智能傳感器在物理農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

董晉峰　束健偉　門洪利　劉華　張偉玉

【摘 要】我國農(nóng)業(yè)正在由化學(xué)農(nóng)業(yè)向生態(tài)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，物理農(nóng)業(yè)則是實現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的主要途徑之一。傳感器技術(shù)是物理農(nóng)業(yè)建設(shè)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，通過傳感器實時采集各種信號，可對植物的生長發(fā)育狀況及其生活環(huán)境進行實時掌控。本文介紹了一些新型智能傳感器以及傳感器物理農(nóng)業(yè)的應(yīng)用，同時對分析了對不同的需求下傳感器的選擇，智能傳感器的未來及其發(fā)展方向做了展望。

【關(guān)鍵字】智能傳感器;應(yīng)用;物理農(nóng)業(yè)

中圖分類號： G633.7 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）36-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.001

Application of Intelligent Sensor in Physical Agriculture

DONG Jin-feng SHU Jian-wei MEN Hong-li LIU Hua ZHANG Wei-yu*

（1.College of Engineering and Technology， Tianjin 300384， China;

2.Hengshui ruishida special electrode factory， Hengshu Hebei 053000， China）

【Abstract】Chinas agriculture is now in an important stage of turning to ecological agriculture， gradually changing the traditional mode of traditional chemical agriculture.In this phase of the turn， the physical agriculture is one of the important means for the realization of ecological agriculture.Sensor technology is a key technology of the physical agriculture construction， through the sensor in real time.Set all kinds of signals， can be on plant growth and development status of the real-time control and its living environment. This paper introduces some new intelligent sensor in the application of physical agriculture， at the same time analyzed the choice of sensor[1]under different demand，and the future of smart sensors and its development direction were discussed.

【Key words】Smart sensor;Application;Physical agriculture

0 引言

隨著科技的發(fā)展與進步，傳統(tǒng)的傳感器已經(jīng)滿足不了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，各種智能傳感器的研究和應(yīng)用受到科技人員的的高度重視。與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有豐富的信息處理能力，其輸出形式多樣，應(yīng)用范圍廣泛。

現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)是物理技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合，將電、磁、聲、光、熱、核等物理學(xué)知識和高新技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物通過物理的技術(shù)方法，可以提高光合作用，促進生長。與此同時，采用靶向施肥來減少農(nóng)藥以及化肥的使用量，使農(nóng)作物實現(xiàn)增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，達到優(yōu)質(zhì)、抗病的目的，有效保護生態(tài)環(huán)境。

1 智能傳感器在物理農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

1.1 智能傳感器的概念

一般來說，智能傳感器[1]是指具有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。相對于僅提供表征待測物理量的模擬電壓信號的傳統(tǒng)傳感器，智能傳感器充分利用集成技術(shù)和微處理器技術(shù)，集感知、信息處理、通信于一體，以數(shù)字量方式傳播，具有一定知識級別的能力。

1.2 物理農(nóng)業(yè)中的傳感器

1.2.1 農(nóng)業(yè)中常用傳感器

1）溫濕度傳感器。

溫度傳感器是一種熱電式傳感器，通過利用感應(yīng)元件的物理特性與溫度之間的關(guān)系，把溫度的值用電量表示出來。

濕度傳感器利用材料的電氣性能或機械性能隨濕度變化的特性，測定介質(zhì)水分的含量。進行濕度測量時，同溫度傳感器一樣，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，從測量范圍及體積大小等方面進行綜合考慮。

現(xiàn)在溫濕度傳感器大多集成在一起。常用溫濕度傳感器如下：

●數(shù)字傳感器：HumidIcon數(shù)字式溫濕度傳感器HIH-6130/6131系列、HDC1050低功耗數(shù)字濕度傳感器、溫濕度傳感器SHT11、SHT3x系列、DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、AM2105數(shù)字溫濕度傳感器等。

●模擬傳感器：HTG3515CH 傳感器、LC-TWS1型土壤傳感器、HTU3533傳感器、AM2011濕敏電容型溫濕度傳感器。

●總線結(jié)構(gòu)

I2C：溫濕度傳感器SHT11、HumidIcon數(shù)字式HIH-6130/6131系列、SHT3x系列溫濕度傳感器等。

單總線：K01型溫濕度傳感器、DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、AM2105數(shù)字溫濕度傳感器等。

2）酸堿度傳感器

酸堿度（pH值）傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號的傳感器，常用的是光纖pH傳感器。

3）CO2傳感器

農(nóng)作物生長，CO2是主要原料，它可以調(diào)節(jié)作物的呼吸。根據(jù)CO2濃度傳感器檢測結(jié)果，可控制CO2濃度，促進作物健康生長發(fā)育。常用的CO2濃度傳感器有：（1）數(shù)字傳感器：MH-Z16二氧化碳傳感器、紅外二氧化碳傳感器B-530、CO2傳感器模塊S-300E、GSS-MISIR 二氧化碳傳感器等;（2）模擬傳感器：MH-Z16二氧化碳傳感器、GSS-COZIR 二氧化碳傳感器、紅外二氧化碳傳感器B-530、氧氣傳感器A-02T、GSS-MISIR 二氧化碳傳感器等;（3）總線結(jié)構(gòu)：I2C：CO2傳感器模塊S-300E、CO2傳感器模塊K30等;串口UART：紅外CO2傳感器、S80017、CO2傳感器模塊K30、微型紅外CO2傳感器等。

4）土壤傳感器

土壤養(yǎng)分的測定包括土壤有機質(zhì)、p H值、氮、磷、鉀以及交換性鈣和鎂的檢測。一般采用離子敏傳感器或生物傳感器來測定土壤養(yǎng)分，特別是其中影響作物生長的氮、磷、鉀的含量，是決定是否需要施肥和施肥量的重要指標]。常用的土壤傳感器有：109-L土壤溫度傳感器、229土壤水勢傳感器、CS616土壤水分傳感器、CS650時域反射土壤含水量傳感器、Hydra ProbeⅡ土壤傳感器等。其中Hydra ProbeⅡ土壤傳感器同步測量土壤水分、電導(dǎo)率、鹽度和土壤溫度，能適應(yīng)于高鹽堿性土壤環(huán)境，持SDI-12和RS-485通訊協(xié)議。

5）光照度傳感器

光照是作物生長發(fā)育的關(guān)鍵條件之一，光照強度直接影響光合作用強度。根據(jù)光傳感器檢測結(jié)果可以達到控制光照強度目的。常用的光照度傳感器：RY-WLCG02型無線光照度傳感器、環(huán)境監(jiān)測管式光照強度傳感器RY-G/BW、FC-GZD光照強度傳感器。

1.2.2 新型傳感器

MEMS微傳感器是指應(yīng)用MEMS微機械電子加工工藝研制的新型敏感元件和傳感器。MEMS氣體傳感器主要指氣體濃度傳感器，一般是基于敏感材料吸附原理，用來測試環(huán)境中O2、CO2、CH、和C2H的濃度，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測。

光纖傳感器可以分為物性型和結(jié)構(gòu)型兩類，物性型光纖傳感器是基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，利用其對環(huán)境變化的敏感特性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號;而結(jié)構(gòu)型光纖傳感器是通過光敏元件實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的一種傳感器。它包括光纖溫度傳感器、光纖濕度傳感器等多類傳感器。

仿生傳感器作為一種模擬生物感官的新興檢測手段，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如嗅覺傳感器、味覺傳感器等。嗅覺傳感器氣味掃描儀，一般由氣敏傳感器陣列、信號預(yù)處理單元和模式識別系統(tǒng)3個部分組成。味覺傳感器由味覺傳感器陣列、信號激發(fā)采集系統(tǒng)和多元數(shù)理統(tǒng)計系統(tǒng)三部分組成，感受被測液體樣品中的不同成分并輸出其響應(yīng)信號。

視覺傳感器或機器傳感器，又稱計算機視覺，利用圖像傳感器獲取物體圖像來模擬人的視覺功能[2]。在國外，機器視覺技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物生長狀況監(jiān)測（如田間雜草識別、農(nóng)作物病蟲害自動識別）、農(nóng)產(chǎn)品自動收獲和加工等農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域[3]。

1.3 智能傳感器在物理農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

在農(nóng)作物生長過程中，應(yīng)用物理農(nóng)業(yè)技術(shù)促進植物的生長發(fā)育，使得農(nóng)作物增產(chǎn)增值，提高抗病率，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護中發(fā)揮著巨大作用。種子經(jīng)過等離子處理來提高種子的活性，可提高作物的產(chǎn)量。而檢測種子活力的常規(guī)方法之一是生化測定法，包括2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）法、三磷酸腺苷（ATP）含量檢測法、酶活性測定法等[4]。

在農(nóng)業(yè)中，應(yīng)用聲波助長技術(shù)和空間電場防病促生技術(shù)，促進植物的生長發(fā)育，達到提高品質(zhì)以及增產(chǎn)增收等目的。而在植物生長過程中對溫濕度、光照強度、CO2含量等參數(shù)的調(diào)節(jié)可以使生長環(huán)境達到所需的最佳狀態(tài)。常用的傳感器有：光纖溫度傳感器、光纖濕度傳感器、光電傳感器、光纖CO2傳感器等。

1.3.1 傳感器在植物生長監(jiān)測過程中的應(yīng)用

溫濕度直接影響植物的生長，對這些數(shù)據(jù)的采集是農(nóng)業(yè)的整個調(diào)控系統(tǒng)中最重要的部分。

植物進行光合作用離不開光照，光照的減少，可能造成作物的減產(chǎn)，甚至不發(fā)育。光照強度傳感器，當(dāng)光照射到敏感元件使得敏感元件的電阻發(fā)生變化，經(jīng)過信號調(diào)理，得到光照強度。喬曉軍等[5]研發(fā)數(shù)字式寬量程光照傳感器，該傳感器通過單片機與自動量程變換電路對 “測量靈敏度”選擇及“分頻輸出選擇”的控制進行不同組合的改進，從而輸出一定頻率的頻率信號，單片機讀取該頻率信號并根據(jù)當(dāng)前的組合狀態(tài)即可確定當(dāng)前光照強度，提高了光照強度傳感器的靈敏度。現(xiàn)在常用的光照傳感器型號有：RY-WLCG02型無線光照度傳感器、環(huán)境監(jiān)測管式光照強度傳感器RY-G/BW、FC-GZD光照強度傳感器。

CO2是植物進行光合作用的主要原料，可以提高植物光合作用的強度，對于增產(chǎn)增值等方面有很大的作用。國內(nèi)外學(xué)者對CO2傳感器的研究中，OhoT等[6]開發(fā)了一種使用聚合合成物，可以在高濕度條件下對CO2含量進行測定，大大提高了測定范圍。Cui G等[7]設(shè)計了一個以Pt作為電極的CO2氣體傳感器裝置，該傳感器可用于水環(huán)境中對分解 CO2的測量。目前現(xiàn)在常用的氣體傳感器型號有：MH-Z16二氧化碳傳感器、紅外二氧化碳傳感器B-530、CO2傳感器模塊S-300E、GSS-MISIR二氧化碳傳感器等。

大多數(shù)的綠色植物體內(nèi)含有葉綠素，常用于測定葉綠素含量的傳感器如下：

（1）分光光度法葉綠素傳感器，它精度高適用面廣，但是過程繁瑣，費時費力，破壞葉片組織。

（2）活體葉綠素儀葉綠素傳感器，它的結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用范圍廣，但是靈敏度比較差。

（3）極譜法葉綠素傳感器，它的體積小，成本也比較打，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，但是精度比較低，要在一定的范圍內(nèi)才可以使用。

（4）光譜法葉綠素傳感器，它的靈敏度高，且測量實時、快速，不損害植物，但是成本高，一定時間需要維護。

基于葉綠素傳感器的研究，國內(nèi)學(xué)者已取得了先進研究成果。張可可等[8]以熒光誘導(dǎo)葉綠素檢測原理為基礎(chǔ)，將熒光誘導(dǎo)及微弱信號檢測技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了熒光葉綠素a傳感器。吳寧等設(shè)計了基于STM32單片機和FPGA的數(shù)字鎖相放大器的葉綠素傳感器，簡化了傳感器結(jié)構(gòu)，提高了其精度、穩(wěn)定性及抗干擾能力。

植物葉片厚度的變化與其水分狀態(tài)有著一定的對應(yīng)關(guān)系。在檢測葉片厚度的同時，間接計算出植物體內(nèi)的水分狀況，有利于對植物生長進行及時、精確的灌溉控制。李東升等[9]利用電阻應(yīng)變式微位移傳感器，開發(fā)了微米級葉片厚度測定傳感器，該傳感器線性度和分辨率都較高。此后，李東升等[10]又發(fā)明了一種差動電感式葉片厚度傳感器，提高了測量葉片厚度的靈敏度及分辨率。2010年，車嘉興[11]運用相機采集植物葉片區(qū)域圖像，進行濾噪處理后成功獲得葉片傾角與葉片尖端跟蹤分析信息。

除此之外，對于植物的生長還需要很對多種參數(shù)進行測量，都離不開傳感器的使用。根據(jù)人們所需要的參量選擇不同傳感器的構(gòu)建植物生理測量傳感器網(wǎng)，更好的促進農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，對于生態(tài)農(nóng)業(yè)的建設(shè)業(yè)有推動作用。例如：王嘉寧等人設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫室二氧化碳（CO2）濃度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感點、CO2濃度調(diào)控節(jié)、無線通信網(wǎng)絡(luò)和上位機軟件平臺構(gòu)成。采用紅外CO2測模塊S300作為傳感器節(jié)點的核心模塊對溫室CO2濃度進行實時測量，并將采集到的CO2濃度、溫濕度、光照等環(huán)境信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機軟件平臺，實現(xiàn)了對溫室環(huán)境的遠程監(jiān)控。

1.3.2 傳感器在土壤監(jiān)測中的應(yīng)用

不同植物的生長對土壤有著不同的要求，土壤的環(huán)境直接影響著植物的生長以及農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，現(xiàn)在常用于土壤監(jiān)測的傳感器的有：229土壤水勢傳感器、CS616土壤水分傳感器、CS650時域反射土壤含水量傳感器、Hydra ProbeⅡ土壤傳感器等。其中Hydra ProbeⅡ土壤傳感器同步測量土壤水分、電導(dǎo)率、鹽度和土壤溫度，能適應(yīng)于高鹽堿性土壤環(huán)境，持SDI-12和RS-485通訊協(xié)議。

土壤含水量是保持在土壤孔隙中的水分，其直接影響著作物生長、農(nóng)田小氣候及土壤的性能。在國外，Antonio-Javier Garcia-Sanchez等人[12]針對多個農(nóng)田的分散信息，實現(xiàn)了圖片信息的采集。Besson A等[13]設(shè)計了一種利用MUCEP（multicontinuous electrical profiling）技術(shù)測量土壤電阻系數(shù)從而監(jiān)測土壤水分的裝置。在國內(nèi)，孫彥景等[14]設(shè)計了農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)，該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的智能化和自動化。目前，在周口市統(tǒng)一安裝、使用了DZN2型自動土壤水分觀測儀。它是利用頻域反射法（frequancy domain reflection，F(xiàn)DR）原理，根據(jù)電磁波在不同介電常數(shù)中的頻率變化，計算土壤含水量，具有儀器安裝簡便、數(shù)據(jù)精度高、不破壞土層結(jié)構(gòu)等特點。它的使用不僅縮短了測定時間、減輕了測試人員的工作強度，實現(xiàn)了定點土壤水分的連續(xù)觀測，克服了傳統(tǒng)烘干稱重的不足，對于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)有很深的研究意義。

土壤養(yǎng)分對于作物生長有著至關(guān)重要的作用，養(yǎng)分中的氮、磷、鉀3種元素，是作物生長的必元素。目前，測定土壤養(yǎng)分的傳感器主要分為近紅外光譜分析土壤養(yǎng)分傳感器、化學(xué)分析土壤養(yǎng)分傳感器、分光光度計土壤養(yǎng)分傳感器等，可以根據(jù)自己需要的條件進行合理的選擇。目前，許多學(xué)者對土壤養(yǎng)分傳感器開展了大量研究，并取得了較大進展。Lee Jae-Seung等[15]將DNA功能化金納米比色法應(yīng)用到Hg2+的檢測，提高了靈敏度、選擇性。Tan Zhi-qiang等[16]利用濁點萃取并把功能化金納米作為探針，成功進行了可見比色檢測Hg2+。

2 展望

近幾年來，集成電路以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為傳感器技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著我國科技信息化的發(fā)展，自動化生產(chǎn)水平的不斷提高，對傳感器技術(shù)的需求不斷增加以及為滿足它的發(fā)展提出的更高的要求，使得在不久的將來，會通過開發(fā)材料、原理以及工藝等方面促進傳感器進一步發(fā)展，使它朝著智能化開發(fā)、仿生傳感器的研制、化學(xué)和生物傳感器技術(shù)的推進等多個方向發(fā)展。隨著智能傳感器的開發(fā)及其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的進一步應(yīng)用，將在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的道路上邁出具有標志性一步。

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