傳感器技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用

楊嘉鵬，劉 巖，海 玲

（新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆烏魯木齊830023）

傳感器技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用

楊嘉鵬，劉 巖，海 玲

（新疆工程學(xué)院電氣與信息工程系，新疆烏魯木齊830023）

介紹傳感器概念，并舉例闡述傳感器在我國農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)產(chǎn)品加工及檢測(cè)和動(dòng)植物診斷方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。通過探討，說明傳感器在我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展道路上的促進(jìn)作用，大力發(fā)展傳感器技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效、節(jié)能的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有巨大的影響。

傳感器；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

0 引言

我國是世界農(nóng)業(yè)大國，近年來，我國在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域投入大量資金，農(nóng)業(yè)機(jī)械化及裝備技術(shù)、科研水平大幅提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步走向信息化、自動(dòng)化、智能化的道路。進(jìn)入“十三五”以來，采用計(jì)算機(jī)智能化管理使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加科學(xué)、精準(zhǔn)，能節(jié)約更多的人力、物力，同時(shí)有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與科研人員對(duì)生產(chǎn)過程中遇到的各種問題進(jìn)行預(yù)防與處理[1-2]。在信息化農(nóng)業(yè)中，常需要我們獲得環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度、氣體濃度等信息，如何有效獲取這些信息是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵問題[3]，而現(xiàn)代傳感器技術(shù)則為解決這個(gè)問題提供了技術(shù)支持。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，對(duì)自然界的各種物質(zhì)信息都需要通過傳感器進(jìn)行采集，然后反饋到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，如果把計(jì)算機(jī)比作大腦，那么傳感器就相當(dāng)于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化設(shè)備、智能機(jī)器人的“感覺器官”，用來獲取外界的各種信息，以供計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理[4]。傳感器在現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展中起到基礎(chǔ)和支柱作用，是衡量科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平標(biāo)志之一。

1 傳感器技術(shù)概況

1.1 傳感器技術(shù)基本原理

傳感器就是利用物理效應(yīng)、生物效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)把被測(cè)量的非電量轉(zhuǎn)換成電量的元器件，簡(jiǎn)單來說，傳感器就相當(dāng)于一個(gè)測(cè)量裝置，可以測(cè)量溫度、土壤濕度、氣體濃度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路組成，敏感元件用來響應(yīng)待測(cè)量的非電量，轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的非電量轉(zhuǎn)換成電量，而轉(zhuǎn)換電路則將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量轉(zhuǎn)變?yōu)樗枰碾娏繀?shù)（電壓或電流）輸出。根據(jù)傳感器輸入非電量的不同，常用傳感器有流體量傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、電量傳感器、生物量傳感器等，在工、農(nóng)業(yè)的智能化控制領(lǐng)域中使用傳感器，相當(dāng)于使生產(chǎn)設(shè)備具備了“五官”，可向工作人員反應(yīng)其最原始的信息[5]。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)的發(fā)展，低成本、低功耗、多功能的傳感器近年來得到了快速發(fā)展，在傳感器內(nèi)部嵌入無線收發(fā)器，微處理器等元件，不僅可使其具備數(shù)據(jù)處理能力，還可通過傳感器進(jìn)行無線通信。將這些包含不同功能的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在環(huán)境中，可以監(jiān)測(cè)周圍多種環(huán)境指標(biāo)，如溫度、濕度、土壤成分、壓強(qiáng)等[6]，同時(shí)這些傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信和自組織方式形成多跳的網(wǎng)絡(luò)，將所采集的數(shù)據(jù)和信息傳送到遠(yuǎn)端，用來幫助完成指定任務(wù)，就構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，是一種面向任務(wù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前已在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、天氣氣候分析、軍事應(yīng)用等方面大量應(yīng)用[7-8]。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域作為傳感器應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，已在農(nóng)業(yè)機(jī)械化、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及農(nóng)產(chǎn)品加工檢測(cè)方面進(jìn)行了應(yīng)用，并取得了較大的成果。

2 傳感器技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備方面的應(yīng)用

隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的大力推進(jìn)，傳感器在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的試驗(yàn)、生產(chǎn)、制造方面得到了廣泛的應(yīng)用。吳艷艷等人[9]通過在精密播種機(jī)的排種器上安裝光電傳感器，使得排種器在發(fā)生種子堵管時(shí)，光電傳感器可將堵塞信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)裝置中，以供作業(yè)人員及時(shí)處理，同時(shí)為了保證播種間距，準(zhǔn)確地獲取播種作業(yè)速度，還在播種機(jī)傳動(dòng)裝置上安裝霍爾傳感器，可將播種機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋到監(jiān)測(cè)裝置中，用來獲取播種機(jī)在不同農(nóng)田上以及對(duì)不同農(nóng)作物播種時(shí)的最佳工作速度。將傳感器安裝在農(nóng)機(jī)具試制裝備中，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，測(cè)定機(jī)具的各項(xiàng)參數(shù)，改進(jìn)試制農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度、工作性能、降低工作能耗。梁宇達(dá)等人[10]設(shè)計(jì)的切斷式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)，在收割機(jī)上的液壓系統(tǒng)上安裝壓力傳感器，用來獲取液力行走系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)行走阻力及負(fù)載分析，確定了收割機(jī)行走過程中使用的最優(yōu)底盤為履帶式。

2.2 傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用

近年來，隨著無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)的的飛速發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的研究熱點(diǎn)。廣義上來說，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是將人、農(nóng)作物、環(huán)境、生產(chǎn)工具緊密聯(lián)合到一起，從農(nóng)作物的生長(zhǎng)、收割、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、銷售等環(huán)節(jié)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行種植、管理和跟蹤的網(wǎng)絡(luò)；狹義來說，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指通過分布與田間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中的的精細(xì)化管理。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，傳感器起著很重要的作用。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)中，通過田間布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用土壤溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、風(fēng)速傳感器等獲取的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、氣體濃度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)經(jīng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)程客戶端上，遠(yuǎn)端系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)出指令，對(duì)田間的灌溉裝置執(zhí)行器進(jìn)行控制，提供農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的合適水量。田間無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程客戶端形成了一個(gè)精準(zhǔn)高效的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者不必親臨現(xiàn)場(chǎng)，就能準(zhǔn)確對(duì)田間農(nóng)作物節(jié)水澆灌控制，節(jié)約了人力物力；同時(shí)，科研人員還可通過電腦、移動(dòng)終端對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，準(zhǔn)確把握農(nóng)時(shí)，做好農(nóng)業(yè)防災(zāi)預(yù)警，確保農(nóng)業(yè)豐收。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的田間遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)見圖1。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的田間遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

有研究人員將傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在在溫室大棚種植方面，在溫室安裝光照強(qiáng)度傳感器、CO2傳感器等，將光照強(qiáng)度、CO2等動(dòng)態(tài)信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破髦校刂破鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，通過執(zhí)行裝置對(duì)溫室濕簾風(fēng)機(jī)、噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、頂窗側(cè)窗進(jìn)行控制，在溫室內(nèi)建立一個(gè)適合作物生長(zhǎng)的最優(yōu)環(huán)境。

2.3 傳感器技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工檢測(cè)方面的應(yīng)用

一般的農(nóng)產(chǎn)品都需要分類加工，如番茄除青果，大米除雜、棉種分選，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的后道工序。農(nóng)產(chǎn)品分選時(shí)多使用的是色選裝置，而充當(dāng)色選裝置“眼睛”的就是傳感器，從普通的光電傳感器，到復(fù)雜的圖像傳感器，通過傳感器可以識(shí)別出農(nóng)產(chǎn)品中的雜質(zhì)或不成熟體，并反饋給系統(tǒng)進(jìn)行篩除，也可以通過高精度的圖像傳感器對(duì)種子表面進(jìn)行損傷、顏色、缺陷識(shí)別，以便進(jìn)行分級(jí)處理。例如周敬東等人[11]研制的油茶果色選機(jī)，就是采用高清的圖像傳感器CCD相機(jī)對(duì)下落的油茶果果殼與籽進(jìn)行圖像采集，并通過色選機(jī)進(jìn)行分選，可實(shí)現(xiàn)果殼與籽的95%選凈率。

在農(nóng)產(chǎn)品的的檢測(cè)方面，近年來新興起了電子鼻檢測(cè)技術(shù)，就是借助氣敏傳感器來識(shí)別氣味，并可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間、地點(diǎn)采集的氣味持續(xù)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。電子鼻系統(tǒng)主要由傳感器陣列和識(shí)別系統(tǒng)組成，傳感器陣列上分布多種氣敏傳感器，每個(gè)傳感器可識(shí)別不同氣體，因此電子鼻可同時(shí)檢測(cè)多種氣體，并通過識(shí)別系統(tǒng)反饋出來。運(yùn)用電子鼻技術(shù)，可以檢測(cè)出果蔬產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留濃度，不同水果的成熟度。顏廷才等人[12]借助電子鼻技術(shù)對(duì)不同品種葡萄果實(shí)揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行主成分分析，成功將4個(gè)葡萄品種區(qū)分開，另外，谷類在存儲(chǔ)時(shí)，會(huì)揮發(fā)出氣體，借助電子鼻也可有效地對(duì)氣體進(jìn)行分析，以便判斷是否變質(zhì)并進(jìn)一步處理。

2.4 傳感器技術(shù)在動(dòng)植物診斷方面的應(yīng)用

我國農(nóng)村在動(dòng)物養(yǎng)殖及植物栽培方面存在著布局分散、診治專家短缺、瘟病、病蟲害頻發(fā)等困難，大唐電信[13-14]研制了農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，集音、視頻于一體，可實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)、診斷。該系統(tǒng)是由傳感器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、專家信息平臺(tái)3個(gè)部分構(gòu)成，可對(duì)動(dòng)物養(yǎng)殖及植物栽培過程中部分災(zāi)害進(jìn)行有效防治。我國也有部分地區(qū)已將傳感器技術(shù)運(yùn)用到測(cè)土配方施肥當(dāng)中，可使農(nóng)戶將植物生長(zhǎng)情況數(shù)據(jù)通過終端傳輸給農(nóng)業(yè)專家，專家給予有效的解決方案，對(duì)植物實(shí)現(xiàn)精細(xì)化施肥，提高生產(chǎn)效率。

3 展望

隨著我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，傳感器在農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)需求、農(nóng)業(yè)機(jī)械化裝備、農(nóng)產(chǎn)品加工儲(chǔ)存等方面已應(yīng)用越來越廣泛，但仍需要研發(fā)新的低功耗、低成本、高穩(wěn)定性的傳感器元件。而隨著嵌入式技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，新型納米材料在集成電路中的應(yīng)用，使傳感器趨于智能化、集成化、微型化的方向發(fā)展，未來更多新型傳感器的開發(fā)應(yīng)用，必將給我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來更大的變化。

[1]孫克，吳海華，雷鵬.傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程，2015，5（2）：32-35.

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The Application of Sensor Technology in Modern Agriculture

YANG Jiapeng，LIU Yan，HAI Ling
（School of Electrical Information Engineering Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi，Xinjiang 830023，China）

Concept of sensor are introduced.Application of sensor technology in agricultural machinery equipment，agricultural interenet of things，agricultural products detection and animal and plant diagnostic are expounded.Through the discussion，this study illustrates the sensors played an important role of modern agriculture development in our country，sensor technology will have tremendous effect on Agricultural production of high yield，high efficiency，energy saving.

sensor；agricultural interenet of things；modern agricultural

S129

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.05.017

1671-9646（2017）05b-0054-03

2017-02-14

楊嘉鵬（1983—），男，碩士，講師，研究方向?yàn)閭鞲袊碳夹g(shù)及相關(guān)應(yīng)用。