毕业设计(论文)
项目名称 传感器技术在农业中的应用
专 业 电子信息工程技术
班 级 2013级电信班
学生姓名 李季磊
指导教师
机械与电子工程系 年 月 日
重庆三峡职业学院毕业设计（论文）评语及成绩
毕业设计任务书
重庆三峡职业学院毕业设计(论文)进度考核表
目录
摘 要 ................................................................................................................................... 10 第一章 引言 ........................................................................................................................ 11 第二章 设施农业传感器的种类及性能要求 .................................................................... 12 2.1设施农业用传感器的分类 ............................................................................................ 12
2.1.1 土壤温度传感器 .......................................................................................... 12 2.1.2空气温湿度传感器 ....................................................................................... 12 2.1.3 土壤水分传感器 .......................................................................................... 12 2.1.4 CO2含量传感器 ............................................................................................ 13 2.1.5 NH3含量传感器 ........................................................................................... 13 2.1.6光照度传感器 ............................................................................................... 13 2.1.7营养元素传感器 ........................................................................................... 13
2.2农业传感器的性能要求 ................................................................................................ 14
2.2.1长期稳定性好 ............................................................................................... 14 2.2.2能适应系统要求 ........................................................................................... 15 2.2.3优良的性能价格比 ....................................................................................... 15
第三章 新型传感器在农业中的应用 ................................................................................ 15
3.1光纤传感器 ...................................................................................................... 15 3.2 MEMS微电子传感器 ..................................................................................... 15 3.3仿生传感器 ...................................................................................................... 16 3.4电化学传感器 .................................................................................................. 17
第四章 农业传感器的研究现状与开发建议 .................................................................... 17 4.1国内外农业传感器的研究现状 .................................................................................... 17
4.1.1 空间数据获取 .............................................................................................. 17 4.1.2 精准灌溉 ...................................................................................................... 18 4.1.3 病虫害防治 .................................................................................................. 18
4.2 开发建议 ....................................................................................................................... 19
4.2.1 低成本 .......................................................................................................... 19 4.2.2 低功耗 ........................................................................................................ 19
4.2.3使用新材料 ................................................................................................... 20
第五章 结束语 .................................................................................................................... 20 致谢 ....................................................................................................................................... 21
摘 要：传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信
号的器件或装置。其原理是利用物理效应、化学效应及生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换成电量。传感器技术是现代信息技术的重要基础技术之一，许多国家都把传感器技术列为尖端技术。随着现代检测、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，特别是随着科学技术、经济发展的需要，传感器在各个领域中的应用日益显著。现代农业是取代传统农业，以现代科学技术和设备武装的，并以现代管理方法来经营的社会化、商品化农业，是国民经济中具有较强竞争力的现代产业。在现代农业的各个环节中，传感器技术得到了非常广泛的应用。
关键词：农业传感器；研究现状；发展趋势
Review of agricultural sensor and Its Application Research Abstract: the sensor is that feelings can be measured under, and according
to certain rules to convert the output signal of the device or devices available. Its principle is to use physical effect and chemical effect, biological effect, the physical quantity, the measured chemical quantity, biomass and other parameters is converted into electricity. Sensor technology is one of the most important basic technologies of modern information technologies; many countries take the sensor technology as cutting-edge technology. With the development of modern detection, control and automation technology, sensor technology has been paid more and more attention, especially with the needs of science and technology, economic development, application of sensors in various fields in the increasingly obvious. Modernagriculture is to replace the traditional agriculture to the modern science, technology and equipment of armed, socialization, commercialization of agriculture and modern management methods to manage, is the modern industry has strong competitiveness in the national economy. Each link in modern agriculture, sensor technology has been widely applied.
Keywords: Agricultural sensors; research status; development trend
第一章 引言
传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息（如温度、压力、湿度等）具有感受与检出功能, 并按照一定规律转换成与之对应的有用电信号的元器件或装置。有时, 传感器感受到的信号是一些微弱的信号,干扰信号有时幅度可能会超过需检测的信号, 因此消除串入的噪声就成为了一项关键的技术。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换, 一切准确的测试与控制都将无法实现, 即使最现代化的电子计算机, 没有准确的信息或有不失真的输入, 也将无法充分发挥其应有的作用。由于自动控制技术的发展,特别是信息技术、计算机技术和机器人技术等高新技术发展的需要,传感器技术开始受到普遍的重视。
20世纪中期传感器技术问世。在那时，传感技术的发展比计算机技术和数字控制技术都落后，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究，在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的。以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额，各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业也迅猛发展.传感器大体可分为3代,第1代是结构型传感器.它利用结构参量变化来感受和转化信号.如电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的.第2代传感器是70年代开始发展起来的固体传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料的某些特性制成的.如利用热电效应、霍尔效应、光敏效应分别制成的热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。第3代是刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，这类传感器具有一定的人工智能。
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学
技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。近十几年来，传感器的产量及市场需求年增长率均在10%以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。采用微机械加上技术和微系统技术等新技术制造的各类新型传感器,如微传感器、集成光传感器、智能化学传感器、超导传感器、场效应传感器、硅生物传感器等传感器正以年均增长率高达30%以上的速度发展。我国从事敏感元件与传感器研制生产的院校、研究所、企业有1300多家，但研制、生产综合实力较强的骨干企业较少，仅占总数的10%左右。
第二章 设施农业传感器的种类及性能要求
2.1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；
2.1.1 土壤温度传感器
土壤温度传感器用于检测土壤温度，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。
2.1.2空气温湿度传感器
空气温湿度传感器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。
2.1.3 土壤水分传感器
土壤水分传感器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。
2.1.4 CO2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。
2.1.5 NH3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。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。
2.1.6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。
2.1.7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。
2.2农业传感器的性能要求
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：
2.2.1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。
2.2.2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应。这样才能使系统真正做到快速反应和调控环境的高效工作。
2.2.3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。
第三章 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。
3.1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。
3.2 MEMS微电子传感器
MEMS ( Microelectro Mechanical Systems) 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］。
3.3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］。
3.4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。
第四章 农业传感器的研究现状与开发建议
4.1国内外农业传感器的研究现状
4.1.1 空间数据获取
2008 年 Pierce 和 Elliott[11]分别针对大区域和农田的气候监测设计了区域气象监测网络和农田霜冻监测网络。区域气象监测网络和农田霜冻监测网络在华盛顿州得以成功实施。Crossbow 公司推出了专门为精准农业设计的专业套件 。它采用太阳能供电，安装简单，使用方便，引入了可靠的Mesh传感器，传感器节点监测土壤温湿度、空气温湿度、叶面水分、太阳辐射、气象变化、径流水流量等参数，通过网页浏览器为用户提供农作物健康生长情况的实时数据[12]。
在国内，刘卉和汪懋华等[13]根据农田环境的应用需求，设计了农田土壤温湿度监测系
统，该系统由农田无线监测网络和远程数据中心两部分组成。 采用 JN5121无线微处理器为核心的传感器节点开发策略，构建基于ZigBee 协议的无线监测网络，基于Linux 开发的网关节点实现数据汇聚和GPRS通信方式的远程数据转发。该系统为精准农业时空差异性和决策灌溉研究提供了有效工具。
4.1.2 精准灌溉
精准灌溉是精准农业的重要组成部分，它可以在不影响作物产量的前提下，根据作物需水信息适时、适量地进行灌溉，从而实现水资源的有效利用。目前，国内外在这方面已经取得了一些可观的研究成果。
2008年Kim[14] 等人利用传感器技术设计了一个定点精准线性移动灌溉系统。6个分布于农田中的现场传感器站点来定点监测农田属性，定期采样并将采集的数据发送到基站。灌溉机器由一个编程逻辑控制器来控制，逻辑控制器可以根据GPS获取的信息来更新灌溉喷头的地理位置坐标，并通过Bluetooth技术实现与基站的通信。2009年Kim和Evans[15]开发了一个决策支持软件，该软件结合现场传感器通过Bluetooth 无线通信技术实现了定点喷灌控制。同年，Kim，E-vans和Iversen[16]将一个可控灌溉系统和分布式现场传感器整合到一个闭环控制之中，来实现自动化变量灌溉。
国内方面，2009年高峰等人[17]采用传感器技术设计了作物水分状况监测系统，该系统实现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输，可以使人们随时随地精确获取作物需水信息，为精准灌溉提供了科学依据。2010年杨婷等人[8]提出了一种基于CC2430传感器的自动滴灌系统的设计方案，系统监测作物土壤湿度、环境温度和光照变化等参数，根据采集到的信息判断是否实施滴灌，当湿度达到作物要求上限时则适时停止灌溉，减少不必要的浪费。
4.1.3 病虫害防治
2005年Baggio[18] 等人设计了一个叫做Lofa Agro的项目，该项目的目的是防止马铃薯作物被疫病菌感染。作物冠层的温度和湿度是疫病菌发生的重要因素，因此，在该项目中通过使用传感器来监测马铃薯农田中的温度和湿度， 能够帮助农民及时了解作物是否处于发病的危险之中，并及时做出相应的防治措施。2008年Martin[19] 等人设计了一个基
于视频分析和场景解释的决策支持系统，通过在温室中部署无线视频传感器，实现自动害虫监测。为了实现鲁棒性的持续监测，采用了视觉算法来克服光照变化和植物移动的影响。这种非破坏性和非侵入性的方式能够使用户做出快速的补救措施。2009年Bencini[20] 等人开发了一个基于传感器的监测系统，该系统主要用来监测葡萄园中的一系列生理参数，防止藤蔓植物病害。该系统在意大利和法国的多个葡萄园的试点试验中，取得了良好的效果。
2010年韩安太等人[21]利用传感器技术和压缩感知技术，设计了一种新型的储粮害虫声信号采集系统，并将其用于采集储粮罐内赤拟谷盗成虫的爬行声。该系统实现了较大流量声信号测量数据的远程、实时、可靠传输，为传感器在数字农业中的应用做出了探索。
4.2 开发建议
4.2.1 低成本
在农业环境中需要部署数量庞大的传感器，而这些传感器要采集各种类型的农业环境信息参数。因此，开发低成本传感器，实现对农业环境信息与生物生理指标全方面的实时监测，是未来无线传感器网络研究的重点。目前，基于PIC低功耗单片机与MEMS加速度传感器，设计了一种低成本的无线传感器网络节点，该设计采用性价比较高的PIC16系列单片机，软件模拟PT2262遥控编码器，配合I2C接口加速度传感器、微型高频发射器件，实现了通用MCU无线传感器的节点方案，省去了昂贵的专用RF芯片，降低了系统成本。实验结果表明，该方案具有可靠、灵活、低功耗、低成本的特点，可广泛应用于低速实时测量、监控防盗等场合，是实现传感器物联网的重要发展方向。
4.2.2 低功耗
传感器节点一般采用电池供电（如碱性电池或锂电池），可以使用的电量非常有限，而对于有成千上万个传感器节点的农业环境来说，对电池的更换是非常难的，甚至是不可能的。为此，应该促进低功耗传感器的研发，同时研制容量大、体积小、寿命长的新型储能电池和具有自充电功能的生物电池，加大对自然中生物能的开发利用。
4.2.3使用新材料
半导体硅是固态传感器最重要的材料,但对其它新型敏感材料和功能材料的开发仍未停止,如陶瓷、高分子、生物、智能材料等新型材料的开发与应用,不仅扩充了传感器的种类,而且改善了传感器的性能,拓宽了传感器的应用领域。如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面阵列红外探测器、生物传感器、诊断传感器、智能传感器、基因传感器以及模糊传感器等。
第五章 结束语
传感器在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。传感器技术应用于设施农业，对设施农业的发展带来了极大的影响和巨大的推动。国外如以色列、荷兰等国在设施农业方面的研究和生产已达到很高水平；发达国家已经形成了比较完善的、成套的技术和设施，并在向高度自动化、智能化发展。我国在设施农业方面发展较快，已经取得了一些研究成果并投入实际应用。国内以塑料大棚和日光温室为主体的设施农业正在迅速发展。但与发达国家相比，还有一定差距，尤其是在设施养殖方面，无线传感器网络的研究成果与应用案例还很少。基于目前我国的设施农业科技含量相对较低，设施水平、机械化程度相对低下的状况，我们需要在借鉴国外的经验、教训和模式、引进国外先进技术的基础上，注重自主创新，加大对无线传感器网络在设施农业方面的研究力度。
本文主要介绍设施农业传感器的种类及性能要求,分析国内外农业传感器的研究现状，介绍了新型传感器在农业中的应用.希望通过该论文对今后农业传感器的研究和开发应用起到一定的借鉴作用。
致谢
本论文在谢红导师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，平易近人的人格魅力对本人影响深远。不仅使本人树立了远大的学习目标，还使本人明白了许多为人处事的道理。本次论文从选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。所以在此，再次对老师道一声：老师，谢谢您！
参考文献：
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重庆三峡职业学院毕业论文
毕业设计(论文)
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摘 要 ................................................................................................................................... 10 第一章 引言 ........................................................................................................................ 11 第二章 设施农业传感器的种类及性能要求 .................................................................... 12 2.1设施农业用传感器的分类 ............................................................................................ 12
2.1.1 土壤温度传感器 .......................................................................................... 12 2.1.2空气温湿度传感器 ....................................................................................... 12 2.1.3 土壤水分传感器 .......................................................................................... 12 2.1.4 CO2含量传感器 ............................................................................................ 13 2.1.5 NH3含量传感器 ........................................................................................... 13 2.1.6光照度传感器 ............................................................................................... 13 2.1.7营养元素传感器 ........................................................................................... 13
2.2农业传感器的性能要求 ................................................................................................ 14
2.2.1长期稳定性好 ............................................................................................... 14 2.2.2能适应系统要求 ........................................................................................... 15 2.2.3优良的性能价格比 ....................................................................................... 15
第三章 新型传感器在农业中的应用 ................................................................................ 15
3.1光纤传感器 ...................................................................................................... 15 3.2 MEMS微电子传感器 ..................................................................................... 15 3.3仿生传感器 ...................................................................................................... 16 3.4电化学传感器 .................................................................................................. 17
第四章 农业传感器的研究现状与开发建议 .................................................................... 17 4.1国内外农业传感器的研究现状 .................................................................................... 17
4.1.1 空间数据获取 .............................................................................................. 17 4.1.2 精准灌溉 ...................................................................................................... 18 4.1.3 病虫害防治 .................................................................................................. 18
4.2 开发建议 ....................................................................................................................... 19
4.2.1 低成本 .......................................................................................................... 19 4.2.2 低功耗 ........................................................................................................ 19
4.2.3使用新材料 ................................................................................................... 20
第五章 结束语 .................................................................................................................... 20 致谢 ....................................................................................................................................... 21
摘 要：传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信
号的器件或装置。其原理是利用物理效应、化学效应及生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换成电量。传感器技术是现代信息技术的重要基础技术之一，许多国家都把传感器技术列为尖端技术。随着现代检测、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，特别是随着科学技术、经济发展的需要，传感器在各个领域中的应用日益显著。现代农业是取代传统农业，以现代科学技术和设备武装的，并以现代管理方法来经营的社会化、商品化农业，是国民经济中具有较强竞争力的现代产业。在现代农业的各个环节中，传感器技术得到了非常广泛的应用。
关键词：农业传感器；研究现状；发展趋势
Review of agricultural sensor and Its Application Research Abstract: the sensor is that feelings can be measured under, and according
to certain rules to convert the output signal of the device or devices available. Its principle is to use physical effect and chemical effect, biological effect, the physical quantity, the measured chemical quantity, biomass and other parameters is converted into electricity. Sensor technology is one of the most important basic technologies of modern information technologies; many countries take the sensor technology as cutting-edge technology. With the development of modern detection, control and automation technology, sensor technology has been paid more and more attention, especially with the needs of science and technology, economic development, application of sensors in various fields in the increasingly obvious. Modernagriculture is to replace the traditional agriculture to the modern science, technology and equipment of armed, socialization, commercialization of agriculture and modern management methods to manage, is the modern industry has strong competitiveness in the national economy. Each link in modern agriculture, sensor technology has been widely applied.
Keywords: Agricultural sensors; research status; development trend
第一章 引言
传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息（如温度、压力、湿度等）具有感受与检出功能, 并按照一定规律转换成与之对应的有用电信号的元器件或装置。有时, 传感器感受到的信号是一些微弱的信号,干扰信号有时幅度可能会超过需检测的信号, 因此消除串入的噪声就成为了一项关键的技术。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换, 一切准确的测试与控制都将无法实现, 即使最现代化的电子计算机, 没有准确的信息或有不失真的输入, 也将无法充分发挥其应有的作用。由于自动控制技术的发展,特别是信息技术、计算机技术和机器人技术等高新技术发展的需要,传感器技术开始受到普遍的重视。
20世纪中期传感器技术问世。在那时，传感技术的发展比计算机技术和数字控制技术都落后，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究，在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的。以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额，各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业也迅猛发展.传感器大体可分为3代,第1代是结构型传感器.它利用结构参量变化来感受和转化信号.如电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的.第2代传感器是70年代开始发展起来的固体传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料的某些特性制成的.如利用热电效应、霍尔效应、光敏效应分别制成的热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。第3代是刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，这类传感器具有一定的人工智能。
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学
技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。近十几年来，传感器的产量及市场需求年增长率均在10%以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。采用微机械加上技术和微系统技术等新技术制造的各类新型传感器,如微传感器、集成光传感器、智能化学传感器、超导传感器、场效应传感器、硅生物传感器等传感器正以年均增长率高达30%以上的速度发展。我国从事敏感元件与传感器研制生产的院校、研究所、企业有1300多家，但研制、生产综合实力较强的骨干企业较少，仅占总数的10%左右。
第二章 设施农业传感器的种类及性能要求
2.1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；
2.1.1 土壤温度传感器
土壤温度传感器用于检测土壤温度，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。
2.1.2空气温湿度传感器
空气温湿度传感器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。
2.1.3 土壤水分传感器
土壤水分传感器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。
2.1.4 CO2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。
2.1.5 NH3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。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。
2.1.6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。
2.1.7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。
2.2农业传感器的性能要求
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：
2.2.1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。
2.2.2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应。这样才能使系统真正做到快速反应和调控环境的高效工作。
2.2.3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。
第三章 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。
3.1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。
3.2 MEMS微电子传感器
MEMS ( Microelectro Mechanical Systems) 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］。
3.3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］。
3.4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。
第四章 农业传感器的研究现状与开发建议
4.1国内外农业传感器的研究现状
4.1.1 空间数据获取
2008 年 Pierce 和 Elliott[11]分别针对大区域和农田的气候监测设计了区域气象监测网络和农田霜冻监测网络。区域气象监测网络和农田霜冻监测网络在华盛顿州得以成功实施。Crossbow 公司推出了专门为精准农业设计的专业套件 。它采用太阳能供电，安装简单，使用方便，引入了可靠的Mesh传感器，传感器节点监测土壤温湿度、空气温湿度、叶面水分、太阳辐射、气象变化、径流水流量等参数，通过网页浏览器为用户提供农作物健康生长情况的实时数据[12]。
在国内，刘卉和汪懋华等[13]根据农田环境的应用需求，设计了农田土壤温湿度监测系
统，该系统由农田无线监测网络和远程数据中心两部分组成。 采用 JN5121无线微处理器为核心的传感器节点开发策略，构建基于ZigBee 协议的无线监测网络，基于Linux 开发的网关节点实现数据汇聚和GPRS通信方式的远程数据转发。该系统为精准农业时空差异性和决策灌溉研究提供了有效工具。
4.1.2 精准灌溉
精准灌溉是精准农业的重要组成部分，它可以在不影响作物产量的前提下，根据作物需水信息适时、适量地进行灌溉，从而实现水资源的有效利用。目前，国内外在这方面已经取得了一些可观的研究成果。
2008年Kim[14] 等人利用传感器技术设计了一个定点精准线性移动灌溉系统。6个分布于农田中的现场传感器站点来定点监测农田属性，定期采样并将采集的数据发送到基站。灌溉机器由一个编程逻辑控制器来控制，逻辑控制器可以根据GPS获取的信息来更新灌溉喷头的地理位置坐标，并通过Bluetooth技术实现与基站的通信。2009年Kim和Evans[15]开发了一个决策支持软件，该软件结合现场传感器通过Bluetooth 无线通信技术实现了定点喷灌控制。同年，Kim，E-vans和Iversen[16]将一个可控灌溉系统和分布式现场传感器整合到一个闭环控制之中，来实现自动化变量灌溉。
国内方面，2009年高峰等人[17]采用传感器技术设计了作物水分状况监测系统，该系统实现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输，可以使人们随时随地精确获取作物需水信息，为精准灌溉提供了科学依据。2010年杨婷等人[8]提出了一种基于CC2430传感器的自动滴灌系统的设计方案，系统监测作物土壤湿度、环境温度和光照变化等参数，根据采集到的信息判断是否实施滴灌，当湿度达到作物要求上限时则适时停止灌溉，减少不必要的浪费。
4.1.3 病虫害防治
2005年Baggio[18] 等人设计了一个叫做Lofa Agro的项目，该项目的目的是防止马铃薯作物被疫病菌感染。作物冠层的温度和湿度是疫病菌发生的重要因素，因此，在该项目中通过使用传感器来监测马铃薯农田中的温度和湿度， 能够帮助农民及时了解作物是否处于发病的危险之中，并及时做出相应的防治措施。2008年Martin[19] 等人设计了一个基
于视频分析和场景解释的决策支持系统，通过在温室中部署无线视频传感器，实现自动害虫监测。为了实现鲁棒性的持续监测，采用了视觉算法来克服光照变化和植物移动的影响。这种非破坏性和非侵入性的方式能够使用户做出快速的补救措施。2009年Bencini[20] 等人开发了一个基于传感器的监测系统，该系统主要用来监测葡萄园中的一系列生理参数，防止藤蔓植物病害。该系统在意大利和法国的多个葡萄园的试点试验中，取得了良好的效果。
2010年韩安太等人[21]利用传感器技术和压缩感知技术，设计了一种新型的储粮害虫声信号采集系统，并将其用于采集储粮罐内赤拟谷盗成虫的爬行声。该系统实现了较大流量声信号测量数据的远程、实时、可靠传输，为传感器在数字农业中的应用做出了探索。
4.2 开发建议
4.2.1 低成本
在农业环境中需要部署数量庞大的传感器，而这些传感器要采集各种类型的农业环境信息参数。因此，开发低成本传感器，实现对农业环境信息与生物生理指标全方面的实时监测，是未来无线传感器网络研究的重点。目前，基于PIC低功耗单片机与MEMS加速度传感器，设计了一种低成本的无线传感器网络节点，该设计采用性价比较高的PIC16系列单片机，软件模拟PT2262遥控编码器，配合I2C接口加速度传感器、微型高频发射器件，实现了通用MCU无线传感器的节点方案，省去了昂贵的专用RF芯片，降低了系统成本。实验结果表明，该方案具有可靠、灵活、低功耗、低成本的特点，可广泛应用于低速实时测量、监控防盗等场合，是实现传感器物联网的重要发展方向。
4.2.2 低功耗
传感器节点一般采用电池供电（如碱性电池或锂电池），可以使用的电量非常有限，而对于有成千上万个传感器节点的农业环境来说，对电池的更换是非常难的，甚至是不可能的。为此，应该促进低功耗传感器的研发，同时研制容量大、体积小、寿命长的新型储能电池和具有自充电功能的生物电池，加大对自然中生物能的开发利用。
4.2.3使用新材料
半导体硅是固态传感器最重要的材料,但对其它新型敏感材料和功能材料的开发仍未停止,如陶瓷、高分子、生物、智能材料等新型材料的开发与应用,不仅扩充了传感器的种类,而且改善了传感器的性能,拓宽了传感器的应用领域。如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面阵列红外探测器、生物传感器、诊断传感器、智能传感器、基因传感器以及模糊传感器等。
第五章 结束语
传感器在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。传感器技术应用于设施农业，对设施农业的发展带来了极大的影响和巨大的推动。国外如以色列、荷兰等国在设施农业方面的研究和生产已达到很高水平；发达国家已经形成了比较完善的、成套的技术和设施，并在向高度自动化、智能化发展。我国在设施农业方面发展较快，已经取得了一些研究成果并投入实际应用。国内以塑料大棚和日光温室为主体的设施农业正在迅速发展。但与发达国家相比，还有一定差距，尤其是在设施养殖方面，无线传感器网络的研究成果与应用案例还很少。基于目前我国的设施农业科技含量相对较低，设施水平、机械化程度相对低下的状况，我们需要在借鉴国外的经验、教训和模式、引进国外先进技术的基础上，注重自主创新，加大对无线传感器网络在设施农业方面的研究力度。
本文主要介绍设施农业传感器的种类及性能要求,分析国内外农业传感器的研究现状，介绍了新型传感器在农业中的应用.希望通过该论文对今后农业传感器的研究和开发应用起到一定的借鉴作用。
致谢
本论文在谢红导师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，平易近人的人格魅力对本人影响深远。不仅使本人树立了远大的学习目标，还使本人明白了许多为人处事的道理。本次论文从选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。所以在此，再次对老师道一声：老师，谢谢您！
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