農(nóng)業(yè)4.0是一種利用傳感器、智能工具、衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)、遙感和近距離數(shù)據(jù)采集等技術(shù)進(jìn)行農(nóng)場(chǎng)管理和精細(xì)農(nóng)業(yè)的新方法。

傳感器收集的數(shù)據(jù)使農(nóng)民能夠訊速、動(dòng)態(tài)地做出反應(yīng)，最大限度地提高作物產(chǎn)量。

全球人口增長(zhǎng)、氣候變化和糧食短缺等均是世界上最具挑戰(zhàn)性的問題。聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)表示，到2050年，作物產(chǎn)量提高約50%，才能養(yǎng)活全世界的人口。

隨著人口的增長(zhǎng)，可耕地的面積也在迅速減少。為了增加可用耕地的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出，一種可行的方案是投資技術(shù)。

農(nóng)業(yè)革命的各個(gè)階段都圍繞著可持續(xù)性、糧食生產(chǎn)、能源和農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展等主題。

傳感器和數(shù)字技術(shù)可以讓農(nóng)民更好地獲悉農(nóng)田和農(nóng)作物的狀況。妥善利用這些收集的數(shù)據(jù)可大幅提高作物產(chǎn)量和效率。著重于各種農(nóng)業(yè)工具和傳感器技術(shù)之間的交互，可使農(nóng)業(yè)實(shí)踐獲得顯著進(jìn)展。

農(nóng)業(yè)傳感器可用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的健康狀況、雜草、微生物和害蟲，產(chǎn)量估算和預(yù)測(cè)，相當(dāng)于在空中、土壤中以可穿戴設(shè)備的形式給作物部署“五官”（物聯(lián)網(wǎng)傳感器），建立傳感網(wǎng)絡(luò)。本文著重介紹了在智慧農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的一些傳感器系統(tǒng)。

多年來，農(nóng)業(yè)一直被科技領(lǐng)域忽視，并沒有什么現(xiàn)代技術(shù)的加持。如今，隨著不同技術(shù)的發(fā)展成熟，科技的浪潮正吹向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。隨著互聯(lián)互通的普及，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域擁有了GPS精確制導(dǎo)的拖拉機(jī)、基于傳感器的灌溉系統(tǒng)、空中害蟲監(jiān)測(cè)、智能牲畜監(jiān)測(cè)以及與大數(shù)據(jù)相連的農(nóng)民。我們正在見證農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行著不斷的技術(shù)革新，以適應(yīng)不斷變化的數(shù)字化世界。

農(nóng)業(yè)4.0是一種利用傳感器、智能工具、衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)、遙感和近距離數(shù)據(jù)采集等技術(shù)進(jìn)行農(nóng)場(chǎng)管理和精細(xì)農(nóng)業(yè)的新方法。它是關(guān)于連接性、智慧的數(shù)字農(nóng)業(yè)，是綜合內(nèi)部和外部農(nóng)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)說，農(nóng)業(yè)4.0于2010年代初左右啟動(dòng)，其技術(shù)包括低成本和優(yōu)化的傳感器、執(zhí)行器、微處理器、納米技術(shù)、高帶寬蜂窩通信、云計(jì)算和人工智能(AI)。

智慧農(nóng)業(yè)

傳統(tǒng)上的精細(xì)農(nóng)業(yè)主要是基于GPS傳感器進(jìn)行自動(dòng)操作的拖拉機(jī)和收割機(jī)，智慧農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)使農(nóng)業(yè)的重心悄然發(fā)生了變化，例如決策施肥的劑量，或使用植物保護(hù)資源優(yōu)化特定區(qū)域的作物發(fā)展。

由數(shù)據(jù)和信息驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)是發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的總趨勢(shì)。地球觀測(cè)和導(dǎo)航衛(wèi)星利用從地面?zhèn)鞲衅魇占臄?shù)據(jù)來協(xié)助農(nóng)民決定如何、何時(shí)和何地分配資源以取得最佳效果。

衛(wèi)星裝有多個(gè)傳感器，通過各種植物條件和參數(shù)，如生長(zhǎng)季節(jié)的生物量和葉綠素含量，獲得關(guān)于目前田間每個(gè)地點(diǎn)作物生長(zhǎng)狀況和發(fā)展的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有助于農(nóng)民更新作物狀況，以便采取具體的植物保護(hù)和施肥措施。農(nóng)民還可以隨時(shí)通過智能手機(jī)或平板電腦監(jiān)控各種參數(shù)。

認(rèn)知傳感技術(shù)

利用傳感技術(shù)認(rèn)知系統(tǒng)可以優(yōu)化精細(xì)農(nóng)業(yè)。該系統(tǒng)可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)來測(cè)試各種新參數(shù)并揭示各種參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。

一個(gè)先進(jìn)的傳感器技術(shù)認(rèn)知系統(tǒng)，應(yīng)實(shí)時(shí)提供溫度、濕度、光照、土壤pH值、降水、灌溉時(shí)間等狀況的反饋。這個(gè)系統(tǒng)可以確定影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵要素。擁有基于云計(jì)算服務(wù)的認(rèn)知系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)從世界各地的案例中學(xué)習(xí)，從而為每個(gè)季節(jié)應(yīng)如何照料作物提供更好的解決方案和建議，以獲得更好的收益。

智能噴灑技術(shù)

為了消滅雜草和影響作物生長(zhǎng)的不受歡迎的植物，除草劑是農(nóng)作物及農(nóng)田必不可少的，然而除草劑在很大程度上會(huì)對(duì)農(nóng)作物及環(huán)境造成一定的影響。在智慧農(nóng)業(yè)中，智能噴灑技術(shù)可利用攝像頭傳感器來區(qū)分雜草和作物。這種方法只針對(duì)雜草噴灑除草劑，從而保護(hù)農(nóng)作物和環(huán)境。

植物特異性除草劑的應(yīng)用需要傳感器系統(tǒng)對(duì)植物進(jìn)行識(shí)別和分化。然而，在雜草發(fā)育的早期階段，要識(shí)別出小雜草并不容易?，F(xiàn)代技術(shù)，可編程真彩傳感器可用于雜草和作物的實(shí)時(shí)識(shí)別和鑒定。這可以通過收集基于植物反射特性、自然和人工背景的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)算法和決策模型來識(shí)別作物和雜草。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域，在改善全球糧食生產(chǎn)力方面具有巨大潛力。物聯(lián)網(wǎng)傳感器可以部署在地面或水中，以收集相關(guān)目標(biāo)的數(shù)據(jù)，如土壤濕度和作物健康狀況。收集到的數(shù)據(jù)通過無線方式存儲(chǔ)在服務(wù)器或云系統(tǒng)中，農(nóng)民可以通過平板電腦和手機(jī)上的互聯(lián)網(wǎng)輕松訪問這些數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用包括農(nóng)用車輛跟蹤和牲畜監(jiān)測(cè)，以及在耕地、農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈、溫室監(jiān)測(cè)和其他農(nóng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)方面的應(yīng)用。農(nóng)民可以通過像Nano Ganesh（一種移動(dòng)的水泵遙控）這樣的連接選項(xiàng)遠(yuǎn)程控制農(nóng)場(chǎng)的活動(dòng)。

各種各樣的傳感器被部署在一個(gè)農(nóng)場(chǎng)，并向在線儀表板報(bào)告。農(nóng)民不需要實(shí)地巡查農(nóng)場(chǎng)，就可以根據(jù)實(shí)時(shí)情況做出快速而明智的決定，從而節(jié)省時(shí)間和成本。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的應(yīng)用案例正在不斷增加。不少企業(yè)正在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ふ倚碌纳虣C(jī)。他們正在開發(fā)融合傳感器和通信系統(tǒng)的集成系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)傳感器和云計(jì)算將大大提高數(shù)據(jù)流的質(zhì)量，進(jìn)而幫助農(nóng)民做出更好的決策。

數(shù)字畜牧業(yè)

隨著人口的增長(zhǎng)，牛奶和肉類的需求量也在增加。數(shù)字和傳感器技術(shù)在牲畜管理方面也得到了相應(yīng)的應(yīng)用。精細(xì)畜牧業(yè)利用先進(jìn)技術(shù)，如微流體、聲音分析儀、圖像檢測(cè)技術(shù)、汗液和唾液傳感、血清學(xué)診斷等，優(yōu)化每只動(dòng)物的產(chǎn)出。

更明智的生產(chǎn)、適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)以及增加動(dòng)物福利會(huì)減少畜牧業(yè)對(duì)資源的影響。有些公司致力于牲畜的福利，而其他公司則致力于動(dòng)物的健康管理。

雞的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

有了這樣的技術(shù)，像雞這樣的牲畜會(huì)被盡可能人道地對(duì)待。計(jì)算機(jī)接口和虛擬環(huán)境相結(jié)合，以滿足每種動(dòng)物的需要和愿望。圍欄旨在提供一個(gè)舒適和健康的家。該系統(tǒng)為牲畜提供了在虛擬世界中自由活動(dòng)的權(quán)力，為它們提供了比在現(xiàn)實(shí)世界中更好的待遇。每個(gè)圍場(chǎng)都裝有獨(dú)立過濾的空氣囊，以防止傳染病和寄生蟲在整個(gè)設(shè)施內(nèi)傳播。

生物傳感器正被用于動(dòng)物健康管理。追蹤項(xiàng)圈和電子馬鞍等新型可穿戴技術(shù)正被用于動(dòng)物、寵物和牲畜的健康成長(zhǎng)。在基于IOT的運(yùn)動(dòng)傳感器和麥克風(fēng)的幫助下，農(nóng)場(chǎng)主可以通過智能手機(jī)檢查牲畜的健康狀況和位置。

農(nóng)業(yè)無人機(jī)

帶有熱傳感器、照相機(jī)、激光雷達(dá)和多光譜等技術(shù)的無人機(jī)給農(nóng)業(yè)帶來了顯著的效益。帶有傳感器的農(nóng)業(yè)無人機(jī)可以讓農(nóng)民從空中的視角看到他們的田地，從無人機(jī)上收集的信息和數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)諸如灌溉、土壤變化、害蟲和真菌感染等問題。有時(shí)很難用肉眼來區(qū)分健康植物和不健康的植物。多光譜圖像可以用作區(qū)分健康和不健康的植物，并使農(nóng)民能夠及時(shí)采取行動(dòng)。

多光譜成像系統(tǒng)

多光譜傳感器收集可見(紅、綠、藍(lán))波長(zhǎng)以及紅外(IR)輻射和紫外(UV)光。這些技術(shù)被用于監(jiān)測(cè)植物健康狀況，識(shí)別缺陷和蟲害，優(yōu)化施肥和評(píng)估水質(zhì)。

將多光譜傳感器集成到無人機(jī)上，該傳感器可收集可見光波段圖像、多光譜圖像以及植被指數(shù)，包括歸一化植被指數(shù)(NDVI)或歸一化植被紅邊(NDRE)數(shù)據(jù)。它幫助農(nóng)學(xué)家和農(nóng)民更精確地識(shí)別作物健康問題。

AI加持農(nóng)業(yè)

中國(guó)和印度正在著力于人工智能(AI)的創(chuàng)新和發(fā)展，以協(xié)助農(nóng)民進(jìn)行種植決策和農(nóng)作物保護(hù)。人工智能有望推動(dòng)農(nóng)業(yè)革命，用更少的資源生產(chǎn)更多的糧食。一個(gè)使用大數(shù)據(jù)管理技術(shù)和云計(jì)算的人工智能系統(tǒng)旨在為農(nóng)民提供有效的決策。

傳感器根據(jù)水果的完美成熟度來監(jiān)測(cè)水果的生長(zhǎng)過程，通過調(diào)節(jié)光線來加速或減緩成熟的速度。這種精細(xì)農(nóng)業(yè)需要相當(dāng)大的計(jì)算能力。

智能算法被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)技術(shù)中，使它們能夠?qū)W習(xí)和自學(xué)。人工智能和智能算法可以分析大量有關(guān)天氣、環(huán)境和歷史信息的數(shù)據(jù)，從而可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在什么地方、什么時(shí)候以及如何種植作物，以獲得最佳性能和產(chǎn)量。人工智能與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合具有很大的潛力。

結(jié) 語

通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)傳感器，譬如使用帶有攝像頭傳感器的無人機(jī)從空中掃描農(nóng)田，農(nóng)民便可以實(shí)時(shí)的對(duì)農(nóng)田進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而獲得與土壤和作物實(shí)時(shí)感知相關(guān)的各種信息，且不受時(shí)間和地域的限制。另外，具有現(xiàn)代傳感器技術(shù)的AI可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和環(huán)境的變化來調(diào)整管理策略。

傳感器使農(nóng)民能夠快速反應(yīng)并動(dòng)態(tài)地最大限度地改善作物的生長(zhǎng)條件，從而提高產(chǎn)量和糧食生產(chǎn)率。現(xiàn)今，我們正在進(jìn)入農(nóng)業(yè)4.0時(shí)代，各種現(xiàn)代技術(shù)正被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中，這是農(nóng)業(yè)革命的新階段。