智能農(nóng)業(yè)中的傳感器應用

1、設施農(nóng)業(yè)用傳感器的分類設施農(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 個不等，安裝時根據(jù)不同作物根系深度確定埋土深度。2.? ?用于檢測設施農(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個不等，以避免空氣流通差導致的局部小氣候效應。3.? ?用于檢測土壤

2、中水分含量，便于及時和適量澆灌。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 個不等，安裝時根據(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換氣。一般以 ppm為單位，有效范圍在 1001000ppm之間?？梢杂迷跍厥摇⒋笈镏?，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，以便于及時通風換氣。獨棟溫室、大棚或畜禽舍安裝1 個即可。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)雞場應用居多，尤其是蛋雞場，因為雞的消化系統(tǒng)不能完全消化飼料，大量蛋白質(zhì)通過糞便排出后，經(jīng)過復雜的化學反應轉(zhuǎn)變?yōu)?NH3，而 NH3 又是影響雞蛋產(chǎn)量的關鍵因素，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。一般安裝 1 個即可。6. 光照度傳感器 ?

4、?光照度傳感器用于檢測作物生長環(huán)境的光照強度，以決定是否需要遮陽或補光。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度是否滿足最基本需要或是否達到作物的最佳生長狀態(tài)，如與 CO2傳感器聯(lián)合使用，可以為何時增施氣肥提供參考。安裝時考慮向陽并且避免被遮擋。一般安裝 1 個即可。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)定性的關鍵技術包括材料、工藝等。2. 能適應系統(tǒng)要求設施農(nóng)業(yè)的實質(zhì)是實現(xiàn)人為調(diào)節(jié)和控制作物生長環(huán)境條件，是通過一個閉環(huán)系統(tǒng)來實現(xiàn)的。傳感器的性能都應該與控制系統(tǒng)相適 3. 優(yōu)良的性能價格比由于用量較大，因此必須要求其價格較低廉，否則難以推廣。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的高速發(fā)展，傳感器技術的不斷進步，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將會得到越來越多的應用。三新型傳感器在農(nóng)業(yè)中的應用近年來，多學科交叉技術的綜

6、合應用，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)中得到了進一步的應用。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、靈敏度高、定位準確、耐高溫、耐腐蝕、易變形和無源等特性，它在農(nóng)業(yè)上的典型應用是在農(nóng)田水利設施中采用光纖光柵傳感器對水渠的裂縫狀進行監(jiān)測，但因成本收益問題，目前更多地則是應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時獲取環(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)微機電系統(tǒng)是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的，涉及電子、機械、材料、物理、化學、生物和醫(yī)學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。利用 MEMS加工制備的新一代傳感器件，在傳輸前可進行信號的放大，減少干擾和傳輸噪聲，提高信噪比。同時，芯片上集成有反饋線路和補償線路，可有效地改善輸出的線性度和頻響特性。MEMS傳感器有微機械加速度傳感器、微機械角速度傳感器

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可以隨時觀測貨架上食物的霉變情況，也可用來鑒定商品商標的真?zhèn)巍９庾訉W和MEMS領域的先進研發(fā)機構Infotonics與美國康奈爾大學合作，研制了一種基于電容率的傳感器，可以實時監(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)學和電子學、工程學相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術。這種傳感器的特點是性能好、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域，機器人傳感器是其中的典型代表。機器人傳感器的功用包括自身運動狀態(tài)的檢測和外部環(huán)境信息的感應兩方面，機器人內(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)采摘機器人的出現(xiàn)，降低了農(nóng)民的勞動強度，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目有番茄、黃瓜、葡萄和柑橘等，棉花等作物的采摘機器人關鍵技術也正在研制中。南京農(nóng)業(yè)大學王玲近日就成功破解了采摘機器人對于棉花品級視覺識別的關鍵技術田間子棉品級識別，為解決機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 6-7 。4. 電化學傳感器電化學傳感器在農(nóng)業(yè)領域中的一個新的重要應用是土壤化學中對諸如 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。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