智能农业中的传感器应用
智能农业中的传感器应
用
IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】
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；
用于检测土壤温度，一般使用的有效温度范围在10～40℃（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2～4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。
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0～50℃，有效湿度范围在30～90%。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1～4个不等，以避免空气流通差导致的局部小气候效应。
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10～70%。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2～4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。含量传感器
CO2含量传感器用于检测环境中CO2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100～1000ppm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CO2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CO2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。
含量传感器
NH3含量传感器用于检测畜禽舍环境中NH3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0~100ppm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NH3，而NH3又是影响鸡蛋产量的关键因素，一旦NH3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200～200000Lux。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CO2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CO2等气体的浓度，以保证环境条件达到所需的最佳状态[1]。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[2,3]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微电子传感器
MEMS(MicroelectroMechanicalSystems)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MEMS加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。
MEMS传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。MEMS传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MEMS领域的先进研发机构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］。
3.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自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［5］。
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［6-7］。
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+,NO3-,Na+等）的电化学传感器有如下两类：1）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[10]。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。