第二章農(nóng)業(yè)信息采集與處理課件

農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與信息管理系統(tǒng)電氣信息工程學(xué)院徐雷鈞農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與信息管理系統(tǒng)電氣信息工程學(xué)院徐雷鈞1第二章農(nóng)業(yè)信息采集與處理

計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理農(nóng)田生物信息的采集與處理農(nóng)田氣候信息的采集與處理土壤信息的采集與處理設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)第二章農(nóng)業(yè)信息采集與處理計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述2第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)二、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的基本功能第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型3第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型4第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)（一）傳感器傳感器是根據(jù)各種物理、化學(xué)、生物學(xué)的定律及效應(yīng)，把感受的被測量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的裝置。傳感器是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化測量與自動控制的首要環(huán)節(jié)。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型5傳感器基本類型：電阻式傳感器：應(yīng)用金屬的應(yīng)變效應(yīng)，半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，電阻的穩(wěn)定效應(yīng)，光電效應(yīng)等，獲得傳感元件電阻值變化。常用來測量力，溫度，光強，濕度，氣體濃度等。電感式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理，將非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感變化的裝置。常用來測量力、振動、轉(zhuǎn)速、流量，應(yīng)變等。電容式傳感器：通過改變電容的間隙，電容的極板面積和電容的介電常數(shù)實現(xiàn)測量。用于位移，加速度，壓力，振動，濕度等。數(shù)字式傳感器：利用莫爾條紋，改變互感，拾磁信號，數(shù)字編碼等轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)測量。用來進行角位移和線位移的測量。電動勢式傳感器：根據(jù)熱電效應(yīng)，電磁效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，光電效應(yīng)等原理把被測量轉(zhuǎn)換為電動勢信號輸出。用于測量溫度，加速度，光強等。壓電式傳感器：以介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下表面產(chǎn)生電荷的原理。用于測量壓力，應(yīng)力，加速度等。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)傳感器基本類型：第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采6第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)傳感器選擇原則：傳感器類型：根據(jù)傳感器使用條件和農(nóng)業(yè)信息的特點如信號傳輸方式，測量方式，傳感器來源等選擇。線性范圍和量程：確保傳感器的線性范圍及量程能夠滿足測量要求。靈敏度：靈敏度反應(yīng)傳感器輸出量對輸入量變化的反應(yīng)能力。在傳感器線性范圍內(nèi)，選擇高靈敏度且信噪比較高的。精度：傳感器輸出與被測量的對應(yīng)程度，精度越高，越能真實反應(yīng)被測量，但成本也越高。頻率響應(yīng)特性：傳感器的頻率響應(yīng)特性取決于被測量的頻率范圍，保證不失真測量。穩(wěn)定性和可靠性：分別保證在規(guī)定工作條件下長時間使用，性能保持不變的能力和不超過極限的情況下特性保持不變的能力。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型7第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)（二）信號調(diào)理器被采集的生物與環(huán)境特征變量（物理、化學(xué)、生物量等）經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為方便處理的電量（一般為電壓、電流、電阻和脈沖量）信號。模擬信號和數(shù)字信號：數(shù)字信號：高低電平表示兩種狀態(tài)，有開關(guān)和脈沖兩種；模擬信號：隨時間變化的連續(xù)信號，分為直流、時域、頻域信號。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型8通常系統(tǒng)采集的信號多為模擬信號，且為多元弱信號，易受系統(tǒng)自身和外界干擾，需要在系統(tǒng)前端添加信號調(diào)理電路（濾波器、變換器、前級放大器、隔離電路），實現(xiàn)阻抗變換、信號變換、濾波、放大、隔離保護等功能。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)信息的放大：儀用放大器和隔離放大器。三運放儀用放大電路雙運放儀用放大電路光電耦合隔離放大器通常系統(tǒng)采集的信號多為模擬信號，且為多元弱信號，易受系統(tǒng)自身9三運放儀用放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述三運放儀用放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述10雙運放儀用放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述雙運放儀用放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述11光電耦合隔離放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述光電耦合隔離放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述12第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)（三）數(shù)據(jù)采集器多路開關(guān)MUX測量放大器采樣保持器S/H模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/DAnalogue－to－digital第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型13第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述多路開關(guān)MUX采樣保持器S/H第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述多路開關(guān)采樣保持器14AD7822內(nèi)部結(jié)構(gòu)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述AD7822內(nèi)部結(jié)構(gòu)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述15第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)（四）微機I/O接口微機接口是計算機與外界進行信息交換的通道和窗口。采集器輸出的數(shù)字信號經(jīng)總線送給微機接口，再經(jīng)I/O通道送給微機處理。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型16第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)將微機輸出的數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換為模擬信號，以完成計算機的輸出記錄和對外界設(shè)備的自動控制。（五）數(shù)模轉(zhuǎn)換器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型17第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述18第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)調(diào)度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各應(yīng)用程序模塊，并與系統(tǒng)的外部設(shè)備及時交換信息。監(jiān)控程序在在線狀態(tài)下，能接收來自鍵盤或接口的操作命令，并解釋、執(zhí)行，實現(xiàn)系統(tǒng)硬、軟件資源的管理。（六）應(yīng)用軟件與監(jiān)控程序應(yīng)用軟件監(jiān)控程序是計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的靈魂，有了應(yīng)用軟件才能充分發(fā)揮采集系統(tǒng)的功能第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型19二、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的基本功能時鐘功能信息采集功能數(shù)據(jù)處理功能數(shù)據(jù)存儲功能控制功能自診斷功能信息輸出功能定時采集、實時采集；單項采集、多項采集數(shù)字濾波、A/D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、線性化處理等數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)變換、圖形處理等預(yù)處理二次處理存儲實時采集的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)超限報警、狀態(tài)自檢、自動復(fù)位等圖形顯示、報表打印、硬拷貝等可以實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境的調(diào)控，實現(xiàn)生產(chǎn)管理自動化系統(tǒng)定時采集、分時操作都按時鐘的節(jié)拍進行第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述二、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的基本功能時鐘功能定時采集、實時采集；單20水溫控制系統(tǒng)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述水溫控制系統(tǒng)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述21語音小車控制第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述語音小車控制第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述22水質(zhì)監(jiān)測電路第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述水質(zhì)監(jiān)測電路第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述23水質(zhì)監(jiān)測電路第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述水質(zhì)監(jiān)測電路第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述24第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述25第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理一、農(nóng)業(yè)信息的調(diào)制與解調(diào)緩變信號調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)信號源低頻放大器調(diào)制器高頻放大器檢波解調(diào)高頻震蕩器調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理一、農(nóng)業(yè)信息的調(diào)制與解調(diào)緩變信26測量信號：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理載波信號：調(diào)幅波信號：解調(diào)：檢波過程調(diào)幅：測量信號：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理載波信號：調(diào)幅波信號27調(diào)幅波形第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理調(diào)幅波形第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理28調(diào)頻：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理解調(diào)：頻率檢波，鑒頻調(diào)頻：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理解調(diào)：頻率檢波，鑒頻29調(diào)相：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理相位隨測量信號的頻率變化相加型相敏檢測電路調(diào)相：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理相位隨測量信號的頻率變化30第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理二、農(nóng)業(yè)信息的處理技術(shù)（一）信號時域分析（二）信號頻域分析（三）數(shù)字化濾波處理第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理二、農(nóng)業(yè)信息的處理技術(shù)（一）信31（一）信號時域分析（1）相關(guān)分析

定量表示信號x(t)與其時移信號的相似程度。第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理自相關(guān)互相關(guān)（一）信號時域分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理自相關(guān)32（一）信號時域分析（2）概率密度分析

了解信號幅值大小的分布情況第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

（一）信號時域分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理33（二）信號頻域分析

以頻率或角頻率為變量描述信號幅值、相位的變化規(guī)律。采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz傅里葉變換X(t)=

sin(2πnft)0t0f（二）信號頻域分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理8563AS34時域分析與頻域分析的關(guān)系第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

信號頻譜X(f)代表了信號在不同頻率分量成分的大小，能夠提供比時域信號波形更直觀，豐富的信息。

時間幅值頻率時域分析頻域分析時域分析與頻域分析的關(guān)系第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理信號頻35時域和頻域的對應(yīng)關(guān)系第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

131Hz147Hz165Hz175Hz時域和頻域的對應(yīng)關(guān)系第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理131Hz36周期信號的頻譜分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

周期信號是經(jīng)過一定時間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號，滿足條件：

x(t)=x(t+nT)任何周期函數(shù)，都可以展開成正交函數(shù)線性組合的無窮級數(shù)，如三角函數(shù)集的傅里葉級數(shù):周期信號的頻譜分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理周期37傅里葉級數(shù)的表達(dá)形式：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

變形為：傅里葉級數(shù)的表達(dá)形式：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理變形為：38第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

式中:傅里葉級數(shù)的復(fù)數(shù)表達(dá)形式：T――周期，T=2π/ω0；ω0――基波圓頻率；f0=ω0/2π第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理式中:傅里葉級數(shù)的復(fù)數(shù)表達(dá)形式39頻域分析1-方波信號的合成與分解第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

頻域分析1-方波信號的合成與分解第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理40頻域分析2-手機和弦鈴聲的合成第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

頻域分析2-手機和弦鈴聲的合成第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理41非周期信號的頻譜分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

非周期信號是時間上不會重復(fù)出現(xiàn)的信號，一般為時域有限信號，具有收斂可積條件，其能量為有限值。這種信號的頻域分析手段是傅立葉變換。

非周期信號的頻譜分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理非周42與周期信號相似，非周期信號也可以分解為許多不同頻率分量的諧波和，所不同的是，由于非周期信號的周期T∞，基頻fdf，它包含了從零到無窮大的所有頻率分量，各頻率分量的幅值為X(f)df，這是無窮小量，所以頻譜不能再用幅值表示，而必須用幅值密度函數(shù)描述。

另外，與周期信號不同的是，非周期信號的譜線出現(xiàn)在0,fmax的各連續(xù)頻率值上，這種頻譜稱為連續(xù)譜。第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

與周期信號相似，非周期信號也可以分解為許多不同頻率分43（三）數(shù)字化濾波處理

定義：用數(shù)字設(shè)備，通過一定的算法，對信號進行處理，將某個頻段的信號進行濾除，得到新的信號。

特點：數(shù)字濾波具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點。數(shù)字濾波在語言信號處理、圖像信號處理、醫(yī)學(xué)生物信號處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

（三）數(shù)字化濾波處理第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理44當(dāng)

時，M就是IIR濾波器的階數(shù)，表示系統(tǒng)中反饋環(huán)的個數(shù)。由于反饋的存在，IIR濾波器的脈沖響應(yīng)為無限長，因此得名。若

，則系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)的長度為N+1，故而被稱作FIR濾波器。

IIR濾波器與FIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

當(dāng)

時，M就是IIR濾波器45IIR濾波器的優(yōu)點：可以直接利用模擬濾波器設(shè)計的成果進行設(shè)計，因為模擬濾波器本身就是無限長沖激響應(yīng)的。設(shè)計過程如下：首先根據(jù)濾波器參數(shù)要求設(shè)計對應(yīng)的模擬濾波器（如巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等），然后通過映射（如脈沖響應(yīng)不變法、雙線性映射等等）將模擬濾波器變換為數(shù)字濾波器，從而確定IIR濾波器的參數(shù)。IIR濾波器的缺點：存在反饋，其穩(wěn)定性得不到保證；反饋可能使濾波器的數(shù)字運算發(fā)生溢出。FIR濾波器的優(yōu)點：不存在系統(tǒng)極點，F(xiàn)IR濾波器是絕對穩(wěn)定的系統(tǒng)；而且確保線性相位，這在信號處理中非常重要；此外，由于不需要反饋，實現(xiàn)比IIR濾波器簡單。FIR濾波器的缺點：性能不如同樣階數(shù)的IIR濾波器。引入計算機輔助設(shè)計，F(xiàn)IR濾波器的設(shè)計得到極大的簡化。因此，F(xiàn)IR濾波器比IIR濾波器應(yīng)用更廣。第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

IIR濾波器的優(yōu)點：可以直接利用模擬濾波器設(shè)計的成果進行設(shè)計46第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理一、農(nóng)田生物系統(tǒng)的信息二、農(nóng)田生物信息采集與處理系統(tǒng)三、農(nóng)田生物弱信息的增強技術(shù)四、農(nóng)田生物宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)信息的提取第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理一、農(nóng)田生物系統(tǒng)的信息47一、農(nóng)田生物系統(tǒng)的信息（一）農(nóng)田生物信息的類型農(nóng)作物生理功能信息農(nóng)作物結(jié)構(gòu)信息農(nóng)作物病蟲草害信息微觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理一、農(nóng)田生物系統(tǒng)的信息（一）農(nóng)田生物信息的類型農(nóng)作物生理48第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理一、農(nóng)田生物系統(tǒng)的信息（二）農(nóng)田生物信息的特點與研究方法層次性多元性弱信息時空分布隨空間和時間不斷發(fā)生動態(tài)變化注重實時性和空間分布差異采用弱信息提取與恢復(fù)技術(shù)，使弱信息變強包含于復(fù)雜的環(huán)境信息中多種組分信息的疊加多組分信息分離技術(shù)，運用化學(xué)計量學(xué)方法物種不同、生長有異、結(jié)構(gòu)有別微觀：光譜/波譜/色譜/質(zhì)譜；宏觀：感官定性/圖形圖像方法第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理一、農(nóng)田生物系統(tǒng)的信息（49第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理二、農(nóng)田生物信息采集與處理系統(tǒng)（一）系統(tǒng)組成農(nóng)田生物信息采集與處理系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。1．硬件部分第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理二、農(nóng)田生物信息采集與處理50第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理1）信息檢測系統(tǒng):圖像傳感器;光譜傳感器;生理信息傳感器;實驗分析儀圖像傳感器1．硬件部分安裝在野外，并與計算機聯(lián)機，采集作物群體和個體的形態(tài)結(jié)構(gòu)信息。一般用于監(jiān)測農(nóng)田作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，以便對病蟲草害、栽培措施等進行模式識別，也可以獲得作物生長發(fā)育的狀態(tài)信息。為了能立體觀察物體，可以使用2臺攝像機或采用鏡面反射獲得三維結(jié)構(gòu)信息。第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理1）信息檢測系統(tǒng):圖像傳感51光譜傳感器第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理反射光譜包含了豐富的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其組成信息。通過測定作物反射光譜可以獲得作物生育階段信息和葉綠素等各種色素、蛋白質(zhì)、淀粉等物質(zhì)含量的信息，預(yù)測作物生物學(xué)產(chǎn)量與經(jīng)濟產(chǎn)量，監(jiān)測作物病蟲害發(fā)生規(guī)律。圖示為安裝在田間的與計算機聯(lián)機的可見光、近紅外光分光裝置可以實現(xiàn)波長在0.4μm～2.5μm范圍內(nèi)連續(xù)掃描、定時掃描，實現(xiàn)準(zhǔn)確的遙測數(shù)據(jù)采集。1．硬件部分光譜傳感器第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理反射光譜包含了52光譜分布第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理光譜分布第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理53生理信息傳感器第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理LI-6400P便攜式光合作用測定系統(tǒng)作物的產(chǎn)量與生理活動，如光合速率與呼吸速率、田間溫度、光照強度等的變化關(guān)系密切，測定儀可以實現(xiàn)隨時觀測田間作物的生理信息的變化1．硬件部分生理信息傳感器第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理LI-6454實驗室分析儀器第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理室內(nèi)分析儀器按原理可分為：光譜分析儀器、色譜分析儀器、電化學(xué)分析儀器及其它儀器。這些儀器都可與計算機聯(lián)機，實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的自動采集與處理。1．硬件部分實驗室分析儀器第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理室內(nèi)分析儀器55第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理2）信號調(diào)理系統(tǒng)農(nóng)田生物信息經(jīng)過信息檢測系統(tǒng)檢測后，其信息附載到具有某種能量（如光、電、熱、聲、磁等）的模擬量上即為模擬信號。模擬信號被計算機采集以前需要進行調(diào)理，提高信噪比。信號調(diào)理系統(tǒng)包括：濾波器、積分器、調(diào)制解調(diào)器、鎖相放大器等。1．硬件部分第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理2）信號調(diào)理系統(tǒng)農(nóng)田生物56第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理3）計算機硬件系統(tǒng)接口電路計算機計算機輸入輸出設(shè)備1．硬件部分第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理3）計算機硬件系統(tǒng)接口電572．信息處理軟件系統(tǒng)第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理通過信息檢測系統(tǒng)檢測到的各種圖譜、圖像信息，擁有復(fù)雜的背景，需要用各種軟件來實現(xiàn)對有用信息的處理與提取。具體包括：（1）信息預(yù)處理軟件：去除或降低原始信息中的高頻隨機噪聲以及消除或降低圖形和圖像中的隨機噪聲，校正輻射量畸變和幾何畸變，使圖像質(zhì)量得到改善。（2）信息提取軟件：包括弱信息提取軟件如計算機導(dǎo)數(shù)技術(shù)和多元信息提取軟件如主成分回歸法以及圖像紋理特征處理如聚類分析法軟件等。（3）信息綜合處理、模擬和優(yōu)化軟件。2．信息處理軟件系統(tǒng)第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理通過信58（二）系統(tǒng)功能二、農(nóng)田生物信息采集與處理系統(tǒng)1.農(nóng)田生物信息檢測微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)和組分的信息檢測宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的信息檢測生理功能的信息檢測間接信息的獲得2．生物信息檢測信號的調(diào)理信噪比噪聲來源信號調(diào)理第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理（二）系統(tǒng)功能二、農(nóng)田生物信息采集與處理系統(tǒng)1.農(nóng)田生59第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理植物生理及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)葉片光合與速騰速率測量第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理植物生理及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)葉片60三、農(nóng)田生物弱信息的增強技術(shù)1．系統(tǒng)背景的消除與降低差譜技術(shù)導(dǎo)數(shù)光譜技術(shù)2．隨機背景的消除與降低數(shù)字濾波技術(shù)傅里葉變換濾波小波變換第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理三、農(nóng)田生物弱信息的增強技術(shù)1．系統(tǒng)背景的消除與降低差譜技術(shù)61第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理四、農(nóng)田生物宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)信息的提?。ㄒ唬┯嬎銠C圖像處理技術(shù)的概念計算機圖像處理是在計算機中把圖像用數(shù)字信號的形式表達(dá)，并根據(jù)需要進行各種處理，稱為數(shù)字圖像處理。所謂數(shù)字圖像，就是圖像各點的灰度值的二維數(shù)組，把它表示為f(x,y)，則f(i,j)表示圖像f位于（i,j）處象素的同時，還表示該點的灰度。因此任何圖像都可以用多個二維數(shù)組表示。第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理四、農(nóng)田生物宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)信62第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理四、農(nóng)田生物宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)信息的提取（一）計算機圖像處理技術(shù)的概念類別描述形式描述的對象二值圖像f(x,y)=0,1文字、線條圖、指紋等濃淡圖像0≤f(x,y)≤2n—1黑白照片、一般n=6～8彩色圖像｛fi(x,y)｝,i=R,G,B以三基色表示的彩色圖像多光譜圖像｛fi(x,y)｝,i=1,2,…,m遙感圖像，一般m=4～8立體圖像fL,fR由左、右視點得到的同一物體的象對動態(tài)圖像（時間序列）｛ft(x,y)｝,t=t1,t2,…,tn動態(tài)分析、動畫制作等數(shù)字圖像的類別第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理四、農(nóng)田生物宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)信63第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理五、農(nóng)田生物宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)信息的提?。ǘ﹫D像輸入方法照片、膠片或?qū)嵉嘏臄z的電視圖像等一系列模擬圖像，在輸入計算機的過程中，由輸入設(shè)備（用數(shù)碼照相機和數(shù)碼攝像機拍攝的為數(shù)字圖像，可直接輸入計算機）將其轉(zhuǎn)換成二維陣列（X×N）個象素，然后將這些點陣的灰度信息（包括色彩信息）數(shù)字化每一象元的灰度值是從0到255中的某一個值，而彩色信息是將自然界的各種顏色分解成紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3種基色，每種基色又分成0到255個不同的數(shù)量級，幾乎所有顏色都可用RGB三基色的含量多少來反映，農(nóng)田生物色度信息就是用RGB三基色不同數(shù)量級的合成來表示。第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理五、農(nóng)田生物宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)信64第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理（三）圖像處理方法五、農(nóng)田生物宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)信息的提取1．二值圖像處理法2．圖像變換和圖像質(zhì)量的改善3．圖像的特征提取幾何形狀結(jié)構(gòu)信息的提取紋理特征信息的提取顏色特征信息的提取第三節(jié)農(nóng)田生物信息的采集與處理（三）圖像處理方法五、農(nóng)田65第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理氣候是長時間內(nèi)氣象要素和天氣現(xiàn)象的平均或統(tǒng)計狀態(tài)，時間尺度為月、季、年、數(shù)年到數(shù)百年以上。農(nóng)田氣候一般指距農(nóng)田地面幾米內(nèi)的空間氣候，是各種動物、植物和微生物賴以生存的空間氣候。農(nóng)田氣候要素包括太陽輻射、大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)速等，隨時間、地點、空間發(fā)生變化，對農(nóng)田作物生長、發(fā)育與產(chǎn)量形成影響巨大。農(nóng)田氣候信息采集與處理，以便對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進行模擬、調(diào)節(jié)和控制。一、農(nóng)田氣候信息采集與處理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成二、農(nóng)田氣候信息采集處理系統(tǒng)應(yīng)用軟件第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理氣候是長時間內(nèi)氣象要素和天氣66一、農(nóng)田氣候信息采集與處理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理農(nóng)田氣候信息采集處理系統(tǒng)（即自動氣象站）是一個功能擴張的單片機應(yīng)用系統(tǒng)，是一種按設(shè)定的要求對多項氣象要素自動進行采集、處理、存儲和編制報表的地面氣象觀測設(shè)備。3部分組成：氣候信息采集模塊數(shù)據(jù)通信輸出模塊單片機功能擴展模塊一、農(nóng)田氣候信息采集與處理系統(tǒng)的硬件構(gòu)成第四節(jié)農(nóng)田氣候信息671.信息采集模塊第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理（1）土壤熱通量信息采集（2）空氣溫度信息采集（3）空氣濕度信息采集（4）太陽輻射信息采集（5）日照時數(shù)信息采集（6）風(fēng)速與風(fēng)向信息采集（7）降雨信息采集（8）氣壓信息采集（9）蒸發(fā)信息采集1.信息采集模塊第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理（1）土壤68各類氣象要素測量傳感器第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理各類氣象要素測量傳感器第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理69第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理各類氣象要素測量傳感器第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理各類氣象要素測量傳感器70土壤熱通量信息采集熱流計（應(yīng)用于保溫性能的測試）——熱流傳感器：1914年，德國的Henky教授用10cm的軟木板測量啤酒廠內(nèi)地板的熱流1924年，Schmidt設(shè)計了由繞在橡膠帶上的熱電堆組成的帶狀熱流傳感器用來測量帶有保溫層的管道的熱流密度。

1939年，為克服制作多點熱電堆的困難，Gier和Boelter用在康銅絲上電鍍銀的方法制成了熱流傳感器用的熱電堆（或稱：線繞熱阻式）。1969年前后，隨著對高精度熱流測量的需求，提出了利用半導(dǎo)體材料制作熱流傳感器的感測元件：熱電堆。2002年，出現(xiàn)具有更高測量精度的薄膜熱流傳感器，以滿足航空航天和軍事科學(xué)的更高精度測量需要，使對微小熱量變化的測量成為了可能。第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理土壤熱通量信息采集第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理71空氣溫度信息采集溫度傳感器——接觸式、非接觸式（按測量方式）熱敏電阻、熱電偶（按傳感器材料）接觸式：溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。非接觸式：用來測量運動物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理空氣溫度信息采集第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理72熱敏電阻用半導(dǎo)體材料，大多為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。體積小，響應(yīng)快，但是線性度差。熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線(金屬A和金屬B)構(gòu)成，當(dāng)熱電偶一端受熱時，熱電偶電路中就有電勢差?？捎脺y量的電勢差來計算溫度。非線性關(guān)系，簡單可靠，精度低。

第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理熱敏電阻第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理73空氣濕度信息采集濕敏元件——電阻式、電容式濕敏電阻：在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。靈敏度高，線性度和互換性差。濕敏電容：用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。靈敏度高，互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理空氣濕度信息采集第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理74太陽輻射信息采集輻射傳感器：熱電型傳感器，基于輻射的熱效應(yīng)，通過熱電元件測定溫差電動勢來計算輻射能。能量感知元件：一般為涂覆有高吸收率涂層（發(fā)射率在0.94以上的黑色涂層）的熱流傳感器。濾波元件：按所需波長范圍選擇通過的電磁波。第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理太陽輻射信息采集第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理75日照時數(shù)信息采集直接輻射表、雙金屬片日照傳感器與旋轉(zhuǎn)式日照傳感器

用來測量太陽每天在垂直于其光線的平面上的直接輻射強度≧120W/m2(±10%)的時間長度，其感光波長范圍為0.3～3微米。由高透光學(xué)玻璃罩、感光元件、信號處理電路、時鐘運算電路、表體等部分組成。經(jīng)過校正的輻射感光元件將環(huán)境中的輻射值傳遞給傳感器內(nèi)部的信號處理電路，處理器一旦判斷信號大于120W/m2即開始計時，計時為累加方式，直至當(dāng)天24點時刻后自動清零。在此期間，外界可隨時向傳感器獲取累計日照時數(shù)值。第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理日照時數(shù)信息采集第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理76風(fēng)速與風(fēng)向信息采集風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風(fēng)組件，由三個碳纖維風(fēng)杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動，輸出頻率的信號。

風(fēng)向傳感器的變換器采用精密導(dǎo)電塑料電位器，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化，尾翼轉(zhuǎn)動通過軸桿帶動電位器軸芯轉(zhuǎn)動，從而在電位器的活動端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出。

第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理風(fēng)速與風(fēng)向信息采集第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理77降雨信息采集翻斗式雨量傳感器：由承雨器部件和計量部件等組成。承雨口采用國際標(biāo)準(zhǔn)口徑Φ200mm。計量組件是一個翻斗式機械雙穩(wěn)態(tài)秤重機構(gòu)，其功能是將以mm計的降雨深度轉(zhuǎn)換為開頭信號輸出。

第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理降雨信息采集第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理78氣壓信息采集氣壓傳感器：主要的傳感元件是一個對壓強敏感的薄膜，它連接了一個柔性電阻器。當(dāng)被測氣體的壓強降低或升高時，這個薄膜變形，該電阻器的阻值將會改變。電阻器的阻值發(fā)生變化。從傳感元件取得0-5V的信號電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)采集器接受，然后數(shù)據(jù)采集器以適當(dāng)?shù)男问桨呀Y(jié)果傳送給計算機。

數(shù)字氣壓傳感器：利用MEMS技術(shù)在單晶硅片上加工出真空腔體和惠斯登電橋，惠斯登電橋橋臂兩端的輸出電壓與施加的壓力成正比。應(yīng)用：測量海拔高度，當(dāng)前用于智能手機中導(dǎo)航第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理氣壓信息采集第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理79蒸發(fā)信息采集蒸發(fā)傳感器：由超聲波傳感器和不銹鋼圓筒架兩部分組成。根據(jù)超聲波測距原理，選用高精度超聲波探頭，對標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)皿內(nèi)水面高度變化進行檢測，轉(zhuǎn)換成電信號輸出。第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理蒸發(fā)信息采集第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理802.數(shù)據(jù)通信輸出模塊采集處理系統(tǒng)為方便數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和圖形顯示，設(shè)置了數(shù)據(jù)通信輸出通道，通過RS－232－C串行通信總線（適宜于30m內(nèi)）和20mA電流環(huán)（遠(yuǎn)距離），將數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)主機，以便對數(shù)據(jù)作進一步的處理、分析。第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理3.系統(tǒng)功能擴展模塊適應(yīng)農(nóng)田氣候信息采集、存儲、處理的需要，增強單片機系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)外擴展了程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、輸入/輸出口以及定時器/計數(shù)器。2.數(shù)據(jù)通信輸出模塊第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理3.81二、農(nóng)田氣候信息采集處理系統(tǒng)應(yīng)用軟件第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采集與處理二、農(nóng)田氣候信息采集處理系統(tǒng)應(yīng)用軟件第四節(jié)農(nóng)田氣候信息的采82第五節(jié)土壤信息的采集與處理

土壤信息主要是表征土壤狀況和性質(zhì)的一系列參數(shù)。對某一特定土壤而言：

土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量等參數(shù)，基本固定不變，一般不必多次測定；

土壤含水量、含鹽量以及土壤養(yǎng)分含量等參數(shù)，隨時間不斷變化，需要多次動態(tài)采集及測定。本節(jié)重點介紹以下兩方面：二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測一、土壤含水量的測定第五節(jié)土壤信息的采集與處理土壤信息主要是表征土壤狀831.烘干稱重法：國際上普遍采用的經(jīng)典土壤水分測定方法，即用土鉆等取濕土樣稱重后放入烘箱，在105～110℃條件下烘干6～8h至恒重，濕土重與烘干土重之差即為水重，水重與烘干土重的比值即為土壤水分含量。優(yōu)點是對設(shè)備要求低，結(jié)果可靠。作為一種實驗室測量方法并用于其它方法的標(biāo)定將長期存在。缺點是費時、費力，綜合費用高；破壞土壤，深層取樣困難，受土壤空間變異性影響也比較大。因此，需要研究和使用自動化程度較高的各種快速、連續(xù)定位土壤水分測定系統(tǒng)來代替烘干法第五節(jié)土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的測定1.烘干稱重法：國際上普遍采用的經(jīng)典土壤水分測定方法，即用土84第五節(jié)土壤信息的采集與處理一、土壤含水量的測定

2.TDR土壤水分測定系統(tǒng)

時域反射儀TDR（TimeDomainReflectometry）是一種測定土壤電磁量的方法，類似一個短波雷達(dá)系統(tǒng)。通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時間來測定土壤介電常數(shù)，進而計算整個探針長度土層土壤平均體積含水量。TDR系統(tǒng)主要部件包括階躍脈沖信號產(chǎn)生器、接收器、示波器、時間控制電路和波導(dǎo)棒等。

第五節(jié)土壤信息的采集與處理85測量原理：土壤水鹽的電磁測定是基于土壤的介電性質(zhì)。介電常數(shù)又與土壤水分含量的多少有密切關(guān)系。將長度為L的波導(dǎo)棒插入土壤介質(zhì)中，高頻電磁脈沖信號從波導(dǎo)棒的始端傳播到終端，并在探頭周圍產(chǎn)生一個電磁場，由于波導(dǎo)棒終端處于開路狀態(tài)，脈沖信號受反射又沿波導(dǎo)棒返回到始端。檢測脈沖從輸入到反射回的時間以及反射時的脈沖幅度的衰減，可以反映出土壤的電導(dǎo)率，繼而計算土壤水鹽含量。第五節(jié)土壤信息的采集與處理優(yōu)點：直接、快速、方便、可靠地同時獨立監(jiān)測土壤水鹽狀況，測定結(jié)果與土壤類型、密度、溫度等因素?zé)o關(guān)，無需埋設(shè)中子管。缺點：儀器價格昂貴。測量原理：土壤水鹽的電磁測定是基于土壤的介電性質(zhì)。介電常數(shù)又86第五節(jié)土壤信息的采集與處理二、負(fù)壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)

負(fù)壓計，又稱張力計，以測量土壤負(fù)壓（張力）來顯示土壤水分狀況。負(fù)壓計包括一個多孔的陶瓷杯和一個液壓計。負(fù)壓計瓷頭埋設(shè)于土壤中某一深度后，負(fù)壓計內(nèi)部的水分通過瓷頭上的微孔同土壤水分進行交換，使內(nèi)外水勢漸趨平衡，儀器上所指示的負(fù)壓值即代表土壤水勢，可以直接反映土壤水分能為植物吸收利用的程度，同時又可換算為土壤含水率。3.負(fù)壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)第五節(jié)土壤信息的采集與處理二、負(fù)壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)87

優(yōu)點：負(fù)壓計結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、價錢便宜、使用方便，可以在不同測點多處埋設(shè)，可進行連續(xù)多次觀測。缺點：不適合于干旱土地，適用于灌溉地、噴灌和滴灌田；易于受環(huán)境溫度的影響，儀器穩(wěn)定性較差；觀測結(jié)果具有滯后性，往往不能及時反映土壤水分狀況。第五節(jié)土壤信息的采集與處理3.負(fù)壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點：負(fù)壓計結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、價錢便宜、使用方便，可以在88第五節(jié)土壤信息的采集與處理4.中子土壤濕度儀利用中子熱化原理，快中子源發(fā)出的中子在遇到氫原子后，失去部分動能轉(zhuǎn)化成慢中子，儀器根據(jù)測出的慢中子數(shù)量計算出土壤含水量。土壤含水量愈多，快中子轉(zhuǎn)化為慢中子的數(shù)量也愈多，儀器可以將計數(shù)器的計數(shù)轉(zhuǎn)換為土壤含水量值。中子儀由探頭和計數(shù)器組成。探頭由快中子源和一個三氟化硼慢中子檢測器組成。計數(shù)器用來監(jiān)測土壤散射的慢中子通道。第五節(jié)土壤信息的采集與處理4.中子土壤濕度儀利用中子熱化89使用方法：將探頭插入預(yù)設(shè)的測量孔某一位置，即可測出該位置（點）周圍的土壤含水量。沿測孔上下移動即可測定不同深度土層的土壤含水量，可測量多達(dá)30m深的土壤剖面含水量。第五節(jié)土壤信息的采集與處理優(yōu)點：能快速、周期性的反復(fù)測定深層土壤含水量而不破壞土壤，缺點：當(dāng)土壤有機質(zhì)含量高時測定精度差；儀器價格較貴；需要提前埋設(shè)鋁管，導(dǎo)致設(shè)備成本較高；同時30cm表土層因輻射危害健康，需要采用其它方法測定。4.中子土壤濕度儀使用方法：將探頭插入預(yù)設(shè)的測量孔某一位置，即可測出該位置（點90電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)分別采用電阻式土壤濕度傳感器和電容式土壤濕度傳感器。前者通過測量埋入土壤中的感濕元件的電阻值得到感濕元件的濕度，從而間接求得土壤濕度，測量結(jié)果易受土壤鹽分影響，且有滯后性。后者根據(jù)土壤介電常數(shù)隨土壤濕度變化的原理來測定土壤濕度，受土壤鹽分的影響較小。如石膏塊土壤水分測定系統(tǒng)，如圖，通過測量石膏塊內(nèi)兩個電極間的電阻可以顯示含水量。石膏塊永久埋入土壤中，壽命為3～5年，適用于干燥土壤環(huán)境（張力計無法使用），測量范圍3～100kPa。5.電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)第五節(jié)土壤信息的采集與處理電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)分別采用電阻式土壤濕度傳感器和電91FDR(FrequencyDomainReflectometry)頻域反射儀利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù),從而得到土壤容積含水量。FDR的探針類似于TDR。優(yōu)點：FDR具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定，在土壤干旱條件下測定結(jié)果誤差小于TDR。如圖為Thetaprobe土壤水分測量系統(tǒng)，其傳感器測量范圍是5%～55%的體積濕度，精確度為2%。第五節(jié)土壤信息的采集與處理6.FDR土壤水分測定系統(tǒng)FDR(FrequencyDomainReflecto92第五節(jié)土壤信息的采集與處理7.SWR型系列土壤水分傳感器由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制，主要由100MHz信號源，一節(jié)同軸傳輸線和一個四針不銹鋼探頭組成。信號源產(chǎn)生無線電波，該波沿著傳輸線傳送到探頭，由于探頭的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，一部分信號將反射回信號源，在傳輸線上，入射波與反射波疊加形成駐波，在傳輸線上各點的電壓幅值存在變化。因此，通過測量傳輸線上的駐波率來測量體積含水率。優(yōu)點：測量精度高，響應(yīng)速度快，土質(zhì)影響小，應(yīng)用地區(qū)廣泛，密封性好，可長期埋入土壤中使用，不受腐蝕。第五節(jié)土壤信息的采集與處理7.SWR型系列土壤水分傳感器93二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測第五節(jié)土壤信息的采集與處理1.土壤養(yǎng)分的連續(xù)流動分析土壤養(yǎng)分的測定方法一般是將土樣取回后，稱取一部分浸提或消煮，加入有關(guān)試劑顯色或屏蔽待測組分的影響組分，然后用比色計等檢測儀器測定。傳統(tǒng)的分析方法是逐個手動顯色和檢測，工作效率較低。連續(xù)流動分析技術(shù)（Continuous-FlowAnalysis-CFA）將樣品顯色與檢測合為一體，使浸提樣品的檢測效率成倍提高。德國布朗盧比公司推出的AutoAnalyzer3系統(tǒng)二、土壤養(yǎng)分成分的監(jiān)測第五節(jié)土壤信息的采集與處理1.土壤養(yǎng)94第五節(jié)土壤信息的采集與處理由自動進樣器、蠕動泵、化學(xué)分析盒、檢測器和計算機等5個獨立部分組成，能進行在線消解、在線溶劑萃取、在線蒸餾、在線過濾、氧化還原、在線離子交換、自動稀釋、自動進樣，WINDOWS下全計算機自動系統(tǒng)控制軟件，結(jié)果自動報表打印，多功能化學(xué)分析盒，高低量程轉(zhuǎn)換，不用裝電子除氣泡裝置，大量應(yīng)用于海水、自來水、地表水、污水、煙草、土壤、植株、肥料、食品等樣品的自動檢測。第五節(jié)土壤信息的采集與處理由自動進樣器、蠕動泵、化學(xué)分析盒95第五節(jié)土壤信息的采集與處理離子傳感器是能把溶液中離子活度轉(zhuǎn)換為電位或電流等電信號的傳感器。離子傳感器的基本原理是離子識別，利用固定在敏感膜上的離子識別材料有選擇性地結(jié)合被傳感的離子，從而發(fā)生膜電位或膜電流的改變。

ISFET（IonSensitiveFieldEffectTransistor）即離子敏場效應(yīng)晶體管或稱離子選擇性場效應(yīng)管是常見的離子傳感器，是由ISE敏感膜和MOSFET場效應(yīng)晶體管組合而成的、對離子具有一定選擇性的新型半導(dǎo)體器件，能在被測離子作用下產(chǎn)生相應(yīng)的漏—源電流IDS，以顯示該種離子的濃度。其離子的主要探測元件為固態(tài)或液態(tài)的離子敏感膜，選擇不同的敏感膜，可以測定不同的離子濃度。ISFET主要H+、K+、Na+、Ca2+、Cl－、F－、Br－、I－、CN－、Ag+、S2－、NH4+等幾種。也可以將H＋、K＋、Na＋、Cl－等離子敏感膜集成在一個芯片上，通過模擬開關(guān)使4個ISFET輸出信號，分別測定離子的濃度。2.土壤養(yǎng)分成分監(jiān)測——ISFET法第五節(jié)土壤信息的采集與處理離子傳感器是能把溶液中離子活度轉(zhuǎn)96第五節(jié)土壤信息的采集與處理1.硅鎢酸PVC膜；2.SiN4；3.SiO2；4.溝道；5．絕緣樹脂；6.參比電極B：P-Si基體；S：源極；D：漏極ISFET離子敏場效應(yīng)晶體管對于土壤營養(yǎng)監(jiān)測來說，ISFET器件的技術(shù)關(guān)鍵是在于離子選擇性敏感膜的研制。可以將多ISFET傳感器集成到FIA（FlowInjectionAnalysis）系統(tǒng)中進行土壤營養(yǎng)成分的監(jiān)測。也可以用ISFET連續(xù)檢測土壤pH值。第五節(jié)土壤信息的采集與處理1.硅鎢酸PVC膜；2.SiN97第五節(jié)土壤信息的采集與處理利用可見和近紅外光譜技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和融合技術(shù)的光譜法土壤養(yǎng)分分析儀，不破壞樣品，不需要化學(xué)試劑，不需要前處理，即可實現(xiàn)土壤養(yǎng)分的實時快速測試?？梢詼y試土壤、肥料、植株中全量的和速效的氮、磷、鉀；有機質(zhì)和酸堿度，可溶性含鹽量以及腐殖酸的含量。3.光譜法土壤養(yǎng)分分析儀第五節(jié)土壤信息的采集與處理利用可見和近紅外光譜技術(shù)，結(jié)合數(shù)98第五節(jié)土壤信息的采集與處理土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)包含了土壤含鹽量、土壤水分、有機質(zhì)含量、土壤壓實度、質(zhì)地結(jié)構(gòu)、空隙度等土壤理化信息。大地電導(dǎo)儀是快速勘查大面積土壤電導(dǎo)率的專門儀器。接觸式土壤電導(dǎo)率傳感器是一種電極式傳感器，采用電流－電壓四端法，將恒流電源、電壓表、電極和土壤構(gòu)成回路，用車輛牽引并集成GPS系統(tǒng)，用于測定土壤電導(dǎo)率。如美國的Veris公司的Veris3100大地電導(dǎo)儀4.土壤鹽分的監(jiān)測第五節(jié)土壤信息的采集與處理土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)包含了土壤含鹽量、99非接觸式土壤電導(dǎo)率傳感器，如加拿大Geonics公司的EM38大地電導(dǎo)儀，重量較輕，長度也僅1m，能以極好靈敏度快速地進行勘查。工作原理：在電導(dǎo)儀后端的小型發(fā)射線圈，能產(chǎn)生一個隨時間變化的初級磁場，在大地中誘導(dǎo)出微小電子渦流，而其前端的小型接受線圈，通過測量誘導(dǎo)出的次級磁場來測量大地電導(dǎo)率。其主磁場強度和副磁場強度比值與電導(dǎo)率呈線性關(guān)系。正常進行測定時，把儀器放在地上記錄土壤含鹽量。也可以安裝在木制滑橋上，以步行速度在地上拖著走，完成密集數(shù)據(jù)采集，探測深度達(dá)1.5m，配套Map圖形軟件可以繪制土壤含鹽量地理輪廓圖像。第五節(jié)土壤信息的采集與處理4.土壤鹽分的監(jiān)測非接觸式土壤電導(dǎo)率傳感器，如加拿大Geonics公司的EM1005.土壤樣品自動化采集系統(tǒng)（用于取樣后實驗室測定）土壤樣品自動化采集系統(tǒng)由取樣管、導(dǎo)向器、液壓油缸、采樣頭定位器、移動滑道、底座加強套、液壓動力單元、動力單元固定座、立柱導(dǎo)向固定器、支撐底座、立柱及GPS導(dǎo)向記錄系統(tǒng)組成。第五節(jié)土壤信息的采集與處理將系統(tǒng)固定在皮卡外側(cè)槽的頂部，通過液壓油缸固定架移動滑道將取土系統(tǒng)向外滑出，調(diào)整好土壤取樣的深度，利用系統(tǒng)提供的兩根輔助固定桿將系統(tǒng)固定在皮卡貨物箱的頂部，然后使液壓油缸處于直列狀態(tài)。將液壓動力單元上的兩條動力線直接連接在拖拉機電瓶上，按動控制按鍵上的“上升”和“下降”按鈕即可完成土壤的取樣工作。土壤樣品取出后放在塑料袋內(nèi)保存，將GPS取樣點坐標(biāo)記錄在土壤樣品袋標(biāo)簽上5.土壤樣品自動化采集系統(tǒng)（用于取樣后實驗室測定）第五節(jié)土101第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理設(shè)施農(nóng)業(yè)是指在采用各種材料建成的、具有一定的溫度和其它環(huán)境因子調(diào)控設(shè)施的半封閉式空間里進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方法，分為設(shè)施栽培和設(shè)施養(yǎng)殖兩大類。設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境通常包括溫室、畜禽舍、農(nóng)產(chǎn)品干燥及儲藏設(shè)施、果蔬分級及包裝設(shè)施。設(shè)施農(nóng)業(yè)的功能因種類不同而異，主要是調(diào)節(jié)環(huán)境和提高作業(yè)效率。第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理設(shè)施農(nóng)業(yè)是指在采用各種材料建成102一、溫室環(huán)境監(jiān)控與管理第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理溫室是用人工方法模擬溫度、濕度、光照、空氣成分和風(fēng)速等生態(tài)因子，創(chuàng)造一個適宜生物生長、繁育的良好生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生物一年四季均衡生產(chǎn)。包括日光溫室和人工光照室。溫室要求對溫室內(nèi)溫度、濕度、光照、CO2等環(huán)境因子進行監(jiān)控，因此需要采集環(huán)境信息和實現(xiàn)實時控制。溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境因子變化曲線圖一、溫室環(huán)境監(jiān)控與管理第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理溫室是用103第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面104（1）溫度、濕度監(jiān)測。溫、濕度的監(jiān)測是選擇集成溫度傳感器組成干濕球表綜合進行的，一個溫度傳感器稱為干球，另一個相同的溫度傳感器感應(yīng)部位包有濕潤紗布稱為濕球，干球直接監(jiān)測環(huán)境溫度，根據(jù)干濕球溫度差值計算相對濕度。（2）光合有效輻射的監(jiān)測。光合有效輻射的測量需要選擇光量子傳感器，它由硅太陽能電池和匹配濾光片系統(tǒng)組成，在光的照射下，輸出變化十分微弱的電流（約幾個微安）信號，光電流與輻射強度呈線性關(guān)系。（3）CO2濃度監(jiān)測。溫室內(nèi)的CO2濃度日變化較劇烈。CO2氣體對4.28μm的紅外光有強烈的吸收，而對3.9μm的紅外光基本不吸收，利用雙波長的光分別通過氣室，由紅外探測器檢測兩束光的光強變化，即可得到氣室中CO2濃度。第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理1.溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（1）溫度、濕度監(jiān)測。溫、濕度的監(jiān)測是選擇集成溫度傳感器組成105溫室計算機自動控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標(biāo)參數(shù)，計算機根據(jù)傳感器的實際測量與事先設(shè)定的目標(biāo)值進行比較，以決定溫室環(huán)境的控制過程，控制相應(yīng)機構(gòu)進行溫度調(diào)節(jié)（加熱、冷卻）、濕度調(diào)節(jié)（加濕、去濕）、光照調(diào)節(jié)（補光、遮蔭）、CO2濃度調(diào)節(jié)（通風(fēng)、人工增施CO2）等。溫室控制屬于多參數(shù)控制，一般以溫度控制為主，同時輔以濕度、光照和CO2濃度的控制。計算機自動控制的溫室生產(chǎn)實現(xiàn)了自動化和規(guī)?；?，勞動生產(chǎn)率得到提高。但這種控制方式只是通過改變溫室環(huán)境設(shè)定來調(diào)節(jié)溫室環(huán)境氣候，未涉及溫室作物生長的內(nèi)在規(guī)律，難以對作物生長狀況的改變做出及時反應(yīng)。進一步向智能化控制方向發(fā)展。第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理1.溫室環(huán)境控制系統(tǒng)溫室計算機自動控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長106第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理107二、果蔬貯藏環(huán)境監(jiān)控與管理第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理果蔬貯藏能延緩果蔬的成熟過程，保持果蔬原有的品質(zhì)和新鮮狀態(tài)，實現(xiàn)新鮮果蔬周年均衡供應(yīng)。冷庫（ColdStorage），又稱冷藏庫，是利用降溫設(shè)施創(chuàng)造適宜的濕度和低溫條件的倉庫，是加工、貯存產(chǎn)品的場所，能擺脫氣候的影響，延長果蔬產(chǎn)品的貯存期限，以調(diào)節(jié)市場供應(yīng)。1.果蔬冷庫儲藏方法與原理果蔬冷庫貯藏方法包括自然冷源貯藏、機械制冷貯藏和氣調(diào)貯藏三類。自然冷源儲藏是利用地窖、水井、冰川和雪山等天然相對低溫環(huán)境儲藏果蔬產(chǎn)品，設(shè)備簡單，成本低，但儲藏保鮮期短，難以人工有效調(diào)控儲藏環(huán)境。機械制冷儲藏是利用機械壓縮機制冷形成低溫環(huán)境儲藏果蔬產(chǎn)品，儲藏保鮮期長，但設(shè)備昂貴，耗能多，成本高。氣調(diào)儲藏是指在適宜低溫條件下，通過改變貯藏環(huán)境氣體成分、相對濕度，營造低氧(一般O2含量為l％~5％)和適當(dāng)CO2濃度，減少果蔬中營養(yǎng)物質(zhì)的損耗，增加環(huán)境氣體中的相對濕度，以降低果蔬的蒸騰作用，抑制果實乙烯合成與催熟作用，從而減輕或避免某些生理病害的發(fā)生，最大程度地創(chuàng)造了果蔬貯藏最佳環(huán)境，成本相對較低，儲藏保鮮周期較長。二、果蔬貯藏環(huán)境監(jiān)控與管理第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理果蔬1082.果蔬貯藏環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)果蔬貯藏環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)，是一個二級計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)，由智能監(jiān)控站、通信總線、調(diào)控設(shè)備與管理計算機組成。第六節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理2.果蔬貯藏環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)果蔬貯藏環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)，是一109第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的主體技術(shù)之一，從本質(zhì)上講它要解決的問題是如何實現(xiàn)對人類自身感覺器官功能的模仿和拓展。這些感覺器官包括物理傳感方式的視覺、聽覺、觸覺、平衡器官和生物、化學(xué)傳感方式的嗅覺、味覺等。一、機器視覺技術(shù)及其應(yīng)用二、電子鼻技術(shù)及其應(yīng)用三、電子舌技術(shù)及其應(yīng)用第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的主體技術(shù)之1101.機器視覺的概念、原理與發(fā)展一、機器視覺技術(shù)及其應(yīng)用第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)機器視覺是指利用計算機模擬人眼的視覺功能，從圖像或圖像序列中提取信息，對客觀世界的三維景物和物體進行形態(tài)和運動識別,最終用于實際檢測、測量和控制。機器視覺的核心是圖像獲取和處理，輸入是某種形式的圖像、多視點圖像或者圖像序列，輸出是景物內(nèi)容的符號描述并對圖像數(shù)據(jù)做出有用的解釋，通常采用64級以上灰度表示圖像量化的像元特征，其目標(biāo)就是用機器來解釋、模擬、重現(xiàn)和處理人的視覺。1.機器視覺的概念、原理與發(fā)展一、機器視覺技術(shù)及其應(yīng)用第七1112.機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成及其關(guān)鍵技術(shù)第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)機器視覺系統(tǒng)由圖像采集、圖像處理和分析、輸出或顯示等三部分組成。典型的機器視覺系統(tǒng)包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機械控制執(zhí)行模塊。2.機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成及其關(guān)鍵技術(shù)第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技112第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)3.機器視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用主要應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測、農(nóng)產(chǎn)品收獲機械人、動植物生長情況監(jiān)測、農(nóng)副產(chǎn)品加工自動化等方面。（1）水果自動分選（2）種子和糧食品質(zhì)檢測（3）農(nóng)產(chǎn)品中異物檢測（4）農(nóng)業(yè)機械自動化作業(yè)（5）植物生長狀況監(jiān)測（6）動物生長狀況監(jiān)測第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)3.機器視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用主要113第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)水果精選分級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分級過程示意圖第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)水果精選分級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分級過程示114第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)1.電子鼻的概念、結(jié)構(gòu)及其工作原理二、電子鼻技術(shù)及其應(yīng)用電子鼻（ElectronicNose）是嗅覺模擬技術(shù)，也稱為人工嗅覺、氣味掃描儀或化學(xué)傳感器陣列技術(shù)。北大西洋公約組織（NATO）對電子鼻的定義為：由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識別單一和復(fù)雜氣體能力的裝置。電子鼻模擬人的嗅覺器官，其工作原理與人的嗅覺形成相似，也分為3個層次:（1）氣味分子被人工嗅覺系統(tǒng)中的傳感器陣列吸附，產(chǎn)生信號；（2）生成的信號經(jīng)各種方法加工處理與傳輸；（3）將處理后的信號經(jīng)模式識別系統(tǒng)做出判斷。電子鼻系統(tǒng)由氣體傳輸/采樣系統(tǒng)、化學(xué)傳感器陣列、信號預(yù)處理、模式識別等部分組成應(yīng)，分別完成取樣、感測、處理和分類判斷任務(wù)實質(zhì)：電子鼻是一種由一個以傳感器陣列形式存在的化學(xué)傳感系統(tǒng)和一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式的模式識別系統(tǒng)組成的高級傳感器系統(tǒng)第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)1.電子鼻的概念、結(jié)構(gòu)及其工作115第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)電子鼻識別氣味的主要機理是：當(dāng)某種氣味與某種活性材料傳感器接觸時，傳感器將化學(xué)輸入轉(zhuǎn)換成電信號，傳感器陣列中每個傳感器對被測氣味響應(yīng)的靈敏度不同，由多個傳感器對同一種氣味的響應(yīng)便構(gòu)成了傳感器陣列對該氣味的響應(yīng)譜，每種氣味都會有它的特征響應(yīng)譜，根據(jù)其特征響應(yīng)譜可區(qū)分不同的氣味。第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)電子鼻識別氣味的主要機理是：當(dāng)某1162.電子鼻研究與應(yīng)用進展國內(nèi)外電子鼻主要應(yīng)用于飲料、酒類、茶葉、煙草、魚和肉等食品揮發(fā)氣味的識別和分類，進行質(zhì)量分級和新鮮度判別。電子鼻發(fā)展趨勢：一是結(jié)構(gòu)微型化，電子鼻體積越做越小，從“手機大小”到“電子鼻芯片（Noseonachip）”；二是“生物系統(tǒng)”化，模擬生物嗅覺系統(tǒng)傳感器的數(shù)目。傳感器及電子鼻硬件的設(shè)計和電子鼻在食品及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是電子鼻研究中的熱點。第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)2.電子鼻研究與應(yīng)用進展國內(nèi)外電子鼻主要應(yīng)用于飲料、酒類、117三、電子舌技術(shù)及其應(yīng)用第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)1.電子舌的概念、結(jié)構(gòu)及其工作原理電子舌（ElectronicTongue，E-Tongue），也稱味覺指紋分析儀，是一種利用低選擇性、非特異性、交互敏感的多傳感陣列感測液體樣品的整體特征響應(yīng)信號，通過信號模式識別處理或多元統(tǒng)計分析方法，對樣品進行定性和定量分析的一類新型現(xiàn)代化分析儀器。電子舌與電子鼻的最大區(qū)別在于前者測試對象為液體，后者為氣體。電子舌主要由味覺傳感器陣列、信號采集器和模式識別系統(tǒng)三部分組成，味覺傳感器陣列相當(dāng)于生物系統(tǒng)中的舌頭，感受被測溶液中的不同成分，信號采集器類似于神經(jīng)感覺系統(tǒng)，采集被激發(fā)的信號傳輸?shù)诫娔X中，電腦則發(fā)揮生物系統(tǒng)中大腦的作用。三、電子舌技術(shù)及其應(yīng)用第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)1.電子舌118電子舌與傳統(tǒng)分析化學(xué)思想有一定的差異性，即電子舌所檢測的不是溶液中某個具體化合物濃度的強度信號，而是與幾個組分濃度相關(guān)的總體強度信號；電子舌重點不是在于測出檢測對象的化學(xué)組成及各個組分的濃度多少，以及檢測限的高低，而是在于反映檢測對象之間的整體特征差異性，并且能夠進行辨識，或是在特定條件下求出內(nèi)部組分濃度，提取出被測對象方面的某些屬性信息。第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)電子舌的主要特點：（1）檢測探頭由多通道傳感器陣列構(gòu)成；（2）測試對象為液體化樣品；（3）采集的信號為溶液特性的總體響應(yīng)強度，而非有關(guān)某個特定組分濃度的響應(yīng)信號；（4）從傳感器陣列采集的原始信號，通過數(shù)學(xué)方法處理，能夠區(qū)分不同被測對象的整體屬性差異；（5）所描述的特征與生物系統(tǒng)的味感覺不是同一概念。電子舌與傳統(tǒng)分析化學(xué)思想有一定的差異性，即電子舌所檢測的不是119第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)市場上典型的商品化電子舌系統(tǒng)有法國的AlphaM.O.S公司的Astree電子舌和日本KiyoshiToko教授的電子舌。法國的AlphaM.O.S公司的Astree電子舌日本KiyoshiToko教授的電子舌第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)市場上典型的商品化電子舌系統(tǒng)有法120電子舌對不同品牌干紅葡萄酒區(qū)分辨識電子舌對5種茶葉品質(zhì)差異區(qū)分辨識第七節(jié)農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)2.電子舌研究與應(yīng)用味覺傳感器是決定電子舌性能的關(guān)鍵部件，傳感器正在向微型化和芯片化方向發(fā)展。電子舌對不同品牌干紅葡萄酒區(qū)分辨識電子舌對5種茶葉品質(zhì)差異121農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與信息管理系統(tǒng)電氣信息工程學(xué)院徐雷鈞農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與信息管理系統(tǒng)電氣信息工程學(xué)院徐雷鈞122第二章農(nóng)業(yè)信息采集與處理

計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理農(nóng)田生物信息的采集與處理農(nóng)田氣候信息的采集與處理土壤信息的采集與處理設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控與管理農(nóng)業(yè)感官智能分析技術(shù)第二章農(nóng)業(yè)信息采集與處理計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述123第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)二、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的基本功能第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型124第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型125第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)（一）傳感器傳感器是根據(jù)各種物理、化學(xué)、生物學(xué)的定律及效應(yīng)，把感受的被測量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的裝置。傳感器是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)的首要部件，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化測量與自動控制的首要環(huán)節(jié)。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型126傳感器基本類型：電阻式傳感器：應(yīng)用金屬的應(yīng)變效應(yīng)，半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，電阻的穩(wěn)定效應(yīng)，光電效應(yīng)等，獲得傳感元件電阻值變化。常用來測量力，溫度，光強，濕度，氣體濃度等。電感式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理，將非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感變化的裝置。常用來測量力、振動、轉(zhuǎn)速、流量，應(yīng)變等。電容式傳感器：通過改變電容的間隙，電容的極板面積和電容的介電常數(shù)實現(xiàn)測量。用于位移，加速度，壓力，振動，濕度等。數(shù)字式傳感器：利用莫爾條紋，改變互感，拾磁信號，數(shù)字編碼等轉(zhuǎn)換原理實現(xiàn)測量。用來進行角位移和線位移的測量。電動勢式傳感器：根據(jù)熱電效應(yīng)，電磁效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，光電效應(yīng)等原理把被測量轉(zhuǎn)換為電動勢信號輸出。用于測量溫度，加速度，光強等。壓電式傳感器：以介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下表面產(chǎn)生電荷的原理。用于測量壓力，應(yīng)力，加速度等。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)傳感器基本類型：第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采127第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)傳感器選擇原則：傳感器類型：根據(jù)傳感器使用條件和農(nóng)業(yè)信息的特點如信號傳輸方式，測量方式，傳感器來源等選擇。線性范圍和量程：確保傳感器的線性范圍及量程能夠滿足測量要求。靈敏度：靈敏度反應(yīng)傳感器輸出量對輸入量變化的反應(yīng)能力。在傳感器線性范圍內(nèi)，選擇高靈敏度且信噪比較高的。精度：傳感器輸出與被測量的對應(yīng)程度，精度越高，越能真實反應(yīng)被測量，但成本也越高。頻率響應(yīng)特性：傳感器的頻率響應(yīng)特性取決于被測量的頻率范圍，保證不失真測量。穩(wěn)定性和可靠性：分別保證在規(guī)定工作條件下長時間使用，性能保持不變的能力和不超過極限的情況下特性保持不變的能力。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型128第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)（二）信號調(diào)理器被采集的生物與環(huán)境特征變量（物理、化學(xué)、生物量等）經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為方便處理的電量（一般為電壓、電流、電阻和脈沖量）信號。模擬信號和數(shù)字信號：數(shù)字信號：高低電平表示兩種狀態(tài)，有開關(guān)和脈沖兩種；模擬信號：隨時間變化的連續(xù)信號，分為直流、時域、頻域信號。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型129通常系統(tǒng)采集的信號多為模擬信號，且為多元弱信號，易受系統(tǒng)自身和外界干擾，需要在系統(tǒng)前端添加信號調(diào)理電路（濾波器、變換器、前級放大器、隔離電路），實現(xiàn)阻抗變換、信號變換、濾波、放大、隔離保護等功能。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)信息的放大：儀用放大器和隔離放大器。三運放儀用放大電路雙運放儀用放大電路光電耦合隔離放大器通常系統(tǒng)采集的信號多為模擬信號，且為多元弱信號，易受系統(tǒng)自身130三運放儀用放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述三運放儀用放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述131雙運放儀用放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述雙運放儀用放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述132光電耦合隔離放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述光電耦合隔離放大器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述133第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)（三）數(shù)據(jù)采集器多路開關(guān)MUX測量放大器采樣保持器S/H模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/DAnalogue－to－digital第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型134第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述多路開關(guān)MUX采樣保持器S/H第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述多路開關(guān)采樣保持器135AD7822內(nèi)部結(jié)構(gòu)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述AD7822內(nèi)部結(jié)構(gòu)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述136第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)（四）微機I/O接口微機接口是計算機與外界進行信息交換的通道和窗口。采集器輸出的數(shù)字信號經(jīng)總線送給微機接口，再經(jīng)I/O通道送給微機處理。第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型137第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)將微機輸出的數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換為模擬信號，以完成計算機的輸出記錄和對外界設(shè)備的自動控制。（五）數(shù)模轉(zhuǎn)換器第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型138第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述139第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)調(diào)度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各應(yīng)用程序模塊，并與系統(tǒng)的外部設(shè)備及時交換信息。監(jiān)控程序在在線狀態(tài)下，能接收來自鍵盤或接口的操作命令，并解釋、執(zhí)行，實現(xiàn)系統(tǒng)硬、軟件資源的管理。（六）應(yīng)用軟件與監(jiān)控程序應(yīng)用軟件監(jiān)控程序是計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的靈魂，有了應(yīng)用軟件才能充分發(fā)揮采集系統(tǒng)的功能第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述一、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的典型140二、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的基本功能時鐘功能信息采集功能數(shù)據(jù)處理功能數(shù)據(jù)存儲功能控制功能自診斷功能信息輸出功能定時采集、實時采集；單項采集、多項采集數(shù)字濾波、A/D轉(zhuǎn)換、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、線性化處理等數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)變換、圖形處理等預(yù)處理二次處理存儲實時采集的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)超限報警、狀態(tài)自檢、自動復(fù)位等圖形顯示、報表打印、硬拷貝等可以實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境的調(diào)控，實現(xiàn)生產(chǎn)管理自動化系統(tǒng)定時采集、分時操作都按時鐘的節(jié)拍進行第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述二、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的基本功能時鐘功能定時采集、實時采集；單141水溫控制系統(tǒng)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述水溫控制系統(tǒng)第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述142語音小車控制第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述語音小車控制第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述143水質(zhì)監(jiān)測電路第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述水質(zhì)監(jiān)測電路第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述144水質(zhì)監(jiān)測電路第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述水質(zhì)監(jiān)測電路第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述145第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述第一節(jié)計算機數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)概述146第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理一、農(nóng)業(yè)信息的調(diào)制與解調(diào)緩變信號調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)信號源低頻放大器調(diào)制器高頻放大器檢波解調(diào)高頻震蕩器調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理一、農(nóng)業(yè)信息的調(diào)制與解調(diào)緩變信147測量信號：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理載波信號：調(diào)幅波信號：解調(diào)：檢波過程調(diào)幅：測量信號：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理載波信號：調(diào)幅波信號148調(diào)幅波形第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理調(diào)幅波形第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理149調(diào)頻：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理解調(diào)：頻率檢波，鑒頻調(diào)頻：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理解調(diào)：頻率檢波，鑒頻150調(diào)相：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理相位隨測量信號的頻率變化相加型相敏檢測電路調(diào)相：第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理相位隨測量信號的頻率變化151第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理二、農(nóng)業(yè)信息的處理技術(shù)（一）信號時域分析（二）信號頻域分析（三）數(shù)字化濾波處理第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理二、農(nóng)業(yè)信息的處理技術(shù)（一）信152（一）信號時域分析（1）相關(guān)分析

定量表示信號x(t)與其時移信號的相似程度。第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理自相關(guān)互相關(guān)（一）信號時域分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理自相關(guān)153（一）信號時域分析（2）概率密度分析

了解信號幅值大小的分布情況第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

（一）信號時域分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理154（二）信號頻域分析

以頻率或角頻率為變量描述信號幅值、相位的變化規(guī)律。采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz傅里葉變換X(t)=

sin(2πnft)0t0f（二）信號頻域分析第二節(jié)農(nóng)業(yè)信息的傳遞與處理8