传感器技术在现代化农业发展中的应用

杨嘉鹏，刘 岩，海 玲

（新疆工程学院电气与信息工程系，新疆乌鲁木齐830023）

传感器技术在现代化农业发展中的应用

杨嘉鹏，刘 岩，海 玲

（新疆工程学院电气与信息工程系，新疆乌鲁木齐830023）

介绍传感器概念，并举例阐述传感器在我国农业机械装备、农业物联网、农产品加工及检测和动植物诊断方面的应用现状。通过探讨，说明传感器在我国现代化农业发展道路上的促进作用，大力发展传感器技术，对实现高产、高效、节能的农业生产具有巨大的影响。

传感器；农业物联网；现代农业

0 引言

我国是世界农业大国，近年来，我国在农业领域投入大量资金，农业机械化及装备技术、科研水平大幅提高。随着物联网、互联网+等技术在现代化农业中的广泛应用，农业生产逐步走向信息化、自动化、智能化的道路。进入“十三五”以来，采用计算机智能化管理使农业生产更加科学、精准，能节约更多的人力、物力，同时有助于农业生产与科研人员对生产过程中遇到的各种问题进行预防与处理[1-2]。在信息化农业中，常需要我们获得环境温度、湿度、光照强度、气体浓度等信息，如何有效获取这些信息是实现智慧农业的关键问题[3]，而现代传感器技术则为解决这个问题提供了技术支持。在现代科学技术领域中，对自然界的各种物质信息都需要通过传感器进行采集，然后反馈到计算机系统中，如果把计算机比作大脑，那么传感器就相当于计算机、自动化设备、智能机器人的“感觉器官”，用来获取外界的各种信息，以供计算机进行分析处理[4]。传感器在现代化科学技术、工业自动化、现代化农业的发展中起到基础和支柱作用，是衡量科学技术和国民经济的发展水平标志之一。

1 传感器技术概况

1.1 传感器技术基本原理

传感器就是利用物理效应、生物效应、化学效应把被测量的非电量转换成电量的元器件，简单来说，传感器就相当于一个测量装置，可以测量温度、土壤湿度、气体浓度、光照强度等数据。传感器通常由敏感元件、转换元件、转换电路组成，敏感元件用来响应待测量的非电量，转换元件将响应的非电量转换成电量，而转换电路则将转换元件输出的电量转变为所需要的电量参数（电压或电流）输出。根据传感器输入非电量的不同，常用传感器有流体量传感器、温度传感器、湿度传感器、电量传感器、生物量传感器等，在工、农业的智能化控制领域中使用传感器，相当于使生产设备具备了“五官”，可向工作人员反应其最原始的信息[5]。

1.2 无线传感器网络

近年来，随着微机电系统、嵌入式技术、无线通信技术的发展，低成本、低功耗、多功能的传感器近年来得到了快速发展，在传感器内部嵌入无线收发器，微处理器等元件，不仅可使其具备数据处理能力，还可通过传感器进行无线通信。将这些包含不同功能的传感器节点部署在环境中，可以监测周围多种环境指标，如温度、湿度、土壤成分、压强等[6]，同时这些传感器节点之间通过无线通信和自组织方式形成多跳的网络，将所采集的数据和信息传送到远端，用来帮助完成指定任务，就构成了无线传感器网络（WSN）。无线传感器网络通常由大量传感器节点组成，是一种面向任务的无线自组织网络系统，目前已在农业监测、天气气候分析、军事应用等方面大量应用[7-8]。现代农业领域作为传感器应用最广泛的领域，已在农业机械化、农业物联网及农产品加工检测方面进行了应用，并取得了较大的成果。

2 传感器技术在现代农业领域中的应用

2.1 传感器技术在农业机械装备方面的应用

随着我国农业机械化的大力推进，传感器在农业机械装备的试验、生产、制造方面得到了广泛的应用。吴艳艳等人[9]通过在精密播种机的排种器上安装光电传感器，使得排种器在发生种子堵管时，光电传感器可将堵塞信息发送到监测装置中，以供作业人员及时处理，同时为了保证播种间距，准确地获取播种作业速度，还在播种机传动装置上安装霍尔传感器，可将播种机的转速反馈到监测装置中，用来获取播种机在不同农田上以及对不同农作物播种时的最佳工作速度。将传感器安装在农机具试制装备中，通过系统数据的采集，测定机具的各项参数，改进试制农机产品的机械强度、工作性能、降低工作能耗。梁宇达等人[10]设计的切断式甘蔗联合收割机，在收割机上的液压系统上安装压力传感器，用来获取液力行走系统数据，经行走阻力及负载分析，确定了收割机行走过程中使用的最优底盘为履带式。

2.2 传感器技术在农业物联网方面的应用

近年来，随着无线通信技术、嵌入式技术的的飞速发展，智慧农业、精准农业已经成为当前农业应用中的研究热点。广义上来说，农业物联网就是将人、农作物、环境、生产工具紧密联合到一起，从农作物的生长、收割、运输、存储、销售等环节对农产品进行种植、管理和跟踪的网络；狭义来说，农业物联网是指通过分布与田间的无线传感器网络，实现对农作物生长过程中的的精细化管理。在农业物联网的各个环节中，传感器起着很重要的作用。在精准农业作业中，通过田间布设无线传感器网络，采用土壤温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、风速传感器等获取的温度、湿度、光照强度、气体浓度、风速等数据，并通过无线传感器网络节点经移动互联网发送至远程客户端上，远端系统对采集的数据进行分析后发出指令，对田间的灌溉装置执行器进行控制，提供农作物生长所需的合适水量。田间无线传感器网络、移动互联网、远程客户端形成了一个精准高效的闭环控制系统，实现了农业生产者不必亲临现场，就能准确对田间农作物节水浇灌控制，节约了人力物力；同时，科研人员还可通过电脑、移动终端对传感器采集的数据进行浏览，监测环境变化，准确把握农时，做好农业防灾预警，确保农业丰收。

基于无线传感器网络的田间远程控制系统见图1。

图1 基于无线传感器网络的田间远程控制系统

有研究人员将传感器网络应用在在温室大棚种植方面，在温室安装光照强度传感器、CO2传感器等，将光照强度、CO2等动态信息通过无线传感器网络传输到控制器中，控制器进行数据分析后，通过执行装置对温室湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗进行控制，在温室内建立一个适合作物生长的最优环境。

2.3 传感器技术在农产品加工检测方面的应用

一般的农产品都需要分类加工，如番茄除青果，大米除杂、棉种分选，是农业生产的后道工序。农产品分选时多使用的是色选装置，而充当色选装置“眼睛”的就是传感器，从普通的光电传感器，到复杂的图像传感器，通过传感器可以识别出农产品中的杂质或不成熟体，并反馈给系统进行筛除，也可以通过高精度的图像传感器对种子表面进行损伤、颜色、缺陷识别，以便进行分级处理。例如周敬东等人[11]研制的油茶果色选机，就是采用高清的图像传感器CCD相机对下落的油茶果果壳与籽进行图像采集，并通过色选机进行分选，可实现果壳与籽的95%选净率。

在农产品的的检测方面，近年来新兴起了电子鼻检测技术，就是借助气敏传感器来识别气味，并可实现不同时间、地点采集的气味持续动态的监测。电子鼻系统主要由传感器阵列和识别系统组成，传感器阵列上分布多种气敏传感器，每个传感器可识别不同气体，因此电子鼻可同时检测多种气体，并通过识别系统反馈出来。运用电子鼻技术，可以检测出果蔬产品中的农药残留浓度，不同水果的成熟度。颜廷才等人[12]借助电子鼻技术对不同品种葡萄果实挥发性物质进行主成分分析，成功将4个葡萄品种区分开，另外，谷类在存储时，会挥发出气体，借助电子鼻也可有效地对气体进行分析，以便判断是否变质并进一步处理。

2.4 传感器技术在动植物诊断方面的应用

我国农村在动物养殖及植物栽培方面存在着布局分散、诊治专家短缺、瘟病、病虫害频发等困难，大唐电信[13-14]研制了农业远程诊断系统，集音、视频于一体，可实现专家远程指导、诊断。该系统是由传感器、传输网络、专家信息平台3个部分构成，可对动物养殖及植物栽培过程中部分灾害进行有效防治。我国也有部分地区已将传感器技术运用到测土配方施肥当中，可使农户将植物生长情况数据通过终端传输给农业专家，专家给予有效的解决方案，对植物实现精细化施肥，提高生产效率。

3 展望

随着我国现代化农业的发展，传感器在农业气象预报、防灾减灾需求、农业机械化装备、农产品加工储存等方面已应用越来越广泛，但仍需要研发新的低功耗、低成本、高稳定性的传感器元件。而随着嵌入式技术、信息技术的发展，新型纳米材料在集成电路中的应用，使传感器趋于智能化、集成化、微型化的方向发展，未来更多新型传感器的开发应用，必将给我国农业生产带来更大的变化。

[1]孙克，吴海华，雷鹏.传感器技术在农业领域中的应用[J].农业工程，2015，5（2）：32-35.

[2]安士婧.现代农业技术推广及农业发展趋势研究[J].黑龙江科技信息，2016（23）：281.

[3]王煜东.传感器及应用[M].北京：机械工业出版社，2008：73-80.

[4]孙晓梅.智慧农业传感器的应用现状及展望[J].农业网络信息，2015（2）：39-41.

[5]郭佩佩，黄家怿，谢秋波，等.传感器在精准农业中的应用[J].广东农业科学，2014，41（5）：232-236.

[6]Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramanian Y，et al.Cayirci：wireless sensor networks：a survey[C]//International Symposium on Computer Networks.，2002.

[7]郑军，张宝贤.无线传感器网络技术[M].北京：机械工业出版社，2012：123-140.

[8]Lanf Akyildiz，Mehmetcanvuran.无线传感器网络[M].北京：电子工业出版社，2013：83-90.

[9]吴艳艳，朱瑞祥，常芳.播种机播种质量检测预警系统[J].农机化研究，2013（5）：196-199.

[10]梁宇达，邹小平，胡圣荣，等.切段式甘蔗联合收割机履带底盘设计与试验[J].甘蔗糖业，2015（5）：23-27.

[11]周敬东，黄云朋，李敏慧，等.一种基于CCD相机的通道式油茶果色选机系统[J].中国农机化学报，2015，36（5）：128-133.

[12]颜廷才，邵丹，李江阔，等.基于电子鼻和GC-MS评价不同品种葡萄采后品质和挥发性物质的变化[J].现代食品科技，2015，31（11）：290-297.

[13]大唐电信.感知矿山大唐电信物联网解决方案在煤炭行业的应用[J].通信世界，2010（37）：38-39.

[14]高强，滕桂法.物联网技术在现代农业中的应用研究[J].安徽农业科学，2013，41（8）：17-18.◇

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

杨嘉鹏（1983—），男，硕士，讲师，研究方向为传感嚣技术及相关应用。