传感器在精准农业中的应用_郭佩佩

传感器在精准农业中的应用

郭佩佩1，黄家怿1，谢秋波2，陈万云1

（1.广州市健坤网络科技发展有限公司，广东广州510630；2.广东省现代农业装备研究所，广东广州510630）

摘要：加快我国精准农业发展速度，拓宽其普及应用范围，发展高效、稳定、价格低廉的传感器至关重要。介绍了生物传感器、电子舌、电子鼻、机器视觉等新型传感器的基本原理及其在农业领域的应用现状，并探讨了在农副产品生产、加工、储运和流通的各个环节对传感器的不同需求，同时对农情监控传感器的发展方向进行展望。

关键词：传感器；新型；应用；精准农业

中图分类号：TP212.9文献标识码：A文章编号：1004-874X（2014）05-0232-05 Application of sensors in precision agriculture

GUO Pei-pei1,HUANG Jia-yi1,XIE Qiu-bo2,CHEN Wan-yun1

(1.Guangzhou Jiankun Network Technology Development Company Limited,Guangzhou510630,China;

2.Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment,Guangzhou510630,China)

Abstract:To accelerate the pace of precision agriculture and broaden its application,it is quite important to develop multifunctional sensors with high efficient,stable and inexpensive features.This paper mainly summarized the working principles of new type sensors and their application in agriculture,such as biosensor,electronic tongue,electronic nose and machine vision,etc.And then,the particular demands of each agricultural stage for sensors also have been discussed, including production,processing,storage,transportation and distribution.Finally,the future direction of agricultural monitoring sensors was prospected.

Key words:sensor;new type;application;precision agriculture

21世纪至今，信息技术高速发展，促进传统“粗放型”农业生产方式向“精准化”方向发展。目前，我国农业信息化科技工作的重点集中在农业物联网、精准农业、数字农业和农业农村信息服务等关键技术的研发方面。其中，可靠、稳定信息的在线获取手段是亟待解决和提升的关键技术之一。

传感器技术是物理、化学、材料、电子、生物等多门学科汇聚发展起来的一门多类型交叉学科技术，是现代信息技术的重要基础之一，被视为信息传递的主要手段和途径。世界各国普遍重视传感器技术并加大了科研经费的投入，美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一，促进传感器技术迅速发展，且通过产业化投入，产品种类繁多，推广应用领域广阔。我国虽早已将传感器技术列为国家“八五”重点攻关项目，以及中长期科技发展重点新技术之一，但由于受经济水平及资金限制，使得传感器核心技术较少、创新力较弱、应用范围较窄。近年来，随着高科技的深入发展，科研人员在基础理论和应用研究方面不断深入，使得传感器技术不断得到提高，且在农业领域应用种类越来越多，应用领域越来越广，对推动农业信息化、现代化发展起着重要的作用。

1传感器

1.1传感器的工作原理

依据GB/T7665-2005国家标准，传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件、测量电路等组成。其工作原理是利用物理效应、化学效应或是生物效应，将感受的物理、化学或生物信号转换成电信号。传感器在农业领域的应用和发展，让农作物和农副产品有了触觉、味觉和嗅觉等感官，向人类反馈其最原始的信息。

收稿日期：2013-09-29

基金项目：广东省科技计划项目（2011B020401010，2012B0 20401009）；广州市珠江科技新星专项；广东省现代农业科技提升专项（2012）

作者简介：郭佩佩（1988-），女，硕士，助理工程师，E-mail：guopp@

通讯作者：黄家怿（1980-），女，博士，工程师，E-mail：huangjy @ 广东农业科学2014年第5期

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1.2农业常用传感器

1.2.1温度传感器温度传感器是一种热电式传感器，通过利用某些材料或元件的物理特性与温度之间的关系，将温度变化转化为电量变化。温度传感器的种类丰富，根据检测原理的不同，可分为利用热电容效应、热电阻效应、热膨胀效应、辐射效应、热化学效应或热电效应的温度传感器[1]。在测量过程中，根据所测温度范围及价格需要，选择合适的温度传感器。

1.2.2湿度传感器湿度传感器利用材料的电气性能或机械性能随湿度变化的特性，测定空气中水分的含量。湿度传感器按工作原理的不同，一般可分为伸缩式、蒸发式、露点式、电子式、电阻式、电容式及光电式等[2]。目前，湿度传感器正向集成化、智能化和多参数检测方向发展。进行湿度测量时，可依据具体的应用领域，从测量范围、响应速度、稳定性及体积大小等方面进行综合考虑，选择合适的湿度传感器进行测量。

1.2.3酸碱度传感器酸碱度（pH值）传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器，一般由测量电极（玻璃电极）和参比电极（甘汞电极或银-氯化银电极）组成，形成原电池，多用于检测液态体系的酸碱度。对于固相或沉积物体系，可用铱、钨及其氧化物制作金属电极用作测量电极，成本较高，其稳定性和可靠性有待进一步提高。

1.2.4CO2浓度传感器农作物生长发育离不开光合作用，CO2是作物进行光合作用的主要原料。根据CO2浓度传感器检测结果，可决定是否增施气肥或需通风换气，达到控制CO2浓度的目的，促进作物健康生长发育。其种类主要有红外线式、电容式、电化学式、热传导式等，其中以红外线式和电化学式的应用较为广泛，可用在温室、大棚中，也可用在密封/半密封的畜禽舍中。

1.2.5土壤养分传感器土壤养分的测定包括土壤有机质、pH值、氮、磷、钾以及交换性钙和镁的检测。一般采用离子敏传感器[3]或生物传感器[4]来测定土壤养分，特别是其中影响作物生长的氮、磷、钾的含量，是决定是否需要施肥和施肥量的重要指标。

1.2.6光照度传感器光照是作物生长发育的关键条件之一，光照强度直接影响光合作用强度。在温室栽培管理自动化系统中，主要采用人工补光的方式调节光照。当室内光照强度低于3000Lux时，根据光传感器检测结果调节补光设备，达到控制光照强度目的，使作物可以得到均匀一致的光照。

1.3新型传感器

1.3.1生物传感器生物传感器工作原理是：将一种生物敏感元件与信号转换器相连，当待测物与敏感元件之间发生反应后，通过各种转换器将该反应转换成光信号或电信号，最后通过电子仪器进行测量和处理。根据生物传感器中敏感元件（即敏感材料）的不同，可分为酶传感器、细胞传感器、组织传感器、免疫传感器和微生物传感器[5-6]。生物传感器是近几十年发展起来的一种新型传感器，因其具有灵敏度高、选择性强、分析速度快、成本低、环保不污染、操作简单和响应快等特点，被广泛用于食品和农产品添加剂、重金属、农药残留、激素、有害微生物及其产生的毒素等多种物质的检测[7]。

1.3.2嗅觉传感器——

—“电子鼻”“电子鼻”，又称气味扫描仪，是一种基于嗅觉传感器、模式识别、计算机和电子技术技术等多学科交叉的高新技术，一般由气敏传感器阵列、信号预处理单元和模式识别系统3个部分组成，能识别简单或复杂的气味。电子鼻工作时，气味分子被气敏传感器阵列吸附，产生信号；生成的信号被送到信号预处理系统进行处理和加工；并最终由模式识别系统对信号处理的结果作出判断[8]。目前电子鼻传感器主要有导电型、场效应型、压电式和光纤式传感器[9]。最常用的气敏传感器的材料有金属氧化物、高分子聚合物、压电材料等[10]。电子鼻应用领域广泛，特别在粮食贮藏[11]、干酪成熟度、食品新鲜度[12]、果蔬分级[13-14]等农产品无损检测中广泛应用。

1.3.3味觉传感器——

—“电子舌”“电子舌”是一种分析和识别液体“味道”的新型检测手段，由味觉传感器阵列、信号激发采集系统和多元数理统计系统三部分组成。味觉传感器阵列相当于生物系统中的舌头，感受被测液体样品中的不同成分并输出其响应信号，经计算机系统进行数据处理和模式识别后，得到反映样品味觉特征的总体评价[15]。在茶叶品质评价[16]、酒类识别[17]、乳品工业[18]、植物油检测[19]等领域均有广泛应用。

1.3.4视觉传感器——

—机器视觉机器视觉又称计算机视觉，它利用图像传感器获取物体图像来模拟人的视觉功能。利用计算机和模式识别技术，从获取的图像中提取有用信息，进行处理并加以理解，最终用于实际控制。在国外，机器视觉技术已被广泛应用于农作物生长状况监测（如田间杂草识别、农作物病虫害自动识别）、农产品自动收获和加工自动化等农业工程领域[20]。

1.4无线传感器网络

无线传感器网络（WSN）集传感器技术、微机电技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，通过无线通信方式，将监测区域内随机分

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