物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成和應(yīng)用（初級）課件 任務(wù)一 認知智慧農(nóng)業(yè)感知層設(shè)備

設(shè)計智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)任務(wù)一認知智慧農(nóng)業(yè)感知層設(shè)備CONTENTS目錄任務(wù)描述01任務(wù)分析02任務(wù)實施03知識鏈接04思考與練習(xí)05任務(wù)描述在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中,農(nóng)民會根據(jù)自然環(huán)境的變化決定具體的生產(chǎn)活動,對澆水量、通風(fēng)時間、播種時間、增氧等重要因素的控制,全憑多年積累或者祖祖輩輩相傳的經(jīng)驗,所以有了農(nóng)諺、二十四節(jié)氣等,但依然存在著很大的人為因素和實際操作誤差,對作物或畜禽等的生長和發(fā)育均會造成影響。傳感器是一種能夠?qū)⒈O(jiān)測目標的特征信息,基于一定的物理或者化學(xué)規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號的器件或者裝置。智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)的首要環(huán)節(jié)是部署靈敏快速的農(nóng)業(yè)傳感器，從而感知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程是各種數(shù)據(jù)，本任務(wù)主要目標是掌握各種農(nóng)業(yè)用傳感器的應(yīng)用。01任務(wù)分析基于智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成和應(yīng)用實驗套件，認知智慧農(nóng)業(yè)感知層，首先熟悉傳感器外形和尺寸，并掌握農(nóng)業(yè)傳感器的功能用途、了解其基本工作原理，熟悉其供電方式、通訊方式等技術(shù)參數(shù)。02任務(wù)實施03初識物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成和應(yīng)用（初級）實驗套件認知一體式氣象站傳感器功能用途一體式氣象站適用于環(huán)境檢測，集多種數(shù)據(jù)采集于一體，采用標準MODBUS-RTU通信協(xié)議，RS485信號輸出，通信距離最遠2000米，可上傳數(shù)據(jù)至監(jiān)控軟件或PLC組態(tài)屏等，支持二次開發(fā)。技術(shù)參數(shù)工作電壓：直流供電（默認）12VDC量程：風(fēng)速：0~60m/s、風(fēng)向：0~359o濕度：0%RH~99%RH、溫度：-40℃~+120℃大氣壓：0~120、噪聲：30dB~120dBPM10/PM2.5：0-1000ug/m3CO2：0-5000ppm、光照強度：0-20萬Lux認知風(fēng)向傳感器功能用途風(fēng)向傳感器外型小巧輕便，便于攜帶組裝。三杯設(shè)計有效獲外部環(huán)境信息，殼體為優(yōu)質(zhì)鋁合金型材且電鍍噴塑處理，防腐防侵蝕，長期使用無銹琢。配合內(nèi)部順滑軸承系統(tǒng)確保信息精確性，廣泛應(yīng)用于溫室、環(huán)保、氣象站、船舶、碼頭、養(yǎng)殖等環(huán)境的風(fēng)向測量。技術(shù)參數(shù)工作電壓：12VDC工作溫度：-20℃~+60℃，0%RH~80%RH通信接口：485通信（modbus）協(xié)議波特率：2400、4800（默認）、9600測量范圍：8個指示方向動態(tài)響應(yīng)速度：≤0.5s認知微型翻斗式雨量計傳感器功能用途PR-YL-N01-3003型翻斗式雨量傳感器是水文、氣象儀器，測量降雨量，將脈沖信號轉(zhuǎn)為485通信輸出，無需二次運算。由承雨器和計量部件組成，承雨口φ110mm。核心翻斗三維流線型設(shè)計，翻水流暢，自滌灰塵易清洗。廣泛應(yīng)用于氣象臺站、水文站、農(nóng)林、國防、野外測報站等部門。技術(shù)參數(shù)工作電源：12VDC工作溫度：-0℃~50℃工作濕度：<95%(40℃)精度：≤±2%測量范圍：0mm~4mm/min通信協(xié)議：RS485(Modbus協(xié)議)認知雨雪傳感器功能用途雨雪傳感器用于檢測自然界降雨或降雪，采用交流阻抗測量方式，電極使用壽命長、不氧化。廣泛應(yīng)用于環(huán)境、溫室、養(yǎng)殖、建筑、樓宇等的雨雪有無定性測量，安全可靠、外觀美觀、安裝方便。技術(shù)參數(shù)工作電壓：12VDC工作功率：0.4W工作溫度：<15℃輸出型號：485、繼電器通信協(xié)議：RS485認知土壤PH傳感器節(jié)點安裝功能用途土壤PH傳感器廣泛適用于土壤酸堿度檢測等需要PH值監(jiān)測的場合。傳感器內(nèi)輸入電源，感應(yīng)探頭，信號輸出三部分完全隔離。安全可靠，外觀美觀，安裝方便。技術(shù)參數(shù)工作電壓：12VDC量程：3-9PH精度：±0.3PH工作溫度：-20℃~60℃響應(yīng)時間：≤10s通信協(xié)議：RS485認知光電感煙傳感器功能用途PR-3000-YG-N01是光電式火災(zāi)煙霧探測報警器，通過光電探測器檢測火災(zāi)煙霧產(chǎn)生報警。光電式檢測穩(wěn)定度高、鑒定靈敏。報警器內(nèi)置指示燈與蜂鳴器，預(yù)警有強烈聲響，采用485信號輸出，支持Modbus-RTU協(xié)議。技術(shù)參數(shù)供電電源：10~30VDC報警聲響：≥80dB煙霧靈敏度：1.06±0.26%ＦＴ工作環(huán)境：-10℃~50℃，≤95%，無凝露認知光電感煙傳感器功能用途土壤氮磷鉀傳感器適用于檢測土壤中氮磷鉀的含量，通過檢測土壤中氮磷鉀的含量來判斷土壤的肥沃程度，進而方便了客戶系統(tǒng)的評估土壤情況。技術(shù)參數(shù)工作電壓：12VDC最大功耗：≤0.15W量程：1-1999mg/kg(mg/l)精度：±2%FS工作溫度：0℃~55℃認知投入式液位傳感器功能用途系列液位變送器是一款高精度、高穩(wěn)定性的智能化壓力測量產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、石油、農(nóng)業(yè)灌溉、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)。技術(shù)參數(shù)工作電壓：12VDC工作溫度：-20℃~80℃介質(zhì)溫度：-10~50℃測量范圍：0-300m測量介質(zhì)：對不銹鋼無腐蝕的油、水等過載能力：<1.5倍量程知識鏈接04一、環(huán)境傳感器智慧環(huán)境信息感知通過對動植物生長所需要的水、土壤、空氣等環(huán)境要素進行感知,實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程環(huán)境信息可測可知,為智慧農(nóng)業(yè)自動化控制、智能化決策提供可靠數(shù)據(jù)源。智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境感知端主要包括溶解氧、pH(酸堿度)、溶液電導(dǎo)率、葉綠素、土壤含水率、土壤電導(dǎo)率、太陽照射度、光照強度、空氣溫度和濕度、風(fēng)速風(fēng)向、降雨量、二氧化碳、大氣壓力等傳感器。下面簡要介紹一下智慧農(nóng)業(yè)用到的主要環(huán)境傳感器技術(shù)及其原理。溶解氧傳感器溶解氧是溶解于水中的空氣中的分子態(tài)氧，對魚類等水生生物生存至關(guān)重要，許多魚類在溶解氧低于3~4mg/L時難于生存。使用溶解氧傳感器實時在線監(jiān)測無人漁場的溶解氧含量對其精準調(diào)控有重要意義。目前溶解氧檢測主要有電化學(xué)覆膜法和熒光淬滅法兩種方式。Clark極譜法溶解氧傳感器由Pt(Au)陰極、Ag/AgCI陽極、KCI電解液和高分子覆膜四部分組成。溶解氧光學(xué)法測定基于溶液中的氧分子對金屬釘鉻合物的猝滅效應(yīng)原理，可根據(jù)電極覆膜表面熒光指示劑熒光強度或壽命變化來測定溶液中溶解氧的含量。pH傳感器pH描述溶液酸堿性強弱程度，養(yǎng)殖水體pH值過高或過低會危害水生動植物，導(dǎo)致生理功能紊亂甚至死亡。在無人漁場使用pH傳感器進行環(huán)境調(diào)控至關(guān)重要。常見在線復(fù)合式pH電極由內(nèi)外（Ag/AgCl）參比電極、0.1mol/LHCl外參比液、1mol/LKCl內(nèi)參比液與玻璃薄膜球泡組成。在進行pH測定時，玻璃薄膜兩側(cè)相界面建立相對穩(wěn)定電勢差即膜電位，介質(zhì)中的H?濃度與膜電位（相對于內(nèi)Ag/AgCl參比電極）的數(shù)學(xué)關(guān)系滿足Nernst響應(yīng)方程。溶液電導(dǎo)率傳感器溶液電導(dǎo)率描述溶液導(dǎo)電能力，可間接反映溶液鹽度和總?cè)芙庑怨腆w物質(zhì)含量等信息。鹽度是水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境重要理化因子，與養(yǎng)殖動物滲透壓、生長、發(fā)育關(guān)系密切。應(yīng)用電導(dǎo)率傳感器實時監(jiān)測無人漁場鹽度信息，可探索鹽度對不同動物、不同發(fā)育階段的影響機制，精準調(diào)控養(yǎng)殖動物生長發(fā)育，為無人漁場生產(chǎn)服務(wù)。為克服傳統(tǒng)兩電極電導(dǎo)率傳感器在線測量時電極易鈍化、易漂移等缺點，通常采用新型四電極測量結(jié)構(gòu)，即兩個電流電極和兩個感應(yīng)電壓電極，兩個電流電極之間的電流與電導(dǎo)率呈線性關(guān)系。葉綠素傳感器葉綠素a是植物進行光合作用的主要色素，存在于浮游植物和陸生綠色植物葉片中。在水體中其含量反映浮游植物濃度，可通過傳感器在線測量水中葉綠素a濃度監(jiān)視無人漁場是否出現(xiàn)赤潮或水質(zhì)污染?？蒲猩铣y定陸生植物葉片葉綠素含量表征智慧農(nóng)業(yè)中作物生長狀況，生產(chǎn)上依據(jù)葉色變化作為智慧農(nóng)業(yè)看苗診斷和肥水管理重要指標。葉綠素a熒光法檢測原理是用430nm波長光照射水中浮游植物（或陸生植物葉片），葉綠素a產(chǎn)生約677nm熒光，測定熒光強度，根據(jù)其與葉綠素a濃度對應(yīng)關(guān)系得出水中或植物葉片中葉綠素a的含量。土壤電導(dǎo)率傳感器土壤電導(dǎo)率反映土壤電化學(xué)性質(zhì)和肥力特性，影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、存在狀態(tài)及有效性，是限制植物和微生物活性的閾值。在一定濃度范圍內(nèi)，土壤溶液含鹽量與電導(dǎo)率呈正相關(guān)?？赏ㄟ^測定智慧農(nóng)業(yè)土壤電導(dǎo)率間接反映土壤含鹽量，為智慧農(nóng)業(yè)精準施肥調(diào)控提供指導(dǎo)。電流-電壓四端法測量土壤電導(dǎo)率對土壤擾動小，可實現(xiàn)原位監(jiān)測或掛載在農(nóng)業(yè)作業(yè)機械上隨時隨地使用，備受青睞。其與溶液四電極電導(dǎo)率測量原理相同，通過檢測兩個電流電極之間的電流值換算土壤電導(dǎo)率。太陽輻照度傳感器太陽輻照度是太陽輻射經(jīng)過大氣層作用后到達地球表面單位面積單位時間內(nèi)的輻射能量。太陽輻射是植物光合作用必要條件，對維持植物生長溫度和促進生長重要。通過對智慧農(nóng)業(yè)太陽輻照度長期監(jiān)測對作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置有重大參考意義。目前太陽輻射量測量分為光電效應(yīng)和熱電效應(yīng)兩種。光電效應(yīng)主要采用光電二極管或硅光電池等作為光探測器，靈敏度好、性價比高、響應(yīng)速度快且光譜響應(yīng)范圍寬，其短路電流與太陽輻照度呈線性關(guān)系。熱電效應(yīng)是將多個熱電偶串接起來測量溫差電動勢總和，基于賽貝爾效應(yīng)換算太陽輻照度。光照強度是單位面積上接收可見光的光通量。農(nóng)作物從光照中獲得光合作用能量，光照也影響作物體內(nèi)特定酶活性。光照強度監(jiān)測對智慧農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)調(diào)控極其重要。光照強度傳感器基于光電效應(yīng)原理設(shè)計。通常選用光擴散好的材料制成光照小球置于光電傳感器受光面作為余弦修正器，成本低廉且校正效果好。光照強度傳感器大氣壓力傳感器大氣在地球重力場作用下對地球表面施予壓力稱大氣壓力，單位面積上的大氣壓力為大氣壓強。大氣壓力變化是其他氣候條件形成關(guān)鍵要素，影響農(nóng)作物地域分布，也影響水中溶解氧溶解度。針對智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境大氣壓力監(jiān)測對氣象預(yù)報和災(zāi)害預(yù)警有重要意義。數(shù)字氣壓計工作原理是在壓敏元件上搭建惠斯通電阻橋，外界壓力變化引起橋臂失衡產(chǎn)生電勢差，該電勢差與外界大氣壓力呈線性關(guān)系。知識鏈接04二、農(nóng)業(yè)動植物生理信息傳感器農(nóng)業(yè)動植物生理信息傳感器是將農(nóng)業(yè)中的動物和作物的生理信息轉(zhuǎn)換為易于檢測和處理的量的器件和設(shè)備,是智慧農(nóng)業(yè)端-網(wǎng)-云中獲取動植物生理信息的唯一途徑。通過對植物生理信息的檢測,可以更好地估計植物當(dāng)前的水分、營養(yǎng)等生理狀況,從而更好地指導(dǎo)灌溉、施肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。通過對動物生理信息的檢測,可以更好地掌握動物的生理狀況,以便更好地指導(dǎo)動物養(yǎng)殖的生產(chǎn)和管理。植物生理信息感知傳感器主要包括植物莖流、植物莖稈直徑、植物葉片厚度、植物葉片葉綠素含量和植物歸一化植被指數(shù)(NDVI)傳感器等。動物生命信息感知傳感器主要包括動物脈象、呼吸、體溫、血壓傳感器等。植物莖流傳感器在作物蒸騰過程中，根系從土壤吸收水分經(jīng)莖桿送到葉面，通過葉片氣孔散發(fā)到大氣，莖桿中液體處于流動狀態(tài)。在植物莖稈某一點加熱，根據(jù)熱量傳輸速率和熱交換程度可計算莖稈水流通量。植物莖流傳感器可長期連續(xù)觀測智慧農(nóng)業(yè)植物莖稈液流，是進行作物栽培、植物水分關(guān)系和植物生物量估算等研究的重要工具。植物徑流的熱學(xué)測定方法主要有熱擴散、熱平衡和熱脈沖法。植物莖桿直徑和葉片厚度傳感器利用作物本體水分狀況作為智慧農(nóng)業(yè)精量灌溉依據(jù)比利用土壤水分狀況更可靠。通過直接監(jiān)測植物生理指標確定植物體內(nèi)水分含量的方法有葉片相對含水量、冠層溫度、葉水勢、氣孔導(dǎo)度、莖稈直徑與葉片厚度等。莖稈直徑變化法與葉片厚度法具有簡單、無損、適合長期連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點。作物莖桿直徑變化法采用線性差動變壓位移傳感器（LVDT）。葉片厚度通常在300μm以下且質(zhì)地柔軟，選擇應(yīng)力較小的線性差動電感式位移傳感器（LVDI）進行葉片厚度測量較為合適。植物葉片葉綠素含量和植物歸一化植被指數(shù)傳感器植物缺乏氮、磷、鉀、鐵等營養(yǎng)元素時葉片形態(tài)、植株姿勢等表型不同。葉色是簡單的作物營養(yǎng)狀況判斷依據(jù)，不同葉色微觀表現(xiàn)為葉綠素含量、含氮量不同，會在葉片光譜特性上反映。植物葉片葉綠素含量通常用SPAD葉綠素計測定，通過測量葉片在650nm和940nm兩種波長的光譜透過率確定葉片當(dāng)前葉綠素相對數(shù)量（CRC）。歸一化植被指數(shù)（NDVI）通過660nm紅光反射率和780nm近紅外光反射率組合計算獲得，反映植被繁衍變化信息。這兩種指標可用于指導(dǎo)智慧農(nóng)業(yè)小麥、玉米、水稻、棉花等作物管理決策。04知識鏈接三、動物生理信息感知傳感器動物的生理信號(心電、腦電、血壓、呼吸、體溫等)可反映其生命活動狀態(tài),無人畜禽場中養(yǎng)殖對象健康水平評估、疾病預(yù)防及診治均需要監(jiān)測動物的血壓、體溫、呼吸、脈搏等指標。四、農(nóng)機狀態(tài)檢測傳感器智能農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)自動化控制,是以安裝在車身關(guān)鍵部位的傳感器感知為依據(jù),及時準確判斷農(nóng)業(yè)機械工作狀況,發(fā)現(xiàn)潛在的問題并即時反饋調(diào)整,不僅能夠延長農(nóng)業(yè)機械的使用壽命,同時能夠提高農(nóng)機的工作精度、工作效率,降低工作能耗,節(jié)省資源的投入。知識鏈接04五、機器視覺技術(shù)機器視覺技術(shù)是指使用智能機器代替人類視覺進行物體和環(huán)境識別的技術(shù)。利用計算機來模擬人的視覺功能,通過視覺傳感器獲取外界信息,加以理解并通過邏輯運算,使信息在計算機中得以體現(xiàn),最終用于實際檢測、測量和控制。這是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“端”層中重要的信息獲取手段。知識鏈接04知識鏈接04六、農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)

遙感技術(shù)由于具有大面積同步無損觀測、時效性強、客觀反映地物變化等優(yōu)點,一直作為獲取智慧農(nóng)業(yè)空間信息的重要工具,已經(jīng)在智慧農(nóng)業(yè)農(nóng)作物長勢監(jiān)測、農(nóng)作物病蟲害防治、農(nóng)作物干旱和凍害遙感監(jiān)測等系