智能農(nóng)業(yè)中的傳感器應(yīng)用

1、設(shè)施農(nóng)業(yè)用傳感器的分類設(shè)施農(nóng)業(yè)傳感器的品種較多，按其檢測參數(shù)分類，主要有以下幾種；1.用于檢測土壤溫度，一般使用的有效溫度范圍在 1040（土壤熱容積較大，溫度變化不是很明顯），安裝在作物根部土壤中，以測量作物的生長、發(fā)育的土壤溫度及澆水后土壤的溫度變動情況。根據(jù)溫室或大棚長度安裝24 個(gè)不等，安裝時(shí)根據(jù)不同作物根系深度確定埋土深度。2.? ?用于檢測設(shè)施農(nóng)業(yè)的空氣環(huán)境溫濕度，一般使用的有效溫度范圍在0 50，有效濕度范圍在3090%。大部分安裝在溫室、大棚或畜禽舍中空氣流通較好的遮陽處，一般根據(jù)溫室、大棚或畜禽舍長度安裝14個(gè)不等，以避免空氣流通差導(dǎo)致的局部小氣候效應(yīng)。3.? ?用于檢測土壤

2、中水分含量，便于及時(shí)和適量澆灌。目前有兩種表示方式，其一為容積含水量，即 V/V%，其二為質(zhì)量含水量，即 M/M%，大部分產(chǎn)品以容積含水量表示，一般有效范圍在 1070%。因不同土質(zhì)能容納水量不同，故不同土質(zhì)在澆灌等量水后，所顯示的容積含水量會有不同。根據(jù)溫室或大棚長度安裝 24 個(gè)不等，安裝時(shí)根據(jù)不同作物根系深度確定埋土深度。4. CO2 含量傳感器 ? ?CO2含量傳感器用于檢測環(huán)境中 CO2含量，便于決定是否增施氣肥或需通風(fēng)換氣。一般以 ppm為單位，有效范圍在 1001000ppm之間。可以用在溫室、大棚中，也可以用在密封/ 半密封的畜禽舍中。溫室、大棚中主要檢測有光照情況下CO2含量

3、是否低于作物光合作用的最佳濃度，在畜禽舍中主要檢測密封環(huán)境下CO2濃度是否超出影響畜禽能生長發(fā)育的最大濃度，以便于及時(shí)通風(fēng)換氣。獨(dú)棟溫室、大棚或畜禽舍安裝1 個(gè)即可。含量傳感器NH3含量傳感器用于檢測畜禽舍環(huán)境中NH3的含量，以決定是否需要通風(fēng)換氣和清除糞便。一般以ppm為單位，有效范圍在0100ppm之間。養(yǎng)雞場應(yīng)用居多，尤其是蛋雞場，因?yàn)殡u的消化系統(tǒng)不能完全消化飼料，大量蛋白質(zhì)通過糞便排出后，經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?NH3，而 NH3 又是影響雞蛋產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，一旦 NH3濃度超過一定值，蛋雞產(chǎn)蛋率明顯下降，甚至不產(chǎn)蛋，需要數(shù)周后才能恢復(fù)。一般安裝 1 個(gè)即可。6. 光照度傳感器 ?

4、?光照度傳感器用于檢測作物生長環(huán)境的光照強(qiáng)度，以決定是否需要遮陽或補(bǔ)光。單位lux （勒克司），有效范圍在200200000Lux。一般安裝在溫室、大棚中，用來檢測作物生長所需要的光照強(qiáng)度是否滿足最基本需要或是否達(dá)到作物的最佳生長狀態(tài)，如與 CO2傳感器聯(lián)合使用，可以為何時(shí)增施氣肥提供參考。安裝時(shí)考慮向陽并且避免被遮擋。一般安裝 1 個(gè)即可。7. 營養(yǎng)元素傳感器 ?營養(yǎng)元素傳感器用于檢測作物生長環(huán)境中N（氮）、 P（磷）、 K（鉀）的含量，以決定是否需要施肥。一般用于檢測無土栽培環(huán)境中所調(diào)配的營養(yǎng)液中營養(yǎng)元素含量，或根據(jù)流回的營養(yǎng)液中元素的吸收情況決定營養(yǎng)元素的調(diào)配比率，也可用于普通大棚或溫室

5、中土壤營養(yǎng)元素含量檢測。二 性能要求由于設(shè)施農(nóng)業(yè)用傳感器是在系統(tǒng)中發(fā)揮作用，因此傳感器的性能必須符合以下要求：1. 長期穩(wěn)定性好農(nóng)業(yè)用傳感器的使用環(huán)境比工業(yè)更惡劣，如高溫、高濕。傳感器長期穩(wěn)定性要更高，需要解決涉及傳感器穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)包括材料、工藝等。2. 能適應(yīng)系統(tǒng)要求設(shè)施農(nóng)業(yè)的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)人為調(diào)節(jié)和控制作物生長環(huán)境條件，是通過一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。傳感器的性能都應(yīng)該與控制系統(tǒng)相適 3. 優(yōu)良的性能價(jià)格比由于用量較大，因此必須要求其價(jià)格較低廉，否則難以推廣。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的高速發(fā)展，傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將會得到越來越多的應(yīng)用。三新型傳感器在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用近年來，多學(xué)科交叉技術(shù)的綜

6、合應(yīng)用，推動了新一代傳感器的誕生與發(fā)展。這些新型傳感器在農(nóng)業(yè)中得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。1光纖傳感器通常光纖傳感器可以分為功能型 ( 傳感類 ) 和非功能型 ( 傳光型 ) 兩類。光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、定位準(zhǔn)確、耐高溫、耐腐蝕、易變形和無源等特性，它在農(nóng)業(yè)上的典型應(yīng)用是在農(nóng)田水利設(shè)施中采用光纖光柵傳感器對水渠的裂縫狀進(jìn)行監(jiān)測，但因成本收益問題，目前更多地則是應(yīng)用在大壩安全檢測中。在育種、溫室大棚種植和農(nóng)產(chǎn)品儲藏方面，用光纖溫度傳感器實(shí)時(shí)獲取環(huán)境溫度信息，用光纖氣體傳感器測量 CO2 等氣體的濃度，以保證環(huán)境條件達(dá)到所需的最佳狀態(tài)1 。此外，以光纖傳感器為探頭的光纖光度分析儀器在農(nóng)

7、產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測中的應(yīng)用也越來越廣泛。劉燕德等 2,3 利用光纖傳感器在非接觸式水果品質(zhì)檢測方面做了很多有益的嘗試和探索性的研究，取得了一系列成果。2 MEMS微電子傳感器MEMS ( Microelectro Mechanical Systems)微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，涉及電子、機(jī)械、材料、物理、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。利用 MEMS加工制備的新一代傳感器件，在傳輸前可進(jìn)行信號的放大，減少干擾和傳輸噪聲，提高信噪比。同時(shí)，芯片上集成有反饋線路和補(bǔ)償線路，可有效地改善輸出的線性度和頻響特性。MEMS傳感器有微機(jī)械加速度傳感器、微機(jī)械角速度傳感器

8、、微型壓力傳感器、微型磁傳感器、微型光傳感器、微型熱傳感器、微型氣敏傳感器、微型化學(xué)傳感器、微型生物傳感器和微型電場傳感器等。MEMS傳感器在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要集中在制造超光譜成像系統(tǒng)上，利用超光譜成像技術(shù)可以隨時(shí)觀測貨架上食物的霉變情況，也可用來鑒定商品商標(biāo)的真?zhèn)巍９庾訉W(xué)和MEMS領(lǐng)域的先進(jìn)研發(fā)機(jī)構(gòu)Infotonics與美國康奈爾大學(xué)合作，研制了一種基于電容率的傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視并固定牛奶中的病原體，如發(fā)生固化，病原體附著在傳感器陣列的分子探針上，引起電容發(fā)生變化，用其和參考傳感器的電容作對比，則可證明病原體的存在。這在檢查奶牛乳腺炎的過程中發(fā)揮了積極的作用，可以較早發(fā)現(xiàn)病癥，減少奶農(nóng)損失

9、4。3. 仿生傳感器仿生傳感器，是一種采用新的檢測原理的新型傳感器，它采用固定化的細(xì)胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術(shù)。這種傳感器的特點(diǎn)是性能好、壽命長。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。仿生傳感器是目前的熱門研究領(lǐng)域，機(jī)器人傳感器是其中的典型代表。機(jī)器人傳感器的功用包括自身運(yùn)動狀態(tài)的檢測和外部環(huán)境信息的感應(yīng)兩方面，機(jī)器人內(nèi)部傳感器按用途分為位置檢測傳感器、位移檢測傳感器、角位移檢測傳感器、速度檢測傳感器、加速度檢測傳感器和力檢測傳感器。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的變革，大量農(nóng)村勞動力向

10、城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)村人口老齡化現(xiàn)象日益突出，這在一定程度上制約著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，不利于“三農(nóng)”問題的解決。農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的出現(xiàn)，降低了農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，極大地提高了勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，具有廣闊的發(fā)展前景。農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人根據(jù)作業(yè)對象和環(huán)境的不同，要求選用不同的傳感器以提高其感知能力和智能化水平。采摘過程中按照操作順序可分為視覺傳感器、位置傳感器、力傳感器和避障傳感器等 5。目前我國已研制成功或正在研制的果蔬采摘項(xiàng)目有番茄、黃瓜、葡萄和柑橘等，棉花等作物的采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)也正在研制中。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王玲近日就成功破解了采摘機(jī)器人對于棉花品級視覺識別的關(guān)鍵技術(shù)田間子棉品級識別，為解決機(jī)器人采摘棉花的效率與品質(zhì)

11、問題，改變我國棉花收獲長期依靠手工作業(yè)的現(xiàn)狀，以及推動棉花定級儀器的面世做出了貢獻(xiàn) 6-7 。4. 電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的一個(gè)新的重要應(yīng)用是土壤化學(xué)中對諸如 pH 值的直接測量。 土壤測試結(jié)果對于提高農(nóng)作物產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)優(yōu)、味美的食品至關(guān)重要。用于測量土壤中某些離子活度（H+, K+, NO 3-,Na+等）的電化學(xué)傳感器有如下兩類：1）離子選擇電極和2）離子選擇性場效應(yīng)管 (ISFET) 傳感器。這兩類傳感器也被用于監(jiān)測植物對離子的攝取。營養(yǎng)成分的攝取速度取決于植物對營養(yǎng)的需求，此種需求與植物的生長速度和植物體的營養(yǎng)狀況有關(guān)。多數(shù)常量營養(yǎng)元素（如氮、磷、鉀）的吸收過程都很活躍。監(jiān)測植物體或生長系統(tǒng)的離子濃度