聊一聊智慧农业中，那些风格迥异的传感技术

图源：macrovector/freepik.com

智慧农业

国际粮农组织在2022《世界粮食安全和营养状况》报告中提到，2021年全球受饥饿影响的人数已经增加到8.28亿人。令人忧心的是，生活在地球上的人口总数还在不断攀升，根据联合国的数据，到2050年，世界人口预计将达到97亿。而受极端天气、土壤恶化、土地干燥和生态系统崩溃等影响，粮食生产正变得越来越复杂和困难。眼下有没有办法破解这一困境呢？

答案是：智慧农业的蓬勃发展让我们看到了希望。

什么是智慧农业？

智慧农业是指利用先进的技术和更多的数据来提高农业生产效率的系统。简单地说，智慧农业不仅能够大幅提高农业生产力，解决粮食需求等农业问题，还能使现在的农场或农庄更加智能。因此，Statista预测，预计到2026年，全球智慧农业的市场价值将达到约340亿美元。

物联网（IoT）是一种发展迅猛的现代技术，从零售业、制造业、运输业到航空业，全球许多行业都在充分利用物联网，当然，农业也不例外。随着物联网在农业中的应用不断扩大，人类和整个地球的生活都将发生质的变化。专家估计，到2022年，农业物联网市场预计将达到231.4亿美元，未来几年有望部署7,500万个用于农业目的的物联网系统。

对精准农业和智慧农业的需求不断增加，是物联网成为农业必备技术的诱因。现在，越来越多的农业公司和农民正在采用物联网技术和智慧农业系统来提高产量。联合国的数据显示，2010年至2050年间，预计全球农业产量将增长69%。结合了物联网技术和解决方案的智慧农业，通过实时现场数据收集、数据分析和控制机制的部署，大幅提高了农业运营效率，成为提高农产品产量的助推剂。

在智慧农业领域，我们经常会听到精准农业这个词语。精准农业的目的是为农民提供现代化的农业管理方式，涉及利用信息技术进行高度精确和受控的农业生产，不仅提高了生产力，还能有效改善作物和土壤质量。精准农业的实施主要通过物联网传感器收集和分析有关土壤和作物状况的数据，然后，农民利用这些数据和信息来决定何时种植和收获特定作物，作物需要多少水等。如今，精准农业正在成为发达国家最具影响力的农业发展趋势，市场价值预计也将从2021年的67.3亿美元增长到2027年的144.4亿美元。

物联网：建立智慧农业的关键要素

智慧农业系统的一些常见元素包括：用于跟踪和管理土壤状况、湿度、温度、污染水平和其他参数的物联网设备；用于传输现场收集数据的蜂窝、LoRa和Wi-Fi等连接技术；专用软件；位置跟踪系统；操作自主设备或无人机的机器人；数据分析服务等。

在实际应用中，从精准农业、畜牧业到智能温室自动化，几乎任何智慧农业技术都是基于物联网设备而建立的。与其他行业一样，物联网在农业中的应用实现了以前难以获得的高效率、资源和成本的降低。在此过程中，传感器数据分析推动了农业生产过程的透明度，并为农民提供了关于土壤和环境等各项参数，仅凭田间土壤传感器，农民就可以管理他们现有的资源，使总收入增加近20%。

智慧农业中的传感技术

我们今天谈论的农业物联网，通常是指将传感、自动化和分析技术添加到现代农业的生产过程。传感器在这场技术革命中发挥着至关重要的作用。

农业中使用的物联网传感器种类繁多，它们常常被用来探测大气和土壤的温湿度、光照情况、二氧化碳含量、田地位置、土壤成分等。这些传感器被安装在整个田地、基于物联网的监测系统、智慧农业设备以及农业气象站上。来自不同传感器的数据组合使农民能够建立作物模型，预测作物在给定条件下的生长方式，整合精准农业实践，制定收割策略等。

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位置传感

精准定位是精准农业的基础，使用来自GPS卫星的信号获得的纬度、经度等数据能准确地确定田地所处的位置，当使用自动化机械耕种田地时，设备中配备的自动引导系统可轻松优化田地路线，减少完成任务所需的时间。在农业机械中，用于植物种植和收割的设备和车辆在其高精度车辆制导系统中也会采用GPS传感技术。当然，GPS传感技术也可以用来对饲养的牲畜进行跟踪和监测。在实际应用中，对一个位置进行三角测量时至少需要三颗卫星。

u-blox公司的ZED-F9T全球导航卫星系统（GNSS）模块采用了多频段射频前端架构，将F9多频段平台集成在一个22毫米x17毫米的小型表面安装器件中，支持所有四个主要的全球导航卫星系统，如GPS、伽利略、GLONASS和北斗。这些多频段GNSS模块提供5ns（1西格玛）的定时精度，且以超低功耗工作。ZED-F9T模块具有可同时接收和跟踪多个GNSS系统的GNSS接收器，工作电压范围为-0.5V至3.6V，输出电流为100mA。

图1：u-blox公司ZED-F9T全球导航卫星系统模块

（来源：u-blox）

日本Nisshinbo公司的NJG115xP前端模块（FEM）专为全球导航卫星系统设计，包括GPS、GLONASS、北斗和伽利略应用。该器件可以在1.5V至3.3V的电压范围内工作。其中，NJG1157PCD主要针对GPS和GLONASS应用而设计，该FEM具有高增益、低噪声系数、高线性度和高带外抑制特性，这些特性由高性能前置SAW滤波器、低噪声放大器（LNA）和post-SAW滤波器支持。

图2：NJG1157PCD简单易用，只需两个外部元件

（来源：Nisshinbo）

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温/湿度传感

温/湿度传感器在智慧农业的两个关键应用中都发挥着重要作用，一是土壤温/湿度检测，另一个是环境条件监测。土壤温/湿度是地下植物生长活动的一个重要因素，它能直接影响根系的生长和呼吸。物联网温度传感器可以通过测量空气温度和其他因素来估计土壤温度，也可以使用埋在土壤中的探针进行准确的测量。

ADI公司的数字温度传感器DS18B20能提供9位至12位摄氏温度测量，具有用户可编程的上下触发点报警功能。传感器的分辨率可由用户配置为9、10、11或12位，分别对应0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃的增量。通电时的默认分辨率为12位。DS18B20具有独特的1-wire接口，与中央微处理器进行通信只需要一条数据线路（和接地）。每个DS18B20都有一个唯一的64位串行代码，允许多个DS18B20在同一条单线总线上工作。因此，使用一个微处理器即可控制分布在大面积上的许多DS18B20。此外，DS18B20还能直接从数据线上获得电源（“寄生电源”），无需外部电源。

图3：DS18B20可从数据线上直接获得寄生电源，无需外部供电（来源：ADI）

土壤的含水量可以使用带电极的埋入式探针进行监测，从而实现高效、无浪费的灌溉。TE公司的HTG3500系列为即插即用型温湿度传感器，专为需要可靠精确测量的应用而设计，尤其适用于要求低功耗和严苛的应用。产品采用湿度线性电压输出和直接NTC输出，可直接与微控器连接。

图4：HTG3500系列温湿度传感器

（来源：TE）

Amphenol公司的T9501是一款IP67级湿度和温度传感器，基于电容聚合物传感器芯片，为几乎任何类型的恶劣环境应用提供了先进、经济高效的温湿度传感解决方案。

图5：Amphenol公司T9501湿度和温度传感器

（来源：Mouser）

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土壤成分探测

土壤中的营养物质对植物的生长起到决定性作用。为了优化植物的生长环境并获得高产收成，必须对农产品种植的土壤条件有深入和定量的了解。使用pH传感器可以提供有关土壤养分缺乏或有害化学物质存在的关键反馈。最近行业热门的NPK土壤传感器提供了一种使用物联网传感器测量关键土壤养分的方法，包括土壤的pH值以及氮磷钾的含量。对农业市场来说NPK土壤传感器还是一种较新的产品，目前正处于开发阶段，市场上很难找到具体的产品。

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农业中的陀螺仪和图像传感器

陀螺仪和图像传感器广泛用于机器人、自动驾驶汽车和无人机。无人机在智慧农业中的使用在很大程度上依赖于加速度计和惯性测量单元来跟踪运动、速度以及在空中的位置。陀螺仪和图像传感器虽然与农作物或植物的生长没有密切关系，但在整个智慧农业行业同样发挥着重要作用。现在，在田间健康监测、地理测绘和土地分析、自动灌溉和作物施肥等应用中也采用了大量的陀螺仪和图像传感器。

STMicroelectronics的I3G4250D是一款低功耗的三轴角速率传感器，能够在零速率水平下提供前所未有的稳定性，并在温度和时间上提供灵敏度。它包括传感元件和IC接口，能够通过标准向应用程序提供测量的角速率SPI数字接口，还提供了I²C兼容接口。传感元件是使用意法半导体开发的专用微机械加工工艺制造的。IC接口是使用CMOS工艺制造的，以更好地匹配感测元件的特性。I3G4250D具有可选择的满量程（±245/±500/±2,000dps），能够使用用户可选择的带宽测量速率。

图6：I3G4250D三轴角速率传感器

（来源：STMicroelectronics）

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农业中的智能相机

现在，智能相机在农业中的应用也非常普遍。害虫防治一直是农业面临的最重大挑战之一。在不伤害对农作物有益的昆虫的情况下，农民现在可以利用智能相机进行实时害虫检测和监测，进而采取专门针对害虫的有效行动。此外，智能相机还能提供叶片健康状况、光照亮度、叶绿素测量和成熟度水平的图片，供农民随时了解作物的生长情况。

安森美（Onsemi）的SECO-RSL10-CAM-COLOR-GEVK RSL10智能相机是一个完整的节点到云的平台，能够为便携式、低占空比的物联网应用实现智能图像捕获。它基于RSL10多协议蓝牙系统和ARX3A0 CMOS图像传感器，具有多种触发模式，包括时间、运动检测和环境传感器触发。ARX3A0在可见光和近红外波长下都具有高灵敏度，并且具有超低功耗模式，激活时仅消3.2mW。此外，设计人员还可以对ARX3A0进行编程，以监控其视场的特定区域，并在场景内容发生变化时自动拍摄图像。

图7：安森美SECO-RSL10-CAM-COLOR-GEVK RSL10智能相机（来源：Mouser）

智慧农业的未来

智慧农业是现代农业的未来，这是不可否认的。毫无疑问，未来的农业属于由大数据、物联网设备、智能传感器、无人机和自动化温室管理系统驱动的智慧农业。

根据Insider Intelligence的数据，到2023年，全球将安装近1,200万个农业传感器，使用物联网设备的农场平均每天将产生超过50万个数据点。再加上大规模采用的用于灌溉、喷洒和田间监测的无人机，所有这些数据点的整合和利用，将会构成现实生活中智慧农业应有的样子。

精准农业的发展满足了全球对粮食日益增长的需求，所采用的传感技术使得精准农业中必须具备的收集和应用数据变得更简单、更便宜。同时，精准农业的未来发展还将增加自动驾驶农用车，以及更智能、更小的无人机的使用。物联网设备、智能传感器的使用为精准农业的实施和落实提供了保障，在不久的将来必将为现代农业带来革命性的变化。