传感器在现代农业中的应用进展

传感器在现代农业中的应用进展

进入21世纪，信息技术的发展日新月异，信息技术的三大支柱技术——传感器技术，通信技术和计算机技术实现了质的飞跃。在具体的科学实验和科技应用中，传感器技术犹如“感官”，通信技术如“神经”，计算机技术犹如人的“大脑”，而作为获取信息的“感官”，传感器在整个信息系统中的作用显得尤为重要。

传感器是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。传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

目前，传感器技术已经在越来越多的领域得到了广泛的应用，从简单的家用电器到高科技集中地航空航天领域，凡是涉及到智能检测，智能显示，自动控制的装置无疑都离不开传感器这一“电五官”。在当今的现代农业发展中，从农作物的育苗，生长、收获一直到储藏等环节，传感器技术也得到了较为成熟，广泛的应用。

现代设施农业常用的传感器包括空气温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分含量传感器、光照强度传感器、CO2含量传感器、NH3含量传感器、肥分（氮、磷、钾含量）传感器等，此外在喷灌和滴灌场合还可能用到水流量传感器、水温传感器等。

下面介绍一下各类常用传感器的用途：

空气湿度传感器：

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。

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。

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。

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、大鹏中主要检测有光照情况下CO2含量是否低于作物光和作用的最佳浓度，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。

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。一般以ppm为单位，有效范围在0~100ppm之间。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。

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。

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。

下面介绍一下传感器在现代农业中的应用现状：

(1)用于农产品的冷藏：

现代化粮库采用了先进的"分布式粮仓微机测温系统"，该系统以微机为核心，采用温度传感器可对上百个点进行温度监测(也可接湿度传感器进行湿度监测)。由于有了十分先进可靠的测温技术，仓容大幅度提高，并有效地减少了霉变现象，提高了工作效率，减轻了劳动强度。微机测温系统还可以根据检测的温度及湿度数据对通风装置进行自动控制。在粮食入库前，可采用水分量传感器测定粮食的水分(必要时要用干燥机干燥)。该系统具有实时自检，自校与报警等功能。

果蔬的贮藏保鲜目前应用较多的是冷库低温贮藏和气调库贮藏二种方法。贮藏保鲜的实质就是通过各种设备人工创造一个是以的环境，使果蔬在这个环境中既能保持微弱的有氧呼吸，使自我消耗降至最低，又不至于进行无氧呼吸产生乙醇使果蔬腐烂变质，从而最大限度地把果蔬中营养保存下来。冷库低温贮藏主要是通过制冷剂将冷库内的温度调整至最佳温度（一般为0~10摄氏度）且保持稳定。在最佳温度下，果蔬的自我消耗降至最低，果蔬内酶的活性被充分抑制，果蔬水分的蒸发及真菌和细菌等微生物的繁殖收到抑制，确保了果蔬长期保鲜。在冷藏库中，温度传感器发挥着巨大的作用，制冷机根据冷库内温度传感器的事实参数值实施自动控制并且保持该温度的相对稳定。气调库相比冷藏库是更为先进的贮藏保鲜方法，除了温度之外，气调库内的相对湿度（RH）、氧气浓度、二氧化碳浓度、乙烯浓度等均有相应的控制指标。控制系统采集气调库内的温度传感器、湿度传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器等物理量参数，通过各种仪器仪表适时显示或作为自动控制的参变量参与自动控制中，保证有一个适宜的贮藏保鲜环境，达到最佳的保鲜效果。

(2)工厂式育苗及温室栽培：

为了优化农作物的品种，提高农作物的质量和产量，也为了丰富大家的“菜篮子”，使一些农作物的生长不再受季节的影响，现代化工厂式育苗（或育秧）及温室栽培技术已成为广泛应用的技术。这种可以采用良好的人造环境如温度，

湿度，光照等培育各种秧苗。在北方城市中，为了改善人民生活及美化环境，温室蔬菜栽培及花卉生产逐步发展起来。这种玻璃温室(或塑料大棚)中采用喷灌机械，土壤消毒机，自动温度、湿度、二氧化碳控制装置等等，以实现自动化、省力化。这里采用了温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、二氧化碳传感器等分别进行检测。较为先进的还采用计算机控制，获得较好的控制效果。

(3)遥感技术在农业中的应用：

所谓遥感就是远距离获得信息的一种技术，它是使用人造卫星或航天飞机等先进工具，采用各种传感器来观测地球表面，取得有关环境和资源的有用信息的科学技术。遥感技术是通过非接触、非破坏的方法，在很短的时间内遥感极其宽广的地域，对农业生产能起指导作用。在遥感技术中，主要使用从近紫外到红外以及微波作为信息载体，并相应地采用能检测这些信息的传感器，检测的信号经电子线路处理，最后形成图像。

a.遥感技术在农业资源调查上的应用:

遥感技术能测定农作物的分布区域、农作物的生长状况和受灾状况、植物的成活率、测定土壤肥沃程度等。比如。作为我国农业遥感应用的代表，由中国科学院资源环境局主持的“黄土高原遥感专题研究”项目，在林草资源遥感调查、土壤侵蚀定量遥感调查、土壤类型遥感综合研究、草场生物量的遥感估算、农业地物光谱特征及其应用基础研究以及黄土区暴雨与下垫面关系的遥感分析等许多方面去得了大量成果，为黄土高原的综合治理提供了全方位的技术支持。

b.遥感技术在农作物估产上的应用:

通过遥感信息，可以确定最合适的农作物种植时间和施肥时机，并可预估收成，对农业现代化管理员提供资料。

c.遥感技术在灾情监测与预报上的应用:

通过遥感资料对旱涝灾害、土壤的侵蚀、沙化，草原的退化以及由大型工程引起的环境恶化等进行监测和评估。例如，长江、嫩江流域发生特大洪灾时，汗孔、航天平台的遥感实时监测，为指挥救灾、恢复生产发挥了巨大作用；大兴安岭发生特大森林火灾时，中国科学院卫星地面站提供的火情现势卫星影像图对现场指挥、调度扑救起到了决定性的作用。

d.遥感技术在农业环境保护方面的应用:

环境卫星遥感监测是环境管理的重要手段之一，通过遥感可对农业资源黄精质量变化进行动态监测，及时发现情况并进行预警。还可建立农业资源环境空间数据库，好、管理、分析和处理环境数据，高效汇总、汲取有用的决策信息，建立若干环境污染模型，模拟区域农业资源环境污染演变状况及发展趋势。

(4)在降雨量测量中的应用：

降雨量的大小对作物的生长有很大的关系。降雨量传感器是通过测定蒸发在传感器裸露面上的雨水所需要的电功率来测量降水率的，测量的范围为0.3～350mm/h。除了雨水之外，它还能用于雪的测量。它能将降水率转换成电压信号输出，并且由记录仪做出记录。它还能通过V/F变换成频率信号，较方便地与计算机接口，它可以实现数字显示，便于数据存储，给科学研究带来方便。

(5)在农业机械中的应用：

现代化农业离不开现代化农业机械，在农业机械试验，生产，制造过程中广泛地应用了传感器技术。在农业机械试验过程中应用传感器可测定整机的各项性能参数以及零部件的结构强度等指标，为农机理论研究和产品设计、改进提供科学依据以及评定农机产品的制造质量等，如应用电阻应变式传感器测定犁体阻力可为犁体曲面设计提供依据，以减少作业过程中的阻力，从而减少功率消耗。又如在精密播种机的排种器上安装光电式传感器，通过监控仪表可随时监测排种过程，防止堵种，保证出苗率。

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：

（1） 长期稳定性好 农业设施用传感器的使用环境比工业更恶劣，如高温、高湿。因此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） 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。因此传感器的性能都应该与控制系统相适应。尤其是传感器的长距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等，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；

（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，否则难于推广。

由于我国农业现代化水平较低，设施农业刚起步，因此为了设施农业的发展，必须从传感器生产过程中挖潜，尽量降低成本，以满足性价比要求。

这个新的应用领域开发的策略，我认为应该是在充分调动传感器生产企业的积极性的同时，又要防止一哄而上，低水平的重复。因此，电子敏感行业协会，应该有一个统一的规划，进行宏观调控，使设施农业用的传感器开发循序渐进，有条不紊地持续发展。

随着农业现代化的发展，现代农业对传感器技术提出了更高的要求。良种的培育，农产品的精、深加工，防灾、减灾、救灾、避灾的需求，农业产业化、规模化的发展等都需要先进的技术作为先导。可以预见，随着传感器技术的发展，传感器技术的进一步应用必将促进农业生产与管理发生革命性的变化，使农业走上高产、稳产、低耗、高效、人与自然相互协调的可持续发展道路。

参考网站：

1．http://www.yuanlin365.com/construct/32486

2．http://www.ucsensor.com/news/detail/870.html

3．http://www.dqjsw.com.cn/dianqiyy/jixie/8761.htm 4

参考书：

1．刘笃仁、韩保君 编著 传感器原理及应用技术 西安电子科技大学出版社

2．郁有文、常健、程继红 编著 传感器原理及工程应用（第三版） 西安电子科技大学出版社