農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論 課件 第2章 物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)信息感知

物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)信息感知第2章2.1傳感器及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用2.2拉曼光譜技術(shù) 2.3射頻識(shí)別技術(shù)（RFID） 2.4二維碼技術(shù) 2.5無線視頻監(jiān)控 2.6北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2.7遙感技術(shù)（RS） 2.1傳感器及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用2.1.1傳感器概述1.傳感器的概念傳感器是檢測(cè)信息的裝置，它最基本的功能是把信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以便進(jìn)行處理和分析。傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含了敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路。傳感器的組成如圖2-1所示。圖2-1傳感器的組成2.1傳感器及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用傳感器的分類方法眾多，用途、工作原理、輸出信號(hào)、制造工藝等都可以作為其分類方式，較常用的分類方式如表2-1所示。表2-1傳感器分類2.1傳感器及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用2.傳感器的數(shù)據(jù)處理和傳感器校準(zhǔn)1）傳感器數(shù)據(jù)處理傳感器感知到信息后，會(huì)依照設(shè)定的規(guī)則，把這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再進(jìn)行輸出。主控設(shè)備接收到信號(hào)后對(duì)其進(jìn)行處理分析，提取有價(jià)值的數(shù)據(jù)，再通過其他方式傳送這些數(shù)據(jù)。2）傳感器校準(zhǔn)傳感器校準(zhǔn)指的是在明確傳感器輸入與輸出關(guān)系的基礎(chǔ)上，使用標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)定傳感器，其內(nèi)容包括傳感器的工作特性、環(huán)境特性、物理與幾何參數(shù)等。將標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生的已知量作為被標(biāo)定傳感器的輸入，將所得輸出量與輸入量作比較，即可了解傳感器的性能。3.傳感器選擇傳感器的性能是由精度誤差、穩(wěn)定性、可靠性、參數(shù)一致性、量程范圍等共同決定的，同時(shí)，環(huán)境檢測(cè)對(duì)傳感器的性能要求較高，不同區(qū)域?qū)鞲衅鞯臋z測(cè)性能也有不同程度的影響。其次，所檢測(cè)環(huán)境的溫度變化、濕度變化、雷雨降水、空氣鹽霧腐蝕、雷擊靜電及周圍其他干擾因素也會(huì)影響傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果。此外，傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果還與數(shù)據(jù)處理電路和傳輸電路有關(guān)。2.1傳感器及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用2.1.2傳感器產(chǎn)業(yè)1.傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)傳感器的使用需求大，市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)百億元。但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)的傳感器還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些需求，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的最主要原因在于國(guó)產(chǎn)傳感器普遍在靈敏度、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等方面存在問題，且由于傳感器及相關(guān)專業(yè)人才數(shù)量少，傳感器研發(fā)進(jìn)展緩慢，使其發(fā)展和應(yīng)用都受到了極大的限制。2.1傳感器及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用為了改變國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后的局面，可從以下幾方面入手：（1）政策與管理方面。（2）資金方面。（3）行業(yè)方面。（4）技術(shù)與人才方面。2.傳感器產(chǎn)業(yè)化問題及解決策略目前國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題有以下幾點(diǎn)：（1）科技成果轉(zhuǎn)化率較低，產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱。（2）對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴程度高。（3）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。（4）成本優(yōu)勢(shì)不明顯。（5）行業(yè)不被重視。（6）融資困難。2.1傳感器及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用2.1.3農(nóng)業(yè)傳感器農(nóng)業(yè)傳感器是發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)完整信息鏈必不可少的設(shè)備。農(nóng)業(yè)傳感器采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提，農(nóng)業(yè)傳感器的性能也會(huì)影響整個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行水平。1.農(nóng)業(yè)傳感器類型農(nóng)業(yè)傳感器主要有環(huán)境監(jiān)測(cè)類傳感器和生命信息感知傳感器兩類。2.農(nóng)業(yè)傳感器現(xiàn)狀我們以水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用為例，談?wù)勣r(nóng)業(yè)傳感器發(fā)展的現(xiàn)狀。水產(chǎn)養(yǎng)殖使用到的傳感器可以稱之為漁業(yè)傳感器，其應(yīng)用也多已成熟，但將這些使用成熟的農(nóng)業(yè)傳感器引入到水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域卻存在成本價(jià)格、行業(yè)性、穩(wěn)定性、后期維護(hù)諸多需要解決的問題。就目前的情形來說，以上幾個(gè)問題不解決，很難推動(dòng)養(yǎng)殖戶對(duì)傳感器的大規(guī)模使用，更談不上產(chǎn)業(yè)化。2.1傳感器及其農(nóng)業(yè)應(yīng)用3.國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)傳感器對(duì)比與進(jìn)口傳感器相比，我國(guó)自主研發(fā)的傳感器在性能水平及產(chǎn)業(yè)化程度等方面均有所不足，具體表現(xiàn)在監(jiān)測(cè)精度、配套無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類、誤差消除、性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、制造工藝等方面。4.農(nóng)業(yè)傳感器應(yīng)用（1）育苗育種。（2）種植養(yǎng)殖。（3）農(nóng)業(yè)機(jī)械。（4）農(nóng)產(chǎn)品分類與儲(chǔ)藏。2.2拉曼光譜技術(shù)1.拉曼光譜技術(shù)拉曼光譜技術(shù)是一種用來檢測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)成分的技術(shù)，它以拉曼光譜效應(yīng)為基本原理，通過檢測(cè)光譜特性來分析物質(zhì)特征，以比對(duì)拉曼光譜間的差異實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)的辨別。2.拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與傳感器技術(shù)相似，拉曼光譜技術(shù)可以作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，感知農(nóng)業(yè)信息供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理使用或投入建立農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。雖然拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用開始較晚，但因其具有無須樣品預(yù)處理、非接觸式快速檢測(cè)、光譜成像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，所以在農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測(cè)、畜產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)、糧食質(zhì)量安全檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)成分檢測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用，具有普通檢測(cè)方式所無可比擬的優(yōu)越性。2.2拉曼光譜技術(shù)3.拉曼光譜技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用存在的問題拉曼光譜檢測(cè)具有效率高、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也已經(jīng)有了這方面的應(yīng)用，且具有極大的應(yīng)用發(fā)展空間。各種類型的拉曼光譜設(shè)備逐漸高精度化、小型化、便攜化，實(shí)際使用也更為便利，但就目前而言，拉曼光譜技術(shù)在檢測(cè)穩(wěn)定性等方面的性能仍有待優(yōu)化。2.3射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）使用射頻識(shí)別技術(shù)能夠在不與物體接觸的情況下識(shí)別物體，并以電磁耦合（Electromagneticcoupling）的方式獲取目標(biāo)對(duì)象的信息。1.RFID的特征（1）操作便捷。（2）標(biāo)簽容量大。（3）安全性高。（4）受環(huán)境影響小。（5）重復(fù)利用率高。

2.RFID系統(tǒng)組成及其工作原理（1）系統(tǒng)組成。RFID系統(tǒng)一般由射頻識(shí)別標(biāo)簽、射頻讀寫器和信息系統(tǒng)構(gòu)成。2.3射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）（2）工作原理。RFID系統(tǒng)的工作原理如圖2-3所示。射頻讀寫器通過天線發(fā)送射頻信號(hào)與射頻識(shí)別標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)非接觸耦合（NoncontactCoupling），驅(qū)動(dòng)射頻識(shí)別標(biāo)簽通過內(nèi)部天線發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，射頻讀寫器依序接收信號(hào)并進(jìn)行解碼，校驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性后將其發(fā)送至信息系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。圖2-3RFID系統(tǒng)工作原理2.3射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）3.RFID在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用（1）農(nóng)產(chǎn)品種植管理。（2）畜禽養(yǎng)殖管理。（3）農(nóng)產(chǎn)品溯源。2.4二維碼技術(shù)二維碼技術(shù)是對(duì)文字、圖像等信息進(jìn)行數(shù)字化編碼和自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)。二維碼也叫二維條碼（2-dimensionalbarcode），它由黑白兩色的幾何圖形遵循一定的規(guī)律排列而成，在水平、垂直方向都可以表達(dá)信息。2.4二維碼技術(shù)1.二維碼應(yīng)用系統(tǒng)二維碼應(yīng)用系統(tǒng)是以二維碼存儲(chǔ)和表示信息的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)，由二維碼生成設(shè)備、二維碼標(biāo)簽、二維碼識(shí)讀設(shè)備和信息處理系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2-4所示。圖2-4二維碼應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成2.二維碼技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，二維碼主要作為一種信息載體和信息傳輸接口，用于農(nóng)產(chǎn)品溯源，以保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，提高數(shù)據(jù)查詢和共享效率。2.5無線視頻監(jiān)控?zé)o線視頻監(jiān)控將監(jiān)控技術(shù)與無線傳輸技術(shù)相結(jié)合，通過無線傳輸技術(shù)來傳輸圖片、視頻、聲音等信息，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布線繁瑣的問題，具有技術(shù)先進(jìn)、高效靈活、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)將主要朝著無線化方向發(fā)展。1.無線視頻監(jiān)控的特點(diǎn)（1）成本低。（2）實(shí)用性強(qiáng)。（3）擴(kuò)展、移動(dòng)方便。（4）網(wǎng)絡(luò)信號(hào)易受影響。2.無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)（WirelessVideoMonitoringSystem）由信息采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)組成。2.5無線視頻監(jiān)控3.無線遠(yuǎn)程多節(jié)點(diǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)(PMP+WLAN)無線遠(yuǎn)程多節(jié)點(diǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用MeshWLAN組網(wǎng)技術(shù)，采用無線通信和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線技術(shù)，運(yùn)用信號(hào)頻率調(diào)制解調(diào)技術(shù)減少設(shè)備之間的無線干擾，實(shí)現(xiàn)大范圍的無線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，大大節(jié)省了設(shè)備成本。用戶可以通過手機(jī)、平板和筆記本電腦等設(shè)備隨時(shí)查看實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，系統(tǒng)管理員還能通過平臺(tái)發(fā)送操作指令，從而控制分布在固定區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。2.6北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）是中國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其基本構(gòu)成部分包括空間段、地面段和用戶段。北斗定位導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用如下：（1）采集農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量分布信息。（2）采集農(nóng)田、牧場(chǎng)或水塘信息。（3）畜禽定位。（4）農(nóng)業(yè)資源規(guī)劃。（5）農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備定位導(dǎo)航。2.7遙感技術(shù)（RS）遙感技術(shù)（RemoteSensing,RS）是一種遠(yuǎn)距離、非接觸式的物體探測(cè)、感知技術(shù)，通過衛(wèi)星、飛機(jī)等遙感平臺(tái)和遙感儀器感知與采集目標(biāo)對(duì)象的電磁波信息，經(jīng)過信息處理分析，反映出目標(biāo)特征，具有大范圍同步觀測(cè)、受環(huán)境限制少、時(shí)效性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)。1.遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，遙感技術(shù)主要用于監(jiān)測(cè)農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)、土壤墑情及病蟲害數(shù)據(jù)，也可用于估算農(nóng)作物產(chǎn)量，結(jié)合GPS和GIS，還可以系統(tǒng)、客觀地收集農(nóng)情信息，為農(nóng)事決策提供便利。2.7遙感技術(shù)（RS）2.遙感技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用存在的問題（1）受農(nóng)業(yè)遙感技