劉超 盛洪利 于雯

摘? 要：基于無人農場的水稻生長環(huán)境信息感知技術，是一種能夠利用高質量傳感器和狀態(tài)交互技術，準確調控土壤溫度、濕度及其他狀態(tài)值，來有效監(jiān)測水稻生長環(huán)境、提升水稻生產效率、質量的優(yōu)秀技術，在國內外都得到了廣泛的應用。但眼下這類技術的應用雖然可有效優(yōu)化水稻的生長條件，但現(xiàn)有技術仍然在精度、成本以及系統(tǒng)集成這三方面存在不足，需要持續(xù)對技術精度、能耗體系、系統(tǒng)集成進行優(yōu)化升級，以此來進一步提高無人農場中水稻生長環(huán)境信息感知技術的整體水平，確保無人水稻種植技術可更符合農業(yè)生產的實際需要。

關鍵詞：無人農場；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：S-1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A文章編號：1673－6737（２０24）03－００76－０3

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

1? 主流水稻生長環(huán)境信息感知技術概述與應用現(xiàn)狀

當前，水稻生長環(huán)境信息感知技術在無人農場的應用已成為現(xiàn)代農業(yè)技術的一個重要分支。

這些技術主要包括土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器等。在國內外的無人農場中，這些傳感器已被廣泛部署，通過收集關鍵的環(huán)境數(shù)據(jù)，輔助農業(yè)管理者做出更為科學的決策。[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、適用于精細灌溉管理的Decagon 10HS Moisture Sensor，可為農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，能夠測量光強度、幫助調節(jié)作物的光照需求的Apogee Instruments Quantum Sensors。

在國內，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。這些傳感器通常具有高精度、穩(wěn)定性和耐腐蝕性等特點，能夠滿足無人農場對土壤濕度精確監(jiān)測的需求。溫度傳感器有松導、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。而這些技術的最大特點和優(yōu)勢，就是能夠實時監(jiān)測和調控農作物生長的關鍵環(huán)境因素，從而優(yōu)化作物的生長條件和提高農作物的產量及品質。例如，在歐美國家，類似技術的應用既提高了作物產量，還實現(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全流程、全覆蓋的無人化農場，并依托在農業(yè)生產中布置的各種傳感器和無線通信網絡，就可以隨時掌握農場各項信息，讓農民“足不出戶”管理好農田。然而，盡管這些技術帶來了諸多好處，但其應用也存在一些局限性，這些局限性使當前信息感知技術還無法廣泛應用。[2]

2 無人農場中水稻生長環(huán)境信息感知技術的需求分析

在無人農場中，水稻生長環(huán)境信息感知技術的需求主要有三個，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時環(huán)境數(shù)據(jù)的具體需求。之所以產生這一需求，是因為水稻生長要想出產量、有質量，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絡，這樣無人農場才能真正實現(xiàn)對生長環(huán)境信息的有效采集。從而讓農場管理者可以更高效及時地調整水稻種植計劃，并隨時調整水稻生長環(huán)境的溫濕度狀態(tài)。[3]可見，環(huán)境監(jiān)測需求是無人農場中水稻生長環(huán)境維護的首要步驟，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，其可以直接影響農場管理系統(tǒng)的效率和決策質量。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、光照傳感器等設備中準確記錄關鍵環(huán)境參數(shù)，并保證這些數(shù)據(jù)能在監(jiān)測點之間實時傳輸至中央處理系統(tǒng)進行即時分析。這一流程對數(shù)據(jù)傳輸技術的要求極高，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生錯誤，這對于精細調控水稻的生長條件和及時響應環(huán)境變化至關重要。因此，構建一個高效且可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，不僅是提升無人農場自動化和智能化水平的基石，更是確保水稻能在最佳生長環(huán)境中高效生長的關鍵技術支持。通過這樣的系統(tǒng)，無人農場能夠實現(xiàn)對水稻生長條件的精確管理，從而優(yōu)化產出并提高農業(yè)生產的可持續(xù)性。

第三，智能化決策支持需求。對這一需求的理解，可以從另一個角度出發(fā)。也就是將“需求”看作一個系統(tǒng)。智能化決策的整個過程，就是一個行動系統(tǒng)。而系統(tǒng)想要流暢、高效，那么支撐系統(tǒng)的技術框架就需要高級、合理。系統(tǒng)的架構和算法高級與否，決定了系統(tǒng)從傳感器等監(jiān)測設備中收取的數(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)的架構和算法合理與否，則決定了系統(tǒng)是否能夠為無人農場提供最為科學的決策支持。例如，高級、合理的系統(tǒng)可以有效根據(jù)農場內水稻種植區(qū)溫濕度的變化，自動調整灌溉模式，還能夠基于以往的調整經驗，盡可能避免種植資源的浪費。由此可見，滿足智能化決策支持的需求，是保障無人農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)境信息感知技術存在的問題

3.1? 技術精度與穩(wěn)定性的局限性

目前，水稻生長環(huán)境信息感知技術雖然已經廣泛投入使用，但相關技術也存在非常明顯的局限性問題。而最主要的問題，就是感知技術的精度和技術應用的穩(wěn)定性仍存在較大的升級空間。例如，部分溫濕度傳感器在長期投入使用時，一旦使用環(huán)境變化較大，或設備本身已經面臨老化，調查數(shù)據(jù)就會產生偏差。而錯誤數(shù)據(jù)對于無人種植而言是不容忽視的，一旦數(shù)據(jù)不準將會誤判，相應的就會導致水稻的產量和質量直接下滑。種植規(guī)模越大的農場，受到的負面影響就越大。[4]這還可能導致國內許多想要建設無人農場的區(qū)域，因為環(huán)境信息感知技術在精度和穩(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? 能耗與維護的經濟負擔

水稻生長環(huán)境信息感知技術雖然能夠很好地提升現(xiàn)代農業(yè)的生產率，但其操作所需的高能耗及維護的經濟負擔不容忽視。傳感器和相關設備不僅需要定期維護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)模應用時尤其突出。例如，大型無人農場中的傳感器網絡需要消耗大量電力，而這些電力往往依賴于非可再生能源，這既增加了經濟成本，還可能與可持續(xù)發(fā)展的目標相悖。高維護成本包括技術人員的培訓費用、硬件更換及軟件升級，這些都需要持續(xù)的資金投入。因此，雖然這些感知技術為農業(yè)生產帶來了創(chuàng)新，但其因高成本和能源需求也產生了必須解決的問題，以確保這些技術的長期可持續(xù)應用，并支持農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的經濟和環(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備和系統(tǒng)間往往難以實現(xiàn)無縫對接，這在技術應用中導致諸多實際操作困難。由于農業(yè)技術領域內眾多設備供應商使用的標準和協(xié)議各不相同，所以將新的傳感器或數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)整合進現(xiàn)有的農場管理架構成為一項挑戰(zhàn)。這種缺乏標準化的情況阻礙了技術的有效整合，而且增加了技術調試、維護和升級的復雜性。對農場運營者而言，這種集成難題往往意味著更高的時間和財務成本，而這些額外的負擔可能會抑制他們采納新技術的意愿。同時，系統(tǒng)的不兼容性也會限制技術的可擴展性和靈活性，進而影響農場整體的運營效率和生產力。

4? 無人農場中水稻生長環(huán)境信息感知技術的改進策略

4.1? 精確度與穩(wěn)定性的技術提升

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

高精度傳感器的研發(fā)需要重視以下幾個關鍵問題。第一，如何提升傳感器對微小環(huán)境變動的感知精準度。對此，建議技術人員從物理設計和電子組件兩個方面同時入手，如使用現(xiàn)代化的高精尖材料并融合業(yè)內最新的電子處理技術，有效提高傳感器測量的精準度和對環(huán)境信息感知的響應速度。目前，已經有一些企業(yè)開始研究半導體材料和微機電技術的協(xié)同應用。第二，如何在信號處理方面提高傳感器的處理能力。這可以通過改進數(shù)據(jù)處理的流程和去除過程中的噪聲干擾來實現(xiàn)。例如，使用更優(yōu)秀的芯片，配以數(shù)字濾波技術和自適應算法，實現(xiàn)對環(huán)境噪聲信息的實時校正和補償。第三，提升傳感器的環(huán)境適應性，這可以通過改進傳感器的封裝技術和環(huán)境防護措施來實現(xiàn)，如使用防水防塵材料和抗溫度波動設計，以保護傳感器不受潮濕、灰塵或溫差的影響。

4.2? 能耗與維護成本的效率優(yōu)化

為了優(yōu)化高精度傳感器在能耗與維護成本的效率，技術升級應集中在增強能效性和降低長期運維需求方面。通過采用低功耗設計的電子組件，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)運行中的能源消耗。引入能效優(yōu)化的算法，如動態(tài)電源管理和睡眠喚醒機制，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計可以延長傳感器的使用壽命，減少故障或損耗導致的維護和更換頻率。具體可以從物質層面延長傳感器設備的使用壽命，使其能夠更好地應對水稻種植環(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、肥料更換和噴灑農藥對環(huán)境信息感知技術的影響作用，從長期角度有效降低傳感器的維護成本。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)境變動信息時，有余力去判斷自身是否面臨故障風險。同時，傳感器需要配置自我預警能力，也就是能夠對危險進行預判和通知，為管理者預留出處理的時間，進而有效避免長時間的設備空置，同時降低設備維護和生產成本。

4.3? 系統(tǒng)集成與兼容性的加強措施

為了加強高精度傳感器的系統(tǒng)集成與兼容性，應采用廣泛認可的通信協(xié)議，如IEEE、USB、Bluetooth或Wi-Fi。這樣的標準化接口使傳感器能夠無縫集成到各種現(xiàn)有系統(tǒng)中，支持跨平臺數(shù)據(jù)交換和設備控制，從而提高其適應不同技術環(huán)境的能力。同時，要想進一步降低維護成本，傳感器應采用模塊化設計，這種設計允許根據(jù)應用需求靈活調整或升級功能模塊，而無需整體替換，這既簡化了系統(tǒng)的維護和升級過程，也降低了長期的運營成本。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線，減少農場在安裝和維護方面的流程消耗。整體來看，系統(tǒng)集成與兼容性的加強措施，可以直接從外圍提升系統(tǒng)應用的整體效率，從而有效提升環(huán)境信息感知技術的實用性價值。

5? 結語

無人農場中水稻生長環(huán)境信息感知技術必須基于現(xiàn)實需求，在準度、穩(wěn)度、效率、成本和兼容性等方面持續(xù)革新。未來，隨著感知技術的持續(xù)進步和集成能力的提高，可以預見這些技術將在全球糧食安全和農業(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)新的技術解決方案和管理策略，以應對不斷變化的全球農業(yè)需求和環(huán)境挑戰(zhàn)。這將促進無人農場技術的進一步發(fā)展，同時也為全球農業(yè)生產模式的轉型提供動力。

參考文獻：

[1] 陳懷林.基于情境感知的智慧農場系統(tǒng)交互設計研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2023.

[2] 房可.基于視覺感知的智慧農場物聯(lián)網系統(tǒng)研究[D].武漢：華中師范大學，2023.

[3] 尹彥鑫，孟志軍，趙春江，等.大田無人農場關鍵技術研究現(xiàn)狀與展望[J].智慧農業(yè)（中英文），2022，4（4）：1-25.

[4] 柴世豪.基于物聯(lián)網的智慧農場管理系統(tǒng)[D].太原：中北大學，2022.