智能农业中的传感器应用

1、2.1 设施农业用传感器的分类设施农业传感器的品种较多，按其检测参数分类，主要有以下 几种；1. 土壤温度传感器土壤温度传感器用于检测土壤温度，一般使用的有效温度范围在 10 40 C （土壤热容积较大，温度变化不是很明显），安装在作物 根部土壤 中，以测量作物的生长、发育的土壤温度及浇水后土壤的 温度变动情况。 根据温室或大棚长度安装 24 个不等，安装时根据 不同作物根系深度 确定埋土深度。2. 空气温湿度传感器空气温湿度传感器用于检测设施农业的空气环境温湿度，一般使 用的 有效温度范围在050C,有效湿度范围在3090%大部分安装在温室、大 棚或畜禽舍中空气流通较好的遮阳处，一般根据温 室、大棚或畜禽舍长 度安装 14 个不等，以避免空气流通差导致的 局部小气候效应。3. 土壤水分传感器土壤水分传感器用于检测土壤中水分含量，便于及时和适量浇灌。目前有两种表示方式，其一为容积含水量，即V/V%其二为质量含水量，即M/M%大部分产品以容积含水量表示，一般有效范围 在 1070%因不同土质能容纳水量不同，故不同土质在浇灌等量 水后，所显示的容积含水量会有不同。根据温室或大棚长度安装 2

2、4 个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。4. CO2 含量传感器2CO含量传感器用于检测环境中CO含量，便于决定是否增施气 肥 或需通风换气。一般以 ppm 为单位，有效范围在 1001000ppm 之 间。 可以用在温室、大棚中，也可以用在密封 /半密封的畜禽舍中。 温室、 大棚中主要检测有光照情况下 CO 含量是否低于作物光合作用 的最佳浓 度，在畜禽舍中主要检测密封环境下 CO 浓度是否超出影响 畜禽能生长 发育的最大浓度，以便于及时通风换气。独栋温室、大 棚或畜禽舍安装 1 个即可。5. NH 含量传感器NH 含量传感器用于检测畜禽舍环境中 NH 的含量，以决定是否 需 要通风换气和清除粪便。一般以 ppm 为单位，有效范围在 0100ppm 之 间。养鸡场应用居多，尤其是蛋鸡场，因为鸡的消化系 统不能完全消化 饲料，大量蛋白质通过粪便排出后，经过复杂的化 学反应转变为NH,而 NH 又是影响鸡蛋产量的关键因素，一旦 NH 浓度超过一定值，蛋鸡产蛋 率明显下降，甚至不产蛋，需要数周后 才能恢复。一般安装 1 个即可。6. 光照度传感器光照度传感器用于检测作物生长环境

3、的光照强度，以决定是否 需要 遮阳或补光。单位lux （勒克司），有效范围在200200000Lux。一般 安装在温室、大棚中，用来检测作物生长所需要的 光照强度是否满足最基本需要或是否达到作物的最佳生长状态，如与 CO 传感器联合使用，可以为何时增施气肥提供参考。安装时考虑 向 阳并且避免被遮挡。一般安装 1 个即可。7. 营养元素传感器 营养元素传感器用于检测作物生长环境中N （氮）、p （磷）、K（钾）的含量，以决定是否需要施肥。一般用于检测无土栽培环境 中所 调配的营养液中营养元素含量，或根据流回的营养液中元素的 吸收情况 决定营养元素的调配比率，也可用于普通大棚或温室中土 壤营养元素含 量检测。二性能要求由于设施农业用传感器是在系统中发挥作用，因此传感器的性 能必 须符合以下要求：1. 长期稳定性好农业用传感器的使用环境比工业更恶劣，如高温、高湿。传感 器长 期稳定性要更高，需要解决涉及传感器稳定性的关键技术包括 材料、工 艺等。2. 能适应系统要求设施农业的实质是实现人为调节和控制作物生长环境条件，是 通过一个闭环系统来实现的。传感器的性能都应该与控制系统相适3. 优良的性

4、能价格比由于用量较大，因此必须要求其价格较低廉，否则难以推广。 随着农业现代化的高速发展，传感器技术的不断进步，在农业生产 中将 会得到越来越多的应用。三. 新型传感器在农业中的应用近年来，多学科交叉技术的综合应用，推动了新一代传感器的 诞生 与发展。这些新型传感器在农业中得到了进一步的应用。1. 光纤传感器通常光纤传感器可以分为功能型（传感类）和非功能型（传 光型） 两类。光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、定位 准确、耐高 温、耐腐蚀、易变形和无源等特性，它在农业上的典型 应用是在农田水 利设施中采用光纤光栅传感器对水渠的裂缝状进行 监测，但因成本收益 问题，目前更多地则是应用在大坝安全检测 中。在育种、温室大棚种植 和农产品储藏方面，用光纤温度传感器 实时获取环境温度信息，用光纤 气体传感器测量 CQ 等气体的浓 度，以保证环境条件达到所需的最佳状态 。此外，以光纤传感器 为 探头的光纤光度分析仪器在农产品品质无损检测中的应用也越来 越广 泛。刘燕德等跛利用光纤传感器在非接触式水果品质检测方面 做了很 多有益的尝试和探索性的研究，取得了一系列成果。2. MEMS 散电子传感

5、器MEMS （ Microelectro Mechanical Systems） 微机电系统是在 微电子技术基础上发展起来的，涉及电子、机械、材料、物理、化学、生 物和医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。利用 MEM 动口工制 备的新一代传感器件，在传输前可进行信号的放大，减 少干扰和传输噪 声，提高信噪比。同时，芯片上集成有反馈线路和 补偿线路，可有效地改 善输出的线性度和频响特性。MEM 藐感器有微机械加速度传感器、微机械角速度传感器、微 型压 力传感器、微型磁传感器、微型光传感器、微型热传感器、微 型气敏传感 器、微型化学传感器、微型生物传感器和微型电场传感器等。MEM案感 器在农业中的应用主要集中在制造超光谱成像系统 上，利用超光谱成像 技术可以随时观测货架上食物的霉变情况，也 可用来鉴定商品商标的真 伪。光子学和 MEM 额域的先进研发机构 Infotonics 与美国康奈尔大学合 作，研制了一种基于电容率的传感 器，可以实时监视并固定牛奶中的病 原体，如发生固化，病原体附 着在传感器阵列的分子探针上，引起电容 发生变化，用其和参考传 感器的电容作对比，则可证明病原体的

6、存在。 这在检查奶牛乳腺炎 的过程中发挥了积极的作用，可以较早发现病症， 减少奶农损失4 o3. 仿生传感器仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用 固定 化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感 器。这种 传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发 展起来的一种 新型的信息技术。这种传感器的特点是性能好、寿命 长。在仿生传感器 中，比较常用的是生体模拟的传感器。仿生传感器是目前的热门研究领域，机器人传感器是其中的典 型代 表。机器人传感器的功用包括白身运动状态的检测和外部环境 信息的感 应两方面，机器人内部传感器按用途分为位置检测传感 器、位移检测传 感器、角位移检测传感器、速度检测传感器、加速 度检测传感器和力检 测传感器。随着我国经济的发展和社会的变 革，大量农村劳动力向城市 转移，农村人口老龄化现象日益突出， 这在一定程度上制约着农业的发 展，不利于“三农”问题的解决。 农业采摘机器人的出现，降低了农民 的劳动强度，极大地提高了劳 动生产率和产品质量，具有广阔的发展前 景。农业采摘机器人根据 作业对象和环境的不同，要求选用不同的传感 器以提高

7、其感知能力 和智能化水平。采摘过程中按照操作顺序可分为视 觉传感器、位置 传感器、力传感器和避障传感器等 咛。目前我国已研制成功或正在研制的果蔬采摘项目有番茄、黄 瓜、葡 萄和柑橘等，棉花等作物的采摘机器人关键技术也正在研制 中。南京农 业大学王玲近日就成功破解了采摘机器人对于棉花品级 视觉识别的关键 技术田间子棉品级识别，为解决机器人采摘棉花的效率与品质问题，改变我国棉花收获长期依靠手工作业的现 状， 以及推动棉花定级仪器的面世做出了贡献 W。4. 电化学传感器电化学传感器在农业领域中的一个新的重要应用是土壤化学中 对诸 如pH值的直接测量。土壤测试结果对于提高农作物产量和生产质优、味 美的食品至关重要。用于测量土壤中某些离子活度（H+,K+, N0Na+等）的电化学传感器有如下两类：离子选择电极和2） 离子选择性场效应管（ISFET）传感器。这两类传感器也被用于监测植物 对离子的摄取。营养成分的摄取速度取决于植物对营养 的需求，此种需 求与植物的生长速度和植物体的营养状况有关。多 数常量营养元素（如 氮、磷、钾）的吸收过程都很活跃。监测植物体或生长系统的离子浓度可 以帮助农民制订施肥策略和提高产量。离子选择电极已经可以用于多种不同离子的检测。它们可用于 土壤 和作物（如土豆8-9和蔬菜）中氮元素的监测，以便进行施肥管理 。植物或土壤中的离子（例如碘离子、氟离子、氯离子、钠离 子、 钾离子和镉离子等）可以用离子选择电极进行测定，以便对植 物的新陈 代谢、营养以及植物中所存在的重金属离子的毒物等进行 研究。

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