传感器技术在农业中的应用.docx

1、传感器技术在农业中的应用毕业设计(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 季磊 指导教师 机械与电子工程系年 月 日三峡职业学院毕业设计（论文）评语及成绩专业电子信息工程技术班 级2013级电信班季磊题目传感器技术在农业中的应用指导教师评语：签字： 年 月 日答辩记录及评语：记录员：年 月 日综合成绩： 答辩小组组长签字： 系主任签字：年 月 日毕业设计任务书专业电子信息工程技术班级2013级电信班季磊题目传感器技术在农业中的应用容研究土壤温度传感器，空气温湿度传感器，土壤水分传感器，CO2含量传感器，NH3含量传感器光照度传感器营养

2、元素传感器。 基本要求准确的分列出研究土壤温度传感器，空气温湿度传感器，土壤水分传感器，CO2含量传感器，NH3含量传感器光照度传感器营养元素传感器在农业中的应用。重点研究问题新型传感器在农业中的应用主要技术指标主要是传感器选取、设备安装的操作技能、最后阶段的调试能力 其它要说明的问题无 指导教师签字：年 月 日 毕业设计开题报告专业电子信息工程技术班级2013级电信1班季磊 题目传感器技术在农业中的应用一、项目研究的背景与现状：机电一体化是农业机械发展的重要趋势,同时也是农业现代化的必由之路,而传感器技术又是机电一体化的关键技术之一。改造传统的农业机械离不开传感器,发展现代化的农业机械更需要

3、大量的传感器。由此可见,传感器在农业机械方面的应用十分广泛。近年来,拖拉机、收割机、制米机、灌溉机等农业机械都安装使用了各种传感器,来增加或提高其性能。例如,美国研制推出了一种收割机割高度自动控制系统。该系统是由传感器、电子电路及液压等部分构成的。作物的高度信号由割台输送带上的物位传感器检测,电子控制器把传感器的输出信号经过滤波后转换成升高、降低或继续保持割台高度的信号,然后驱动电磁阀,使控制收割台的液压缸做相应的动作,调整割台的高度。该系统在割台的两端还各装一个近地传感器,以防割台触地。再如,日本东洋制米机厂研制出一种可以安装在联合收割机上的用来判断、清除谷物中混进的金属等杂质的磁传感器。其

4、工作原理是在谷物滚动的筒管周围形成高频电磁场，利用磁传感器测量谷物滚动时引起的电磁场的变化, 通过分选器剔除谷物中的金属杂质等。二、项目研究的目的、意义和主要容（含设计思路、设计方法、主要工作以及技术要求等）：我国虽然是农业大国，但要解决十二亿人口的吃饭问题还是个值得重视的问题。这个问题的解决关键在于提高农业生产效益和增强抗灾能力。随着科学技术的不断发展，当前设施农业(又称工厂化农业)已成为解决上述关键问题的一种农业新兴产业。设施农业是借助温室及其配套装置来调节和控制作物生产环境条件的新农业生产方式，是农业摆脱自然制约的有效手段，是对常规农业的革命性发展，是高产、高效、优质和技术密集型的农业。

5、近年来，国外如以色列、荷兰等国在设施农业中研究和生产方面已达到很高水平。我国近年来，塑料大棚和日光温室为主体的设施农业正迅速发展，但与国外相比，普遍存在科技含量低、劳动强度大、生产水平和效益低下。因此，迫切需要技术改进，以提高我国设施农业的整体水平。要实现高水平的设施农业，涉及到关键技术息获取手段是最重要的关键技术之一。因此，开发性能价格比高的设施农业用传感器是当务之急。作为传感器技术新世纪的发展方向，传感器在农业中的广泛应用，这也是促进传感器产业化的重途径之一。设施农业用传感器的品种较多，按其检测参数分数，主要有以下几种：1 温度和湿度2 土壤干燥度3 CO2 4 光照度5土壤养分由于设施农

6、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2 能适应系统要求3 优良的性能价格比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，本人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。“工厂高效农业工程”已列入国家重点工程项目，并已启动实施。21世纪必将全面推广，传感器技术学术界和产业界应抓住这良好的机遇，把

7、传感器在设施农业中的应用作为主要服务领域之一，这既能促进我国农业水平的提高，又能促进传感器产业化自身的发展。三、课题研究已具备的条件（包括主要仪器设备、软件和参考资料）参考文献（见末页）网络视频与PPT四、设计进程：1. 2015年11月1日2015年11月10日，查询、收集课题相关资料、文献。2. 2015年11月11日2015年11月20日，选定论文方向，明确论文具体要求，完成开题报告。3. 2015年11月21日2015年12月8日，完成论文初稿。4. 2015年12月9日2015年12月12日，提交初稿给指导教师审核修改，根据修改意见完成论文。5. 2015年12月13日2015年12

8、月15日，提交论文进行第二次修改，根据修改意见完善论文。指导老师意见指导教师签名：年 月 日教研室意见教研室主任签名：年 月 日系部意见系主任签名： 单位（公章）年 月 日三峡职业学院毕业设计(论文)进度考核表起止日期毕业论文各阶段工作任务完成情况指导教师签字11.111.10查询、收集课题相关资料、文献 完成红11.1111.20选定论文方向，明确论文具体要求，完成开题报告。完成红11.2112.8完成论文初稿。完成红12.912.12提交初稿给指导教师审核修改，根据修改意见完成论文。完成红12.1312.15提交论文进行第二次修改，根据修改意见完善论文。完成红备注 摘 要 10第一章 引言

9、 11第二章 设施农业传感器的种类及性能要求 122.1设施农业用传感器的分类 122.1.1 土壤温度传感器 122.1.2空气温湿度传感器 132.1.3 土壤水分传感器 132.1.4 CO2含量传感器 132.1.5 NH3含量传感器 132.1.6光照度传感器 142.1.7营养元素传感器 142.2农业传感器的性能要求 152.2.1长期稳定性好 152.2.2能适应系统要求 162.2.3优良的性能价格比 16第三章 新型传感器在农业中的应用 163.1光纤传感器 163.2 MEMS微电子传感器 163.3仿生传感器 173.4电化学传感器 18第四章 农业传感器的研究现状与开

10、发建议 184.1国外农业传感器的研究现状 184.1.1 空间数据获取 184.1.2 精准灌溉 194.1.3 病虫害防治 194.2 开发建议 204.2.1 低成本 204.2.2 低功耗 204.2.3使用新材料 21第五章 结束语 21致 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

11、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 conve

12、rt 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 b

13、asic 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 t

14、echnology, 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 t

15、o 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

16、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

17、。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

18、、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

19、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围在1040（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24个不等，安

20、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围在050，有效湿度围在3090%。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14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，一般有效围在1070%。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

21、有不同。根据温室或大棚长度安装24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，有效围在1001000ppm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

22、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），有效围在200200000Lux。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

23、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

24、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

25、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。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 S

26、ystems) 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

27、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

28、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

29、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。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

30、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

31、子和镉离子等）可以用离子选择电极进行测定，以便对植物的新代、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国外农业传感器的研究现状4.1.1 空间数据获取 2008 年 Pierce 和 Elliott11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，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