溫室傳感器技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用展望*

程 濤，荊 珮，沈 超，張 漫，李民贊

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

0 引言

溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的一種典型代表，目前在我國(guó)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。溫室從技術(shù)上的分類(lèi)主要為玻璃連棟、塑料連棟、日光溫室和塑料大棚［1］。目前，我國(guó)的溫室設(shè)施生產(chǎn)面積居世界第一。根據(jù)全國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)最新數(shù)據(jù)，截止2018 年全國(guó)溫室總面積189.42 萬(wàn)hm2，其中，日光溫室面積為57.75 萬(wàn)hm2，占總面積30.5%；塑料大棚126.24 萬(wàn)hm2，占總面積比66.6%；連棟溫室5.43 萬(wàn)hm2，占比2.9%［2］。雖然我國(guó)是溫室生產(chǎn)的面積大國(guó)，但還不是溫室生產(chǎn)的科技強(qiáng)國(guó)。當(dāng)前，我國(guó)溫室生產(chǎn)的整體科技含量不高，還是以消化和吸收外國(guó)技術(shù)為主。此外，我國(guó)溫室的生產(chǎn)集約化程度低、單位面積的產(chǎn)出率低、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重以及從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人口老齡化等問(wèn)題也比較突出。

設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種高投入、高產(chǎn)出、高效益的農(nóng)業(yè)，它力圖為農(nóng)產(chǎn)品各階段提供適宜的環(huán)境，以期擺脫自然條件和傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)的束縛，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品。設(shè)施農(nóng)業(yè)的技術(shù)組成主要有生物技術(shù)、環(huán)境技術(shù)和工程技術(shù)［3］。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能是現(xiàn)代工程技術(shù)的代表，它們正在引領(lǐng)傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)（智慧溫室）方向發(fā)展。智慧溫室的核心是信息的獲取、知識(shí)的利用［4］。數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的高低決定了系統(tǒng)整體性能的高低。我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)的短板主要有3 項(xiàng)，其中之一便是農(nóng)業(yè)專(zhuān)用傳感器落后、農(nóng)業(yè)傳感器自主創(chuàng)新力度不大［5］。

溫室傳感器概括起來(lái)可以分為兩類(lèi)：環(huán)境因素傳感器和植物體信息傳感器。文章將以設(shè)施農(nóng)業(yè)的溫室為主題，以這兩大類(lèi)傳感器為線(xiàn)索，詳細(xì)介紹在智慧農(nóng)業(yè)的大背景下溫室傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出當(dāng)前我國(guó)溫室傳感器的不足之處，并分析未來(lái)我國(guó)溫室傳感器的發(fā)展方向。

1 環(huán)境因素傳感器

1.1 光照傳感器

光照對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，同一種植物在不同光照條件下會(huì)出現(xiàn)不同的生物性狀。只有在光補(bǔ)償點(diǎn)之上，即植物的光合作用大于呼吸作用時(shí)，植物才會(huì)積累有機(jī)物而增加產(chǎn)量。當(dāng)光照強(qiáng)度不足時(shí)，植物的光合效率會(huì)降低，植物的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)放緩；當(dāng)光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)時(shí)，植物的光抑制會(huì)增強(qiáng)，也達(dá)不到最佳的生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)。因此，光照的調(diào)控對(duì)溫室十分重要。

將光學(xué)量數(shù)值轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電量數(shù)值的傳感器稱(chēng)為光電傳感器。光電傳感器的主要類(lèi)型有光敏電阻、光電池、光敏二極管和光照傳感器集成芯片等。光電傳感器需要具有線(xiàn)性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)［6］。光敏電阻是傳統(tǒng)的光電傳感器，其工作原理是將光照信號(hào)轉(zhuǎn)成模擬信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)。其電路比較復(fù)雜，費(fèi)用也比較高。并且光照強(qiáng)度和電阻阻值之間存在非線(xiàn)性關(guān)系，兩者之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系比較復(fù)雜且容易受到干擾，因而現(xiàn)在光敏電阻應(yīng)用較少［7］。目前應(yīng)用最為廣泛的是光電池，其中以硅光電池最為出名。在硅光電池流行之前，硒光電池也曾流行過(guò)，但由于其穩(wěn)定性較差而被代替。硅光電池產(chǎn)生的光電流與光照強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系，并且硅光電池的收光面積較大，還可以采用視覺(jué)校正、余弦校正技術(shù)來(lái)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，因而測(cè)量值比較精確［8］。此外，硅光電池還具有響應(yīng)時(shí)間短、轉(zhuǎn)化效率高、耐高溫輻射等優(yōu)點(diǎn)［9］，因此它是一個(gè)較為理想的光照感應(yīng)傳感器。

在智能溫室設(shè)計(jì)中被開(kāi)發(fā)人員選用的光照傳感器有很多，其中一款比較常見(jiàn)的傳感器是BH175FVI。BH175FVI 是由日本半導(dǎo)體公司ROHM 推出的一款用于兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)接口的數(shù)字型光照傳感器集成電路，利用I2C 總線(xiàn)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。工作電壓為2.4～3.6 V，測(cè)量范圍1～65 535 lx。BH175FVI 的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示［10］。光照通過(guò)接近人眼敏感度的光敏二極管PD 捕捉到，經(jīng)過(guò)集成運(yùn)算放大器AMP 將PD 電流轉(zhuǎn)成PD 電壓，又通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 獲取16 位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，最后在邏輯控制單元被處理和存儲(chǔ)。OSC 是內(nèi)部邏輯時(shí)鐘，為指令的執(zhí)行提供動(dòng)力［11］。還有一款比較常見(jiàn)的傳感器是S1087，S1087是由日本濱松公司生產(chǎn)的一種硅光電池。硅光電池的基本結(jié)構(gòu)是PN 結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上，一部分光被PN 結(jié)吸收，被PN 結(jié)吸收的光以光子的形式與半導(dǎo)體中的電子發(fā)生碰撞而結(jié)成電子-空穴對(duì)，這些電子-空穴對(duì)在PN 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)中發(fā)生偏移和聚集，因而產(chǎn)生光電勢(shì)［12］。不同的光電勢(shì)對(duì)應(yīng)不同的光照強(qiáng)度，這就是硅光電池的基本原理。另外，還有一些諸如TSL2550、GY-30 等其他型號(hào)的光照傳感器在智能溫室設(shè)計(jì)中也有被采用［13-14］。

圖1 BH175FVI 結(jié)構(gòu)框架Fig.1 BH175FVI structure block diagram

1.2 空氣溫度和濕度傳感器

空氣的溫度、濕度是溫室中最受關(guān)注的環(huán)境因素之一。適宜的溫度能為植物的生長(zhǎng)提供動(dòng)力。溫室溫度過(guò)低，植物的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)放緩；溫室溫度過(guò)高，又容易造成植物葉片的灼傷。溫室溫度的典型特點(diǎn)是晝夜溫差大。為了讓植物健康生長(zhǎng)，調(diào)控好溫度尤為重要。由于土壤水分的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用，溫室中濕度的典型特征是偏濕。溫室濕度過(guò)高，不利于植物生長(zhǎng)，并且還容易誘發(fā)病害。因此，監(jiān)控好溫室濕度、及時(shí)降濕是溫室調(diào)控中的重要舉措之一。

目前比較常用的溫度傳感器是電阻式溫度探測(cè)器、熱電偶和半導(dǎo)體溫度傳感器。電阻式溫度傳感器主要利用電阻值隨溫度的升高而增加的原理，其中常見(jiàn)的電阻式溫度傳感器的材料是鉑、鎳或銅。熱電偶是由兩種不同的金屬熔接在一起形成敏感結(jié)，溫度變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱電勢(shì)，這是熱電偶測(cè)量溫度的基本原理。常用的金屬有鉑、鉑銠合金、鐵、銅、鎳鉻合金等，此外碳、石墨和碳化硅等非金屬也可以作為熱電偶材料。半導(dǎo)體溫度傳感器可分為熱敏電阻和PN 結(jié)型溫度探測(cè)器兩種。熱敏電阻的阻值隨溫度的變化存在非線(xiàn)性關(guān)系，需要進(jìn)行線(xiàn)性修正。PN 結(jié)型溫度傳感器利用的是電壓與溫度的線(xiàn)性關(guān)系，與熱敏電阻相比不需要額外的處理，它是現(xiàn)代溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一［15］。濕度傳感器依托于濕敏元件，主要分為電阻式和電容式兩種。當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕材料上后，感濕材料的阻值、介電常數(shù)會(huì)發(fā)生很大的變化，這是濕敏元件的基本原理。電阻式濕敏元件主要包括氯化鋰濕敏元件、碳濕敏元件、陶瓷濕敏元件、氧化鋁濕敏元件等。電容式濕敏元件主要包括高分子聚合物、氯化鋰和金屬氧化物等［16］。

在智能溫室的設(shè)計(jì)中，溫度、濕度的獲取有采用集成的傳感器電路來(lái)測(cè)量的，也有采用各自專(zhuān)門(mén)的傳感器來(lái)測(cè)量的。溫濕度測(cè)量比較常用的一種集成傳感器是SHTxx 系列，其結(jié)構(gòu)框如圖2 所示［17］。SHTxx 系列是由瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的一種數(shù)字式溫濕度集成檢測(cè)傳感器，采用CMOSens 專(zhuān)利技術(shù)，將測(cè)溫元件、濕敏元件、A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路集成在一個(gè)芯片中。該傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。以SHT11 為例，該傳感器利用兩個(gè)傳感器產(chǎn)生溫度、相對(duì)濕度傳感器信號(hào)，溫度的測(cè)量范圍是-40℃～123.8℃，濕度的測(cè)量范圍是0～100%RH，默認(rèn)兩者的分辨率分別為14 位、12 位，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，分別送入A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)值修訂，最后經(jīng)過(guò)二線(xiàn)串行接口將數(shù)據(jù)送出［18］。還有一種常見(jiàn)的溫濕度集成傳感器是DHT11，該芯片由廣州奧松有限公司生產(chǎn)。其溫度的測(cè)量范圍是-20℃～60℃，濕度的測(cè)量范圍是20%～95%RH。DHT11 包含一個(gè)NTC 測(cè)溫元件和一個(gè)電阻式感濕元件，并與一個(gè)高性能8 位單片機(jī)相連，具有校驗(yàn)信號(hào)輸出功能。一次完整的數(shù)據(jù)輸出為40 位，分別為8 位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)、8 位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)和8 位校驗(yàn)和［19-20］。除了集成的溫濕度傳感器，還有一些專(zhuān)門(mén)的溫度、濕度傳感器。例如，專(zhuān)門(mén)測(cè)量溫度的美國(guó)Analog Devices 公司型號(hào)AD590 的PN 結(jié)溫度傳感器，專(zhuān)門(mén)測(cè)量濕度的起源于日本市場(chǎng)型號(hào)H 104 的陶瓷濕度傳感器［21］。

圖2 SHTxx 系列結(jié)構(gòu)框架（以SHT3x 為例）Fig.2 SHTxx series structure block diagram

1.3 CO2 傳感器

溫室中CO2的含量是近幾年越來(lái)越受關(guān)注的溫室環(huán)境因素之一。作為植物光合作用的重要原料，CO2的濃度高低直接決定了溫室產(chǎn)量的高低。除了通風(fēng)以平衡溫室中的CO2濃度外，適時(shí)地使用“氣肥”也是很受歡迎的舉措。植物生長(zhǎng)需要適合的CO2濃度，CO2濃度過(guò)高、過(guò)低都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。CO2濃度過(guò)高，會(huì)造成植物葉片卷曲，影響植物對(duì)氧氣的吸收，植物不能進(jìn)行正常的代謝活動(dòng)；CO2濃度過(guò)低，植物葉片暗淡而無(wú)光澤，容易讓植物產(chǎn)出異形果，同時(shí)也不利于植物增產(chǎn)。

目前出現(xiàn)的CO2傳感器主要分為紅外線(xiàn)式、電容式、電化學(xué)式、熱傳導(dǎo)式等，其中應(yīng)用最為廣泛的是電化學(xué)式和紅外線(xiàn)式。電化學(xué)式CO2傳感器剛進(jìn)入實(shí)用階段，抗干擾能力差、不穩(wěn)定。紅外線(xiàn)式CO2傳感器比較成熟，國(guó)內(nèi)外廠(chǎng)商均有生產(chǎn)，其精度高、功耗小、濃度檢測(cè)范圍大、穩(wěn)定性好，在市場(chǎng)上比較受歡迎［22］。固態(tài)電解質(zhì)CO2傳感器是電化學(xué)式CO2傳感器的一種，主要利用原理是當(dāng)CO2通過(guò)氣敏材料時(shí)會(huì)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電離子并形成電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)電動(dòng)勢(shì)的高低可反應(yīng)空氣中CO2濃度的高低［23］。紅外線(xiàn)式CO2廣泛采用的技術(shù)是非色散紅外檢測(cè)技術(shù)（NDIR），其理論原理是朗伯-比爾定律。不同的氣體由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，因而吸收光譜的特性存在差別，同一種氣體在光的不同波峰處吸收特性也是不同的，這就是氣體濃度測(cè)量的理論依據(jù)［24］。例如，CO2氣體在4.26 μm 左右的紅外波長(zhǎng)波段存在明顯的吸收峰，且不受空氣中其他氣體的影響［25］。

在智能溫室的實(shí)踐中，使用頻率較高的一家CO2傳感器生產(chǎn)公司是英國(guó)的GSS 公司［26］。該公司有很多CO2傳感器系列，比如COZIR 系列等。此外，瑞典森爾的S8-0053系列CO2傳感器在近年來(lái)的溫室CO2濃度檢測(cè)中也有被采用［27］。類(lèi)似還有諸如國(guó)外的B-530 CO2傳感器也在溫室智能調(diào)控中有所應(yīng)用［23，28］。上述幾種CO2的傳感器都是基于NDIR 技術(shù)的光學(xué)檢測(cè)方法，該方法是當(dāng)前CO2氣體檢測(cè)的主流方法。作為CO2檢測(cè)方法的另一種方法電化學(xué)法，雖然目前也有研究［29］，但距離大規(guī)模的應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路要走。

1.4 土壤相關(guān)的傳感器

土壤質(zhì)量的好壞直接決定植物生長(zhǎng)發(fā)育的好壞。該部分選取兩個(gè)角度來(lái)對(duì)土壤傳感器的研究進(jìn)行介紹，即土壤含水量、植物的營(yíng)養(yǎng)元素（氮、磷、鉀，肥料3 要素）。植物的生長(zhǎng)發(fā)育需要適宜的土壤水分，過(guò)低和過(guò)高都不利于植物的生長(zhǎng)。土壤含水量過(guò)低，會(huì)影響植物的蒸騰作用，減弱植物向上輸送無(wú)機(jī)鹽的動(dòng)力；土壤含水量過(guò)高，植物根部的呼吸會(huì)受阻，同時(shí)也容易造成根的腐爛。植物的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氮、磷、鉀的需求很大，但土壤中這3 種元素又相對(duì)較少，因而需要施加相應(yīng)的肥料。氮肥能促進(jìn)植物的枝葉發(fā)育，促進(jìn)葉綠素的形成；磷肥能促進(jìn)植物的開(kāi)花和結(jié)果，能增加植物的產(chǎn)量；鉀肥能促進(jìn)根部的生長(zhǎng)，提高植物的抗倒伏能力。檢測(cè)好土壤中氮、磷、鉀的含量是對(duì)土壤進(jìn)行變量施肥的第一步，這對(duì)精細(xì)作業(yè)具有相當(dāng)重要的指導(dǎo)意義。

目前土壤水分的測(cè)定大體可分為3 類(lèi)：取樣—定位測(cè)量法、遙感監(jiān)測(cè)法、模型模擬法［30］。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是取樣—定位測(cè)量法，下面主要介紹在取樣—定位測(cè)量法中常用的一些方法。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的土壤水分測(cè)量法是烘干法［31］。通過(guò)取樣泥土烘干前后的質(zhì)量差來(lái)間接計(jì)算土壤的水分含量。因?yàn)樵摲椒ǖ膶?shí)時(shí)性較差，所以大規(guī)模使用較少。常見(jiàn)的土壤水分的測(cè)量大都依靠傳感器來(lái)完成，根據(jù)傳感器的原理不同可分為介電法、中子儀法和張力計(jì)法等［32］。介電法對(duì)土壤水分比較敏感而受土壤環(huán)境影響較小，因而此方法使用較為廣泛。在介電法的基礎(chǔ)上，頻域反射法、時(shí)域反射法等方法被研發(fā)出來(lái)。這類(lèi)方法的原理是電磁波會(huì)在不同含水量的土壤中衰減不同，因而可以根據(jù)反饋電磁波的差異測(cè)得土壤含水量［33-34］。中子儀法則是根據(jù)射線(xiàn)經(jīng)過(guò)土壤的衰減量跟土壤含水量存在函數(shù)關(guān)系，然后再通過(guò)該關(guān)系的校準(zhǔn)來(lái)得到土壤含水量［35］。張力計(jì)法則是利用土壤水分對(duì)儀器的壓力跟土壤含水量的關(guān)系進(jìn)行函數(shù)修正來(lái)得到土壤的含水量［36］。在智能溫室的應(yīng)用中，趙強(qiáng)采用了FC-28 型土壤濕度傳感器來(lái)測(cè)量土壤的濕度，以達(dá)到對(duì)溫室草莓土壤濕度檢測(cè)的效果［8］。該傳感器有兩根極柱，像叉子一樣可插進(jìn)土壤中，同時(shí)其表面做了鍍鎳處理以增加傳感器的使用壽命。該傳感器是一種介電法的傳感器，兩極柱間的土壤相當(dāng)于一個(gè)電阻，通過(guò)阻值的不同來(lái)判斷土壤濕度。Yin Zhe 等［37］研制了一種可適用于室內(nèi)外的近紅外LED 反射率傳感器。該傳感器基于兩個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管，分別對(duì)應(yīng)為1 940 nm 的強(qiáng)吸水帶和1 800 nm 的弱吸水帶。通過(guò)對(duì)室內(nèi)4 種土壤樣本的實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器具有良好的實(shí)用性。Goswami M P 等［38］采用印刷電路板技術(shù)對(duì)邊緣場(chǎng)電容式土壤濕度傳感器進(jìn)行了優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)。傳感器用覆銅板制造并采用三維有限元法進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器的測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)重法的結(jié)果基本吻合。

傳統(tǒng)的土壤中氮、磷、鉀的測(cè)定方法都以化學(xué)法為主［39-41］，雖然測(cè)量準(zhǔn)確，但同樣也存在實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的問(wèn)題。光譜學(xué)的核心是利用不同官能團(tuán)對(duì)不同波段的吸收存在差異來(lái)進(jìn)行元素測(cè)定的，其在土壤營(yíng)養(yǎng)元素的測(cè)定中有廣泛的應(yīng)用。祁亞琴等［42］利用高光譜對(duì)土壤的營(yíng)養(yǎng)成分（全氮TN、全磷TP、全鉀TK）進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)和反復(fù)驗(yàn)證，證明了其歸一化的高光譜遙感模型取得了較好的成果。章濤等［43］總結(jié)前人對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)高光譜估算模型的研究，發(fā)現(xiàn)目前的高光譜估算模型呈現(xiàn)出多種模型耦合估算且計(jì)算復(fù)雜度逐步降低、致力于消除環(huán)境因素影響以及越來(lái)越貼近生產(chǎn)實(shí)際等趨勢(shì)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李民贊團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于土壤參數(shù)的光譜預(yù)測(cè)研究工作，研究對(duì)象以東北黑土和華北潮土為主，對(duì)土壤參數(shù)預(yù)測(cè)已經(jīng)取得較大的突破并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出便攜式土壤全氮實(shí)時(shí)分析儀等實(shí)用工具［44］。李民贊團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的便攜式土壤氮素含量測(cè)定儀通過(guò)管柱中的自帶光源照射，經(jīng)土壤漫反射回傳的光由InGaAs 光電探測(cè)器捕捉，光信號(hào)被轉(zhuǎn)為電信號(hào)，又通過(guò)對(duì)電信號(hào)的放大和濾波，后傳至89S52 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后在LCD 顯示結(jié)果并可以通過(guò)上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存［45］。Shi Tiezhu 等［46］在可見(jiàn)光/近紅外條件下，研究對(duì)比了逐步多元線(xiàn)性回歸、偏最小二乘回歸和支持向量機(jī)回歸在評(píng)估土壤總氮（Total Nitrogen，簡(jiǎn)稱(chēng)TN）含量的表現(xiàn)，結(jié)果表明，偏最小二乘回歸（PLSR）是該研究中估算TN含量最合適的方法。此外，該文獻(xiàn)還得出在PLSR 模型中1 450 nm、1 850 nm、2 250 nm、2 330 nm 和2 430 nm 附近的光譜帶是重要的波長(zhǎng)，而且在光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理中，光譜反射率的一階導(dǎo)數(shù)比二階導(dǎo)數(shù)更適合應(yīng)用。

表1 環(huán)境因素傳感器Table 1 Environmental factors sensors

2 植物體信息傳感器

2.1 植物溫度傳感器

植物的冠層溫度是指植物不同高度葉片溫度的平均值，是植物溫度測(cè)量中備受關(guān)注的要素之一。植物的冠層溫度是外界環(huán)境因素和植物體自身共同作用的結(jié)果，同時(shí)植物產(chǎn)量的高低與植物溫度的高低也息息相關(guān)。通過(guò)對(duì)葉溫的測(cè)量，可了解植物的生長(zhǎng)狀況來(lái)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。例如，當(dāng)葉溫比空氣溫度高時(shí)，可考慮土壤是否缺水。因?yàn)橥寥浪植蛔銜r(shí)，植物的蒸騰作用會(huì)減弱，植物葉溫會(huì)變高。

植物葉溫測(cè)量法可以分為接觸式測(cè)溫、非接觸式測(cè)溫和葉溫模型估計(jì)3 種方法［47］。接觸式測(cè)溫有熱電阻測(cè)溫和熱電偶測(cè)溫。熱電阻測(cè)溫是根據(jù)已知電阻隨溫度變化而變化的原理制成。不同的溫度會(huì)導(dǎo)致電阻的阻值不同，進(jìn)而導(dǎo)致電阻兩端的電壓不同，然后對(duì)電壓進(jìn)行放大、A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算來(lái)得到對(duì)應(yīng)的溫度值。常見(jiàn)的熱電阻材料是鉑電阻。熱電偶測(cè)溫也是一種將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的溫度傳感器，和熱電阻不同的是它的測(cè)溫敏感結(jié)構(gòu)是熱電偶。CB-0231 熱電偶測(cè)溫儀是一種典型的熱電偶溫度傳感器，該儀器由CID 生態(tài)科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)，是我國(guó)首次向市場(chǎng)推送的用于生理生態(tài)研究和教學(xué)的儀器。非接觸測(cè)溫有紅外測(cè)溫和紅外熱成像測(cè)溫。紅外溫度傳感器是根據(jù)葉片溫度不同向外輻射能力不同的原理，通過(guò)捕捉葉片發(fā)出的紅外輻射大小來(lái)判斷溫度的高低。相對(duì)于接觸式測(cè)溫而言，紅外測(cè)溫方法具有不損傷植物、響應(yīng)快、測(cè)溫范圍廣和精度高等優(yōu)點(diǎn)。紅外熱成像測(cè)溫是把物體的紅外輻射通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)轉(zhuǎn)化成熱圖像，從而得到物體表面各點(diǎn)的溫度。紅外熱成像測(cè)溫的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，為實(shí)時(shí)監(jiān)控植物的生長(zhǎng)狀態(tài)提供了可能。葉溫模型主要通過(guò)對(duì)外界環(huán)境因素（如：空氣溫濕度、土壤含水量等）進(jìn)行建模來(lái)間接計(jì)算葉溫。但葉溫模型對(duì)植物種類(lèi)依賴(lài)過(guò)高，不同植物的葉溫預(yù)測(cè)模型通常是不同的。

在智能溫室的實(shí)踐中，王春生［48］采用DS18B20 作為葉片溫度傳感器進(jìn)行植物體溫度的采集。該溫度傳感器是一種接觸式測(cè)溫傳感器，測(cè)溫時(shí)需要用塑料夾將DS18B20與葉片夾緊進(jìn)行測(cè)定。該文獻(xiàn)把以色列PTM-48A 葉片溫度傳感器的測(cè)定值作為標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)比表明DS18B20 直接測(cè)定的值還需要進(jìn)一步修正。由于接觸式測(cè)溫儀器直接暴露在空氣中，受空氣溫度影響較大，這是造成DS18B20 測(cè)量誤差的主要原因。植物葉溫的測(cè)量用途大體可分為3 類(lèi)：植物生理健康的應(yīng)用、灌溉指導(dǎo)和抗旱基因篩選、產(chǎn)量預(yù)測(cè)［49］。Minyoung Kim 等［50］利用熱紅外技術(shù)對(duì)溫室黃瓜采用3 種不同的灌溉策略，成功證明了熱紅外技術(shù)在測(cè)量植物水分脅迫方面具有良好的效果。Hackl H 等［51］利用田間模擬實(shí)驗(yàn)比較了高分辨率熱像法和紅外測(cè)溫法在區(qū)分水分脅迫方面的作用。實(shí)踐表明，在植物密植條件下，簡(jiǎn)單的紅外測(cè)溫法取得的效果與復(fù)雜的高分辨率熱像法取得的效果類(lèi)似。Wu Ziming 等［52］采用手持式紅外測(cè)溫儀M312216 對(duì)早稻和晚稻葉片溫度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)后期降低葉溫，增加葉氣溫差，可增加產(chǎn)量。不同基因品種的作物在生長(zhǎng)階段的葉溫也不同，因此葉溫可以作為高產(chǎn)品種篩選的參考之一。

2.2 植物水分傳感器

植物水分檢測(cè)最初都是靠測(cè)量土壤水分來(lái)間接檢測(cè)，但這種方法存在滯后性、水資源浪費(fèi)過(guò)多的問(wèn)題。檢測(cè)好植物體的水分對(duì)灌溉決策、節(jié)約用水和觀測(cè)植物體的生長(zhǎng)狀況具有重要的指導(dǎo)意義。我國(guó)水資源絕大多數(shù)都用于農(nóng)產(chǎn)品灌溉，但由于供水設(shè)備的落后，導(dǎo)致我國(guó)的水資源利用率在30%～40%之間，發(fā)達(dá)國(guó)家的利用率則高達(dá)80%以上［53］。我國(guó)的人均水資源比較少，因此農(nóng)業(yè)節(jié)水的技術(shù)水平亟待提高，其中準(zhǔn)確地檢測(cè)好植物的含水狀態(tài)是節(jié)水工作的重要一環(huán)。

水分從植物的根部吸收進(jìn)入植物體，經(jīng)過(guò)木質(zhì)部的導(dǎo)管從莖部把水分送往植物的葉子。因此，根部的水分含量大于莖部的水分含量，莖部的水分含量大于葉子的水分含量。從植物水分測(cè)量的角度看，根部埋藏在地下使得測(cè)量比較困難，莖部的粗細(xì)不一致使得測(cè)量容易產(chǎn)生偏差。綜合考慮來(lái)看，葉子是比較理想的植物水分測(cè)量部位［54］。葉子的厚度和水分含量必然存在函數(shù)關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，植物含水量高，葉子就相對(duì)較厚。但是，這種函數(shù)關(guān)系必須在葉子亞微米級(jí)的厚度范圍下才能實(shí)現(xiàn)，所以這對(duì)傳感器精度提出了很高的要求。這種微型厚度增量的測(cè)量運(yùn)用的是位移轉(zhuǎn)換的原理，常見(jiàn)的方法有3種：電感法、電容法和應(yīng)變法［55］。電感法的精度不能達(dá)到亞微米級(jí)的精度，而應(yīng)變法受溫度影響較大，因此電容法是理想的厚度增量測(cè)量法。電容法是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化成電容量的變化，其中傳感器極板常見(jiàn)的有3 種：變面積型、變極距型和變介電常數(shù)型。3 種類(lèi)型的傳感器極板在實(shí)踐中均有應(yīng)用，其中變介電常數(shù)型的極板類(lèi)型用得較多一些。在傳感器的材料選擇上以輕型耐腐蝕材料和非金屬材料為主，如鋁合金、工程塑料等。

張新［56］提出了兩種對(duì)智能溫室有啟發(fā)意義的無(wú)創(chuàng)判定植物是否缺水的方法。（1）對(duì)植物的葉片數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云收集，將葉片的萎蔫程度與缺水程度進(jìn)行建模，通過(guò)圖像處理來(lái)判斷植物是否缺水；（2）采用駐波率原理，通過(guò)環(huán)形傳感器對(duì)植物進(jìn)行夾持，當(dāng)植物莖部含水量不同時(shí)會(huì)引起駐波率的變化，進(jìn)而引起傳感器兩端電壓的變化，通過(guò)電壓值可間接得到植物的含水量。Zheng Lihua 等［57］利用植物不同含水量的生理電學(xué)性質(zhì)不同，研制了一種基于四電極法的植物電學(xué)性質(zhì)檢測(cè)儀。該儀器由兩個(gè)向物體注入恒定交流電的電流探針和兩個(gè)測(cè)量電極間電壓差的電壓探針組成，用電壓差來(lái)評(píng)價(jià)葉片含水量。Seelig H 等［58］利用高精度的電子距離傳感器對(duì)溫室條件下的豇豆葉片進(jìn)行測(cè)量，把葉片的測(cè)量結(jié)果作為植物是否灌溉的指導(dǎo)因素。通過(guò)與定時(shí)灌溉策略的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該方法可以節(jié)約25%～45%的用水量。Jia Jiannan 等［59］利用近紅外光譜技術(shù)設(shè)計(jì)了一種反射式植物水分檢測(cè)儀。該儀器的信號(hào)采集采用三個(gè)不同波長(zhǎng)的LED 輪流發(fā)光、一個(gè)光頻轉(zhuǎn)換器接收的方式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器的預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)測(cè)量值基本一致，相關(guān)系數(shù)約為0.82。

2.3 植物營(yíng)養(yǎng)元素傳感器

植物營(yíng)養(yǎng)元素（此處特指植物的氮、磷、鉀）對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育極其重要。對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素的檢測(cè)是對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素的間接檢測(cè)，該方法具有一定滯后性且容易造成資源的浪費(fèi)，因此最直接的方法就是對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素直接檢測(cè)。在對(duì)活體植物的營(yíng)養(yǎng)元素檢測(cè)中，必須滿(mǎn)足不影響植物生長(zhǎng)（微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)）、檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，這對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素的檢測(cè)提出了較高的要求。

植物氮元素的檢測(cè)是植物營(yíng)養(yǎng)元素的檢測(cè)中研究最多的，該部分以氮元素的檢測(cè)為例介紹一下目前常見(jiàn)的植物營(yíng)養(yǎng)元素檢測(cè)方法。光譜學(xué)在植物氮素的快速檢測(cè)中有重要的應(yīng)用，從原理上分可分為3 種：被動(dòng)光源的氮素檢測(cè)、主動(dòng)光源的氮素檢測(cè)和多波段激光雷達(dá)檢測(cè)［60］。被動(dòng)光源的氮素檢測(cè)是獲取植物對(duì)太陽(yáng)光特征波段反射率來(lái)構(gòu)建反映植被氮素的植被指數(shù)對(duì)植物氮素進(jìn)行探測(cè)。常見(jiàn)的被動(dòng)光源的氮素檢測(cè)儀有德國(guó)Yara公司的N-Sensor 等。主動(dòng)光源的氮素檢測(cè)是利用人為光源對(duì)植物進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)尺度不同可分為葉片尺度的氮素檢儀器和冠層尺度的氮素檢儀器。葉片尺度的氮素測(cè)量?jī)x是通過(guò)對(duì)單片葉片的透過(guò)率來(lái)分析氮素含量。常見(jiàn)的葉片尺度的氮素測(cè)量?jī)x有日本Konic Minolta 的SPAD-502 等。冠層尺度的氮素測(cè)量?jī)x是朝植物冠層發(fā)射一定頻率的閃爍的光，接收其反射光并在處理時(shí)濾去環(huán)境光的影響，通過(guò)對(duì)光反射率的計(jì)算來(lái)獲得植物氮素。常見(jiàn)的冠層尺度的氮素測(cè)量?jī)x有美國(guó)Trimble Navigation 公司的GreenSeeker、日本Topcon 公司的CropSpec 等。多波段激光雷達(dá)具有兩個(gè)及以上的出射波段，可以同時(shí)獲得距離信息和光譜信息。多波段激光雷達(dá)一般采用發(fā)射合束、接收分束的方法，通過(guò)對(duì)光束各段的前后差異分析、計(jì)算來(lái)得到所要的結(jié)果。常見(jiàn)的設(shè)備有美國(guó)NASA 的LiDAR等。

在智能溫室的應(yīng)用中，楊瑋等［61］對(duì)溫室黃瓜利用近紅外圖像與葉片氮素含量進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析。圖片采集用普通CCD 相機(jī)和濾光片，對(duì)采集的圖片利用小波變換進(jìn)行消噪處理，后利用基于鄧氏關(guān)聯(lián)度的圖片分割算法對(duì)圖片進(jìn)行分割，再通過(guò)計(jì)算灰度值得到葉片植被指數(shù)。最后，利用最小二乘支持向量機(jī)算法對(duì)4 種植被指數(shù)，組合歸一化植被指數(shù)（CNDVI）、綠色歸一化植被指數(shù)（GNDVI）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）和歸一化差異綠度植被指數(shù)（NDGI），與葉片含氮量進(jìn)行了相關(guān)性分析，驗(yàn)證R2達(dá)到了0.728，取得了理想的結(jié)果。Zhang Xiaolei 等［62］利用近紅外高光譜成像技術(shù)獲取了波長(zhǎng)范圍在380～1 030 nm 的140 個(gè)油菜葉片樣本。利用偏最小二乘回歸和最小二乘支持向量機(jī)將養(yǎng)分含量與光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并利用回歸系數(shù)確定有效波長(zhǎng)，降低光譜數(shù)據(jù)的維度。通過(guò)把最優(yōu)標(biāo)定模型應(yīng)用于高光譜圖像的每個(gè)像素點(diǎn)，可得到油菜葉片中氮、磷、鉀含量的分布圖，這對(duì)活體植物的原位檢測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義。Habibullah M 等［63］制作了一款便攜式的葉片氮素檢測(cè)儀，該儀器使用兩個(gè)多光譜傳感器，可見(jiàn)光（VIS）和近紅外（NIR），利用高斯過(guò)程回歸（GPR）算法在溫室條件下對(duì)油菜、玉米、大豆和小麥4 種植物進(jìn)行測(cè)試并取得了良好的效果。Sun Guoxiang 等［64］提出了一種基于多視點(diǎn)高光譜的三維建模方法，根據(jù)傅里葉變換原理將植物多光譜反射率記錄到深度坐標(biāo)上。最后，利用反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPANN）、支持向量機(jī)回歸（SVMR）和高斯過(guò)程回歸（GPR）方法，分別構(gòu)建了基于植物多光譜三維點(diǎn)云模型反射率特征的番茄植株氮、磷、鉀含量的確定模型，這些都為溫室番茄植株中氮、磷、鉀含量的測(cè)定提供了高效、準(zhǔn)確的方法。

表2 植物體信息傳感器Table 2 Plant information sensors

3 結(jié)論

該文將溫室傳感器分為兩類(lèi)：環(huán)境因素傳感器和植物體信息傳感器。環(huán)境因素傳感器分為光照傳感器、空氣溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和土壤相關(guān)的傳感器；植物體信息傳感器分為植物溫度傳感器、植物水分傳感器和植物營(yíng)養(yǎng)元素傳感器。通過(guò)這7 部分的劃分，逐個(gè)介紹了當(dāng)前比較流行的各因素傳感器的發(fā)展?fàn)顩r。硅光電池在光照傳感器中用得最多；半導(dǎo)體PN 結(jié)型傳感器是空氣溫度傳感器的一個(gè)有前景的方向；電阻式和電容式的感濕材料在空氣濕度傳感器中都有廣泛的應(yīng)用；紅外線(xiàn)式二氧化碳傳感器是空氣二氧化碳測(cè)量的主流；光譜學(xué)在土壤和植物體信息獲取中發(fā)揮著越來(lái)越重要的角色。此外，我國(guó)的溫室傳感器相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家還是落后一些。目前，我國(guó)的溫室傳感器研究大部分還是在實(shí)驗(yàn)室階段，而部分發(fā)達(dá)國(guó)家的傳感器制品已經(jīng)推向市場(chǎng)了。但我國(guó)溫室體量大、需求高，加上國(guó)家越來(lái)越重視，相信我國(guó)的溫室傳感器會(huì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步。

針對(duì)上述的總結(jié)，未來(lái)的溫室傳感器的發(fā)展方向可能有以下幾點(diǎn)［65-68］。

（1）專(zhuān)用傳感器的研究會(huì)越來(lái)越多，且領(lǐng)域會(huì)不斷細(xì)分。目前大部分應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的傳感器都是從工業(yè)傳感器過(guò)渡而來(lái)，而且農(nóng)業(yè)傳感器大都還在跨領(lǐng)域使用。隨著傳感器研究的不斷深入，溫室傳感器的研究必然更加專(zhuān)門(mén)化。

（2）溫室傳感器會(huì)朝向體積小、精度高、非接觸式的方向不斷發(fā)展。隨著制造工藝和材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，未來(lái)的傳感器會(huì)越來(lái)越易于攜帶，測(cè)量方式也會(huì)越來(lái)越友好，并且測(cè)量結(jié)果也會(huì)越來(lái)越可信。

（3）傳感器的信息融合趨勢(shì)會(huì)愈加明顯。單個(gè)傳感器可能會(huì)融合越來(lái)越多的修正信息來(lái)提高傳感器的精度。多個(gè)傳感器可能會(huì)更加注意集群協(xié)作，通過(guò)群智能的方式來(lái)提高測(cè)量的精度。

（4）土壤領(lǐng)域的傳感器和植物體信息傳感器可能成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。土壤的信息比較豐富、測(cè)量難度較大，未來(lái)土壤領(lǐng)域的研究肯定越來(lái)越多。植物體信息傳感器的測(cè)量對(duì)象更直接，也可能會(huì)引發(fā)更多的研究者關(guān)注。