳輸問題日益成為物聯(lián)網(wǎng)，特別是農(nóng)業(yè)、食品、保健品物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心和關(guān)鍵技術(shù)。Mayer等[11]針對這些問題發(fā)表綜述，認(rèn)為電化學(xué)、生物傳感器及其網(wǎng)絡(luò)化的研究與創(chuàng)新已經(jīng)成為相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建和發(fā)展的關(guān)鍵學(xué)科領(lǐng)域。

1.2 農(nóng)業(yè)、食品和環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中傳感器的解決方案

傳感器系統(tǒng)、需求和解決方案對于處理農(nóng)業(yè)、周邊環(huán)境、生態(tài)和食品生產(chǎn)、加工、質(zhì)量與安全檢測中所遇到的技術(shù)和工藝中的復(fù)雜問題和挑戰(zhàn)常常是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建與實(shí)施中最復(fù)雜和棘手的問題。從種植到餐桌，避免作物受蟲害和重大生態(tài)、氣象因素的影響，確保食品的質(zhì)量與安全等都需要傳感技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。整個農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和供應(yīng)鏈所遇到的問題與工業(yè)生產(chǎn)線基本相同，但是對傳感器的創(chuàng)新需求更加迫切。例如：環(huán)境監(jiān)控需要無標(biāo)記技術(shù)（labelfree technique），以免對環(huán)境造成污染，而對于物聯(lián)網(wǎng)來說，又需要長期的在線傳感能力；對于包裝食品，需要單一用途的傳感器分別檢測食品的包裝、食品的質(zhì)量與安全、新鮮度和風(fēng)味等多項(xiàng)指標(biāo)。與健康護(hù)理相比，物聯(lián)網(wǎng)往往不用考慮體內(nèi)傳感器的電源，但是對于包裝食品傳感器的種類和規(guī)模則有更高的要求。因此，這些傳感器必需便宜、耐用，并基于化學(xué)、物理、生物學(xué)檢測機(jī)制進(jìn)行工作。用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器則需要建立與計(jì)算技術(shù)配合的傳感系統(tǒng)，從而對傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行及時分析、儲存和傳輸，以便實(shí)現(xiàn)相關(guān)區(qū)域的環(huán)境監(jiān)控或預(yù)報(bào)[12-13]；Jang等[14]綜述了適合于信號加工的硬件和全部數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的邊界無線傳輸和監(jiān)控的解決方案。為此，Kassal等[15]最近提供了一個關(guān)于無線化學(xué)傳感器的解決方案，并對其進(jìn)行了綜述[15]。

1.3 全局性空氣污染和大規(guī)模農(nóng)業(yè)監(jiān)控

農(nóng)業(yè)依賴于區(qū)域和全局氣候條件以及自然生態(tài)系統(tǒng)，因而大規(guī)模環(huán)境監(jiān)控對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是一個非常重要的任務(wù)。新傳感器的概念比傳統(tǒng)概念有所擴(kuò)大，而且現(xiàn)代氣象預(yù)報(bào)的策略也被明顯拓展，加入了大量無人機(jī)對全球氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。Mandel等[16]、Gumus等[17]綜述了與鳥類研究相關(guān)的傳感器研究進(jìn)展。有學(xué)者將帶有GPS組件的傳感器安裝在鳥類身上[16]，研究鳥類的遷徙路線；在此基礎(chǔ)上發(fā)明了鳥類實(shí)驗(yàn)室（lab-on-abird），在鳥類飛行過程中檢測其生理?xiàng)l件[15]。雖然這些傳感器尚未用于氣候監(jiān)控，但是有望為區(qū)域和全局氣象數(shù)據(jù)的獲得開辟一條新的途徑?？山Y(jié)合現(xiàn)存的可穿戴傳感器（wearable sensors）檢測大氣壓[18]、橡膠應(yīng)變式傳感器（gumstrain sensor）測定濕度[19]或小規(guī)模濕度響應(yīng)材料測定濕度[20]。如果這些技術(shù)設(shè)備與鳥類傳感器相結(jié)合構(gòu)成“鳥類傳感器網(wǎng)絡(luò)”，通過無線通信將數(shù)據(jù)傳遞到云或地面分布站并進(jìn)行即時天氣預(yù)報(bào)，將可能替代無人機(jī)預(yù)報(bào)。對于更大范圍的氣象變化，也可以將傳感器安裝在野生或半野生動物身上，但是這需要對其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和抗干擾能力進(jìn)行校準(zhǔn)。這些信息有助于農(nóng)場或野外農(nóng)作物的耕作和栽培，也適合于更精確、及時的天氣預(yù)報(bào)。Li等[21]關(guān)注地面動物傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，并建議基于這類傳感器建立一類新的環(huán)境監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)。Johnson等[22]則重點(diǎn)關(guān)注整個生態(tài)系統(tǒng)中pH值的數(shù)據(jù)監(jiān)控，致力于利于自檢校pH傳感器設(shè)備建立一個敏感、全球性、從海洋表面到深海的pH監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并繪制出水生態(tài)和海洋生物分布圖。這些工作顯然需要自檢校特性，而且還需要不同環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目的新型傳感器。關(guān)于此類傳感器已經(jīng)開展了不少研究，如自檢校、滲透壓驅(qū)動海水硝酸鹽分析測定傳感器、具有長期（至少1個月）測定能力的傳感器等[23]。研究人員用相似的方法研制出可以長期（1年以上）檢測鐵離子并具有自檢校功能、適于深海環(huán)境檢測的傳感器，可以穩(wěn)定檢測1年以上[24]。Fritzsche等[25]應(yīng)用光學(xué)原理測定海水中氧氣、pH值和碳酸鹽，可以通過隔離濾網(wǎng)減少污染，并進(jìn)行長期測定。自由定標(biāo)（calibration-free）和自檢校傳感器已經(jīng)在環(huán)境傳感器領(lǐng)域成功使用?？傊@類自檢校、可長期使用的傳感器技術(shù)將對環(huán)境監(jiān)測、海洋生態(tài)、水產(chǎn)品養(yǎng)殖等相關(guān)農(nóng)業(yè)的數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供重要技術(shù)支撐。

1.4 當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)監(jiān)控

智能農(nóng)場建設(shè)需要對土壤、作物和其他植物進(jìn)行高精度監(jiān)控[26]，而且需要進(jìn)行準(zhǔn)確的產(chǎn)量預(yù)測。因此，需要將地上傳感系統(tǒng)在農(nóng)場范圍內(nèi)通過有線或無線連接成網(wǎng)絡(luò)，Ojha等[27]對此進(jìn)行了綜述。此外，農(nóng)業(yè)監(jiān)控還必須有完善的物聯(lián)網(wǎng)-樣機(jī)器系統(tǒng)、無人駕駛機(jī)械和智能機(jī)器人[28]。顯然，機(jī)器上須安裝完善的傳感器系統(tǒng)，而且傳感器表面要求抗各種污染，并相對持久耐用。土壤傳感器對于作物栽培也很重要，Harris等[29]對土壤傳感器進(jìn)行了綜述。印刷絲網(wǎng)電極已經(jīng)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用，可以測量并自動監(jiān)控土壤的鹽漬度、判斷是否需要灌溉等。因?yàn)檫@類傳感器最大測定距離只有30 cm，所以需要更多的傳感器連成網(wǎng)絡(luò)。溫室農(nóng)業(yè)由于空間有限，可以自動控制其環(huán)境條件并自我調(diào)整、自我校準(zhǔn)，整個管理系統(tǒng)需要逐漸實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化。這些也離不開更精細(xì)的傳感器系統(tǒng)，例如土壤中的營養(yǎng)元素[30]，如硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽或鉀鹽，特別是有機(jī)營養(yǎng)及各種營養(yǎng)的有效性精確測定和監(jiān)控。其中，針對電化學(xué)型傳感器，最需要解決的一個問題是離子之間的交叉反應(yīng)[31]。雖然硝酸根離子電極具有較高的選擇性，但是用電位測定型傳感器測定磷酸鹽仍有很多問題需要解決[32]。Johnson等[33]在海洋研究中發(fā)明了一種光學(xué)測定法，可以用來監(jiān)控深海熱泉周圍的硝酸鹽、溴化物和二硫化物，而且可以可靠檢測這3種化合物長達(dá)1年以上并具有很高的精度，同時能有效保護(hù)傳感器不被污染。針對傳感器漂移、信號（隨溫度）變化所造成的誤差，往往需要校準(zhǔn)，即通過光學(xué)測定法進(jìn)行校正，所得到的數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行歸一化處理、參數(shù)優(yōu)化。Awad等[34]研究表明，一個電位計(jì)印刷絲網(wǎng)傳感器（screen-printed sensor）可以長期穩(wěn)定地測定氰化物達(dá)半年?？紤]到土壤的固體性質(zhì)，針對地上和土壤內(nèi)傳感系統(tǒng)的研究還需要較長時間。無人監(jiān)控解決方案對作物產(chǎn)量、需求等重要參數(shù)評估[35]和產(chǎn)量預(yù)報(bào)也是很大的挑戰(zhàn)。

此外，調(diào)查植物對環(huán)境，如氣候和土壤效力的自發(fā)傳感作用也是研究的重要內(nèi)容。Oren等[36]發(fā)明了一種基于石墨烯的植物葉可穿戴傳感膜（graphenebased plant-leaf“wearable” sensor films），可以監(jiān)控水的轉(zhuǎn)運(yùn)過程、時間和規(guī)模，因而可以監(jiān)測單株植物對灌溉和營養(yǎng)的需求。這類傳感器還應(yīng)該具有綠色、可使用再生穩(wěn)定電源（小型、靈活、光伏電源）[37]、強(qiáng)度高、耐受不同天氣、抗機(jī)械擾動、不影響植物生長等特性，并且價格適中。Wang等[38]發(fā)明了一種人參根尖分生組織傳感器，可以穩(wěn)定超靈敏測定土壤中的有機(jī)和無機(jī)氮源。Zheng等[39]發(fā)明了一種三七根尖分生組織傳感器，可以超靈敏測定三七根系對有機(jī)和無機(jī)氮營養(yǎng)的傳感能力。這種根尖分生組織傳感器也適合于其他多種植物根系有機(jī)和無機(jī)氮營養(yǎng)的傳感與測定[40]。

1.5 家畜監(jiān)控

家畜的營養(yǎng)和健康狀態(tài)都相對容易監(jiān)控，例如通過上述可穿戴和可植入傳感器。通過物聯(lián)網(wǎng)可管理大量生產(chǎn)性動物，保證家畜健康，并通過預(yù)防措施減少抗生素的使用[41]。例如，Takase等[42]發(fā)明了一種無線傳感器系統(tǒng)，可以安裝在活魚體內(nèi)，監(jiān)控其膽固醇含量，以此作為魚免疫水平和生理狀態(tài)的指標(biāo)。該傳感器將一種典型的電化學(xué)型酶電極包裹在全氟磺酸保護(hù)層-酶-殼聚糖中，連接上一個微型恒壓電位器和一個線圈，通過固定波長的無線電信號傳輸?shù)叫盘柌杉?，從而?shí)現(xiàn)48 h連續(xù)測量。但是，這需要在信號質(zhì)量、消除環(huán)境干擾（溫度、pH值、溶氧等）、信號傳輸?shù)刂?、傳輸協(xié)議等方面進(jìn)行研究和優(yōu)化，同時需要考慮分子干擾和非特異性反應(yīng)等問題。此外，多點(diǎn)校準(zhǔn)（multipoint calibration）、時間間隔和長時間的穩(wěn)定性（1個月以上甚至1年以上）也是必須考慮的[43]。動物對傳感器的排斥反應(yīng)也是需要面對的挑戰(zhàn)，而且不同動物、不同年齡、不同季節(jié)可能會對測定有影響，還應(yīng)考慮相應(yīng)的成本是否合理[44]。最近更多的研究趨向于利用實(shí)用型傳感器和適用性算法對放牧型動物進(jìn)行監(jiān)控[45]，將傳感器安裝在成群的家畜或農(nóng)場動物身上[46]，適合遠(yuǎn)距離定位和大型牧場[47]。這樣的場景也要求大型傳感器網(wǎng)絡(luò)來整合多位點(diǎn)接受和傳遞的監(jiān)控信號。此傳感器網(wǎng)絡(luò)還可應(yīng)用于保護(hù)作物免遭動物踐踏[47]。上述例子都顯示，傳感器的連接和網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)處于應(yīng)用階段，但是面對不斷變化的環(huán)境條件，傳感器的校準(zhǔn)和長期穩(wěn)定使用等問題都需要盡快解決，以滿足智能農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)逐步推進(jìn)的需求。

1.6 加工和包裝食品傳感器

為保證食品加工前后、儲藏、運(yùn)輸以及消費(fèi)者食用過程中的質(zhì)量與安全，無線溫度和濕度傳感器已經(jīng)得到廣泛使用，其有利于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建與發(fā)展。例如：Le等[48]應(yīng)用無線溫度和濕度傳感器來監(jiān)控包裝蔬菜的新鮮度，集成了2種被動無線射頻識別（passive radio frequency identification，RFID）傳感器標(biāo)簽用于無內(nèi)部電源的情況，由30 cm范圍內(nèi)電磁場進(jìn)行無線電子標(biāo)簽讀取以替代電能。近年來，有很多研究都著手將此方法直接用來測定包裝食品的新鮮度和安全性。早期的工作主要是通過光學(xué)原理在微量滴定板中測定相關(guān)指標(biāo)，后來改為試紙條或薄膜，可以安裝在食品包裝里作為簡單的傳感器，方便讀取[49]，或者通過監(jiān)控相機(jī)讀取[50]。相似的方法是通過可逆比色測定胺、氨氣或其他小分子[51]。Yang等[52]設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)小型納米傳感器，測定食品的新鮮度。該傳感器由碳納米管柵場效應(yīng)晶體管（field effect transistor grid）和受體納米盤構(gòu)成，該受體對肉制品腐敗標(biāo)志成分尸胺敏感，當(dāng)傳感到生源胺時會引起電導(dǎo)率的改變。Liu等[53]應(yīng)用化學(xué)壓電電阻效應(yīng)傳感器測定生物胺作為肉或魚是否腐敗的標(biāo)志。這類傳感器可與上述RFID標(biāo)簽測定平臺聯(lián)用，或通過其他近場通信平臺（NFC based platform）與智能手機(jī)聯(lián)用讀取結(jié)果[54]，可以直接從市場上購買NFC標(biāo)簽加上一個化學(xué)傳感器進(jìn)行氣體傳感測定。在食品包裝中裝上胺傳感器的技術(shù)已經(jīng)獲得專利并投入生產(chǎn)。以智能手機(jī)為基礎(chǔ)的生物傳感器解決方案由Rateni等[55]提出，通過基于比色、試紙條的傳感器測定有機(jī)磷農(nóng)藥降解產(chǎn)物，在4℃條件下其半衰期可以達(dá)到60 d，這種傳感器比較適用于包裝食品[56]。Abad等[57]則在RFID標(biāo)簽上整合了一個氣體傳感器用于包裝食品的測定。他們將一個物理學(xué)（溫度、濕度和光）傳感器與一個化學(xué)氣體傳感器（金屬氧化物）相結(jié)合，用柔性基板與記憶器（kapton）組裝在一起，把上述傳感器與讀取、供能、傳輸功能結(jié)合在一起。農(nóng)業(yè)和食品的實(shí)際生產(chǎn)中往往需要集成多種傳感器，進(jìn)行多種測定才能真正實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，因而還需要進(jìn)一步加強(qiáng)新傳感器工藝及其集成研究。例如：上述氣體傳感器或電子鼻（electronic nose）與光譜學(xué)和無線 EF CMOS 發(fā)射器（wireless EF CMOS transmitter）相結(jié)合，用來測定呼氣中的乙醇。這些傳感器也可以經(jīng)過改良用于食品新鮮度監(jiān)控。

2 能源問題

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展給人類社會和生活帶來了革命性變化，但是物聯(lián)網(wǎng)及其設(shè)備的快速接入和運(yùn)行也給能源消耗帶來較大負(fù)擔(dān)。物聯(lián)網(wǎng)所支持的智能化、自動化、電氣化設(shè)備對各種能源的消耗必將快速增加[58]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)往往地處偏僻，供電系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性難以保證，這是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和其他物聯(lián)網(wǎng)相比最突出的難題和挑戰(zhàn)。雖然偏僻山區(qū)的供電線路安裝相對艱難，但是水力、風(fēng)力和光伏發(fā)電潛力具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。因此，依靠這些可再生、清潔能源解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的能源問題已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。目前，相關(guān)研究主要集中在2個方面，即節(jié)能型儀器設(shè)備的研發(fā)和光伏、風(fēng)力、水力發(fā)電及存儲。

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，光伏發(fā)電可以幫助人們實(shí)現(xiàn)傳感器和互聯(lián)網(wǎng)接入控制器供電的主要能源供應(yīng)。物聯(lián)網(wǎng)的邊界接入相對發(fā)展較慢，部分原因是所有這些邊界設(shè)備（edge device）依賴于周邊環(huán)境提供充足和穩(wěn)定的電力。Haight等[59]分析了光伏電能（photovoltaics，PV）作為這類設(shè)備的能源并幫助物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)這些功能的可能性。在偏僻地區(qū)，特別是山區(qū)，大規(guī)模地發(fā)展和連通有線電網(wǎng)輸電會遇到很多困難，即使能夠接入，其成本也會變得很高，從而嚴(yán)重影響了這些地區(qū)智能化設(shè)備的接入和使用，阻礙了其智能化發(fā)展。這些地區(qū)往往太陽能、風(fēng)能或生物能源相對豐富，其價格也比較低廉。要利用這些能源作為物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的動力，其穩(wěn)定性和持久性必須得到保證。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的電力供應(yīng)需要有加工、傳感和數(shù)據(jù)通信三大功能。例如，密歇根大學(xué)發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端邊界超低壓芯片 （ultralow-power chip）系統(tǒng)，其可以整合大多數(shù)功能和能量采集設(shè)施。有一種用于智能手機(jī)的超低壓處理器 （ultralow-power processor），其 1 MHz頻率開機(jī) 1 h 僅耗電 85 μW，處理器的有效功率消耗也只有CV 2F（C為電容量，V為處理器的操作電壓，F(xiàn)是時鐘頻率）。降低工作電壓具有很多好處，節(jié)能處理器可以在<400 mV、0.83 MHz的供電情況下運(yùn)行。監(jiān)控系統(tǒng)的時間周期常常設(shè)置為接收和傳送到節(jié)點(diǎn)的時間，其整體能量消耗只有6～8 mW，數(shù)據(jù)發(fā)出和接受頻率則在150 kb/s至4 Mb/s。無線射頻通信設(shè)備相對來說比較大（以厘米計(jì)），這主要是因?yàn)樗枰^大的天線。為了減少邊界設(shè)備的用電需求，一個集線系統(tǒng)（hub）帶有一個中心高功率發(fā)送器，只需要從邊界設(shè)備低功率的背面散射調(diào)制。雖然該邊界設(shè)備的發(fā)射功率大大降低，但是與其集線系統(tǒng)的分隔距離卻有限。智能邊界系統(tǒng)也可以加工本地?cái)?shù)據(jù)，減少與中心系統(tǒng)的通信量。網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建通常要能夠使邊界的集線器設(shè)備支持所需要的數(shù)據(jù)傳輸速率和距離等參數(shù)。目前的超低功耗設(shè)備（ultralow-power devices）可以傳輸幾米距離，需要一系列其他近距離的設(shè)備接轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)較長距離的數(shù)據(jù)傳輸。100 m以上的數(shù)據(jù)傳輸也可以使用，但是需要耗費(fèi)較大的電力用于數(shù)據(jù)加工和通信?？紤]到這些電力預(yù)算，需要進(jìn)行能量收集、電壓調(diào)節(jié)和能量儲存。因此，可以考慮將薄膜光伏器件與儲能介質(zhì)如電池組或超級電容器相結(jié)合。電池組具有明顯的恒定電壓優(yōu)勢，可以用于電化學(xué)測定，如電化學(xué)型傳感器。因?yàn)殡姵亟M隨電能的消耗并不改變電壓，所以作為調(diào)壓器還可以避免能量消耗所導(dǎo)致的電壓變化。對于小型智能傳感器設(shè)備，可以考慮底面積1 cm2、厚0.1 cm的空間安排電池，使用最大能量儲存為200 Wh/L的鋰離子電池即可，其耗電估值為數(shù)據(jù)儲存100 μW、傳感1 mW和數(shù)據(jù)傳輸5 mW。在間歇性操作時，處理器可以隨時喚醒進(jìn)行測定、儲存數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮照?，這樣可以節(jié)省電量。因此，邊界設(shè)備的超低電能操作對于構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)關(guān)鍵。傳感器的省電設(shè)計(jì)是減少用電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一個典型的例子是用電化學(xué)型傳感器監(jiān)控有毒氣體的濃度或大氣污染情況：傳感器一般由微型電化學(xué)電池供能，其拉動電流為100～500 μA、電壓為1～2 V。其總體電能消耗取決于操作的連續(xù)性（如監(jiān)控一氧化碳的濃度）或監(jiān)控周期性（例如戶外空氣的臭氧含量）。對絕大多數(shù)傳感器來說，其電量需求分布在100 μW至1 mW，依傳感目標(biāo)而定。邊界設(shè)備及其與近端設(shè)備的傳輸數(shù)據(jù)，或者具有信息分析功能的中心集線器（hub）也是省電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。有一系列的通信模塊其操作接近1 V，但是在價格和距離分布上有所不同。光學(xué)傳遞數(shù)據(jù)方式可通過在毫瓦水平上調(diào)節(jié)一個紅外發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)，不過距離有限；垂直腔面發(fā)射激光器（vertical-cavity surfaceemitting lasers）是高度定向并可以長距離通信的方式，但是其操作需要數(shù)毫瓦電量；還有通信模式涉及射頻傳輸（radio-frequency，RF），用于超低耗電操作（5 mW），其間歇性操作每天耗電量僅為其他設(shè)備耗電量的1/72。實(shí)際上，部署在野外的系統(tǒng)一般至少要用1年以上。分析表明，野外部署物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會使耗電量急速提升。作為無處不在的能源，光是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一個最佳選擇。我國光伏產(chǎn)業(yè)的國際先進(jìn)地位已經(jīng)為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。光伏電池（PV cells）對光的吸收和儲存具有低價、高效的特點(diǎn)，有可能成為野外應(yīng)用、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)控最重要的臨近可再生能源（圖1）。薄膜光伏電池（thin-film PV）只有2～3 μm的厚度，僅為300 μm硅片的1%。當(dāng)然，還可以考慮選擇薄膜光伏設(shè)備與電池合并，當(dāng)光伏設(shè)備所產(chǎn)生的電壓在其最大功率點(diǎn)（maximum power point，V mpp）以上時給電池充電。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的電壓（開路電壓）和光伏設(shè)備的最大電壓在陽光充足的條件下，定義為1 sun，即吸收太陽能1.5～100.0 mW/cm2的電池充電量。電池充電必須在廣泛吸收太陽能的條件下，其挑戰(zhàn)在于以光伏為基礎(chǔ)的能量采集。典型的熒光約可產(chǎn)生10-3suns。在如此低的光照水平，電池的分流電阻（shunt resistance）至少達(dá)到一個標(biāo)準(zhǔn)才可以產(chǎn)生足夠電壓實(shí)現(xiàn)電池充電。PV吸收與光能吸收之間能帶間隙的最優(yōu)化是另一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。把一系列電池串聯(lián)在一起可實(shí)現(xiàn)較高電壓，其頂端光伏電池帶有一個較大的能帶間隙，而底部的電池帶有較小的能帶間隙。真正的自供電、智能計(jì)算機(jī)和傳感器提供網(wǎng)絡(luò)通信和信息收集功能可以適應(yīng)地球上的任何地方。當(dāng)然，其也可以幫助人們很好地控制周圍環(huán)境，使之更加高效和可持續(xù)。

針對傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測小概率事件，如火災(zāi)等突發(fā)事件，要求安裝既敏感又有選擇性的傳感器，以防忽略或者傳遞假警告。應(yīng)用通常的傳感器和電信號采集、加工和傳遞就必須具備持續(xù)監(jiān)視和精細(xì)識別的能力，往往需要以相當(dāng)穩(wěn)定的電源供電。但是，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，供電往往難以保持長期穩(wěn)定，成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)必須面對并盡快解決的問題[60]。為解決這一難題，Qian等[61]于 2017年在 Nature Nanotechnology上報(bào)道了一種新設(shè)計(jì)的傳感器。這種傳感器可以將微機(jī)械信號傳遞并加到一個紅外光傳感器上，從而實(shí)現(xiàn)高敏感和高波長選擇性，并且不消耗電能。該傳感器可以在中紅外光譜區(qū)（mid-infrared region of the optical spectrum）操作，以輻射能驅(qū)動一個微機(jī)械中繼器進(jìn)行測定，提供數(shù)字化信號開關(guān)并輸出電信號。該傳感器在不工作時消耗的能量接近0，直到被特異性物理信號喚醒。他們證明由等離子體增強(qiáng)微機(jī)械光開關(guān)（plasmonically enhanced micromechanical photoswitches，PMPs）組成的紅外數(shù)字化傳感器可以選擇性接受精確設(shè)計(jì)的待測光譜電磁能沖擊，在兩個電觸點(diǎn)之間機(jī)械性地產(chǎn)生一個導(dǎo)電電路，無須任何外加電源。這種零功率數(shù)字化傳感器（zero-power digitizing sensor）樣機(jī)可以產(chǎn)生一個數(shù)字化輸出比特（output bit），即從關(guān)到開（off-to-on）的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，當(dāng)接觸到900 nm以內(nèi)特異性狹窄中紅外波長（bandwidth in the mid-infrared）且功率閾值（power threshold）在500 nW以內(nèi)照射時，其開關(guān)電導(dǎo)比（on/off conductance ratio）>1012，其閾下斜率（subthreshold slope）>9 dec/nW，在此條件下現(xiàn)有的光電開關(guān)技術(shù)皆不能實(shí)現(xiàn)。

3 網(wǎng)絡(luò)帶寬和連接問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，上網(wǎng)設(shè)備成級數(shù)上升，互聯(lián)網(wǎng)允許接入能力[包括邊界智能，可重構(gòu)智能界面，水、陸、空通信，太赫茲通信（terahertz communications），超信度和低延時通信，海量數(shù)據(jù)處理傳輸和區(qū)塊鏈等]給物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)[62]。然而，智能設(shè)備的快速增長和擴(kuò)張，特別是物聯(lián)網(wǎng)對5G技術(shù)產(chǎn)生了巨大的挑戰(zhàn)，甚至使5G技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足物聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展的需求，例如完全自動化、超大規(guī)模、高動力和完全智能化服務(wù)等。自動化的快速增長和智能化物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)似乎已經(jīng)超出了5G的無線通信能力。此外，新物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的出現(xiàn)和應(yīng)用，例如遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)、智能飛行器、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器等，都需要高于5G的系統(tǒng)才能改善物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的運(yùn)行和商業(yè)化服務(wù)[63]。如何抓住第六代移動通信技術(shù)（6G）給物聯(lián)網(wǎng)帶來的發(fā)展機(jī)遇[64]已經(jīng)擺在人們的面前。由于6G技術(shù)與5G技術(shù)相比具有極其優(yōu)越的特性，預(yù)期可以提供全新的服務(wù)質(zhì)量，帶給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)用戶更精彩的體驗(yàn)，例如超低延時、極高流量、以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的服務(wù)，支持規(guī)模更大、自動化更好的網(wǎng)絡(luò)等[65-67]。6G通信技術(shù)將會大大加快物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展，包括數(shù)據(jù)傳感、設(shè)備連接、無線通信和6G網(wǎng)絡(luò)操作等。6G-物聯(lián)網(wǎng)的巨大潛力定將刺激各國政府的資金投入以及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家加入這一熱門領(lǐng)域的研究。例如：芬蘭已經(jīng)資助了第一個6G項(xiàng)目，并稱之為“創(chuàng)世紀(jì)”，計(jì)劃構(gòu)建世界上第一個6G-物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)研究平臺。諾基亞也已經(jīng)啟動“Hexa-X計(jì)劃”。一個新歐洲6G旗艦研究所于2021年1月1日成立，目的是發(fā)展未來的6G系統(tǒng)和人類、物理和數(shù)字化世界的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并與著名的歐洲網(wǎng)絡(luò)商、通訊服務(wù)器提供者以及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作。此外，美國聯(lián)邦通信委員會也已經(jīng)公開了他們的太赫茲譜帶，且允許研究者和工程師通過移動通信系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)6G功能[68]。由此可見，6G通信技術(shù)可以為工業(yè)、交通、物流等物聯(lián)網(wǎng)提供更優(yōu)質(zhì)的通信平臺。此外，其通信衛(wèi)星組網(wǎng)方式[69]可以彌補(bǔ)地面組網(wǎng)所造成的中轉(zhuǎn)站和地理問題，為未來的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了新契機(jī)。圖2是6G通信技術(shù)可能對物聯(lián)網(wǎng)的支撐所用示意圖。

4 投資問題

雖然農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展是我國全面發(fā)展的基礎(chǔ)，但是其投資需求巨大，僅靠廣大農(nóng)村財(cái)政和農(nóng)民難以解決資金問題，需要國家的引領(lǐng)和支持。除此之外，民營企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)，特別是民間投資也為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了資金。我國農(nóng)村和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)達(dá)國家相比依然比較落后，生產(chǎn)效率較低，地理?xiàng)l件、生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，人均可耕地面積小、差異大。同時，我國也有很多自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，例如物產(chǎn)種類繁多、特色農(nóng)產(chǎn)品豐富，特別是小雜糧、水果、蔬菜、保健食品以及中草藥等資源豐富，具有各民族民俗、文化背景的飲食文化底蘊(yùn)深厚，旅游觀光資源得天獨(dú)厚，這些都具有不可估量的發(fā)展空間。但是，很多“老、少、邊、窮”農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)落后，通信和交通不便，因而特色優(yōu)勢難以充分發(fā)揮，其資源難以得到開發(fā)利用，更無法走出大山、惠及全國甚至走向世界。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為解決這些難題提供了機(jī)遇。在各級政府的引領(lǐng)下，民營企業(yè)及其投資有可能成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主要投資者和發(fā)展主體，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的跨越式發(fā)展。

5 科技創(chuàng)新和技術(shù)培訓(xùn)問題

我國農(nóng)村人均耕地面積少，集約化生產(chǎn)和經(jīng)營程度不高，大量農(nóng)民進(jìn)城務(wù)工，有限的耕地由老、弱、病、殘、婦進(jìn)行耕種，其大多數(shù)年齡偏大、文化技術(shù)水平偏低，接受科技、文化培訓(xùn)的能力弱?？梢姡悄芑r(nóng)業(yè)發(fā)展的人才培養(yǎng)或培訓(xùn)主體只能定位為高等教育和農(nóng)業(yè)企業(yè)，而不是留村農(nóng)民。工人的科技文化水平同樣取決于受教育程度。當(dāng)今世界科技不斷發(fā)展與進(jìn)步，特別是信息技術(shù)日益普及和發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新和發(fā)展不僅使人類處在同一個 “地球村”，各學(xué)科之間的互相滲透、互相融合成為大勢所趨。因此，任何一個人都不可能成為“通才”，只能成為某一個技術(shù)領(lǐng)域的專門人才。面對互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和智能化發(fā)展的新形勢，農(nóng)業(yè)科技和創(chuàng)業(yè)人才培訓(xùn)面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

6 結(jié)語

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在給人們帶來前所未有的機(jī)遇的同時，也面臨著科技創(chuàng)新發(fā)展、投資和能源等挑戰(zhàn)。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建與發(fā)展過程中，有關(guān)平臺和層次構(gòu)建方面與工業(yè)、交通物流和市場化運(yùn)營等相似，不同之處主要在于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層需要種類更多、性能更穩(wěn)定、價格更低廉、更節(jié)能的傳感器。除了光學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)傳感器以外，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層對生物傳感器有很強(qiáng)的依賴性，這也是生物傳感器創(chuàng)新和應(yīng)用研究的最大挑戰(zhàn)。在能源問題上，隨著智能儀器、設(shè)備的海量接入，能量消耗也與日俱增。與其他物聯(lián)網(wǎng)相比，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所面對的主要挑戰(zhàn)在于野外和偏僻環(huán)境輸電和能量供應(yīng)的穩(wěn)定性問題。農(nóng)村能源也有一定的優(yōu)勢，如在光伏、水力、風(fēng)力和生物質(zhì)能源方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，但是要實(shí)現(xiàn)這些能源的開發(fā)和利用，特別是長期、穩(wěn)定地用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還需要大量的科技創(chuàng)新與應(yīng)用研究。另外，由于我國農(nóng)村科技發(fā)展相對滯后，經(jīng)濟(jì)上欠發(fā)達(dá)，留守婦女、兒童、老年人居多且文化素質(zhì)不高，青壯年多數(shù)進(jìn)城務(wù)工，這些現(xiàn)狀也成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)。這些難題的解決不僅需要大中專院校、科研院所等機(jī)構(gòu)對物聯(lián)網(wǎng)人才進(jìn)行培養(yǎng)和教育，更需要各級政府和民營資金、外資、創(chuàng)業(yè)投資和風(fēng)險(xiǎn)投資的介入，興建現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，并負(fù)起科技培訓(xùn)的艱巨任務(wù)和社會責(zé)任。隨著我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建、完善、發(fā)展與推廣應(yīng)用，一個可持續(xù)、科學(xué)的智能型農(nóng)業(yè)體系將會逐步形成，與此同時，相應(yīng)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化也將成為最熱門的領(lǐng)域。