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

設(shè)計(jì)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)任務(wù)一認(rèn)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(shí)施03知識(shí)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(huì)根據(jù)自然環(huán)境的變化決定具體的生產(chǎn)活動(dòng),對(duì)澆水量、通風(fēng)時(shí)間、播種時(shí)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(yàn),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(shí)際操作誤差,對(duì)作物或畜禽等的生長(zhǎng)和發(fā)育均會(huì)造成影響。傳感器是一種能夠?qū)⒈O(jiān)測(cè)目標(biāo)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(hào)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(guò)程是各種數(shù)據(jù)，本任務(wù)主要目標(biāo)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(shí)驗(yàn)套件，認(rèn)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(shí)施03初識(shí)物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成和應(yīng)用（初級(jí)）實(shí)驗(yàn)套件認(rèn)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(cè)，集多種數(shù)據(jù)采集于一體，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU通信協(xié)議，RS485信號(hào)輸出，通信距離最遠(yuǎn)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(kāi)發(fā)。技術(shù)參數(shù)工作電壓：直流供電（默認(rèn)）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(qiáng)度：0-20萬(wàn)Lux認(rèn)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(jì)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(zhǎng)期使用無(wú)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(cè)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(rèn)）、9600測(cè)量范圍：8個(gè)指示方向動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度：≤0.5s認(rèn)知微型翻斗式雨量計(jì)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(cè)量降雨量，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為485通信輸出，無(wú)需二次運(yùn)算。由承雨器和計(jì)量部件組成，承雨口φ110mm。核心翻斗三維流線型設(shè)計(jì)，翻水流暢，自滌灰塵易清洗。廣泛應(yīng)用于氣象臺(tái)站、水文站、農(nóng)林、國(guó)防、野外測(cè)報(bào)站等部門(mén)。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(cè)量范圍：0mm~4mm/min通信協(xié)議：RS485(Modbus協(xié)議)認(rèn)知雨雪傳感器功能用途雨雪傳感器用于檢測(cè)自然界降雨或降雪，采用交流阻抗測(cè)量方式，電極使用壽命長(zhǎng)、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(wú)定性測(cè)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(hào)：485、繼電器通信協(xié)議：RS485認(rèn)知土壤PH傳感器節(jié)點(diǎn)安裝功能用途土壤PH傳感器廣泛適用于土壤酸堿度檢測(cè)等需要PH值監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。傳感器內(nèi)輸入電源，感應(yīng)探頭，信號(hào)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(shí)間：≤10s通信協(xié)議：RS485認(rèn)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(cè)報(bào)警器，通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)火災(zāi)煙霧產(chǎn)生報(bào)警。光電式檢測(cè)穩(wěn)定度高、鑒定靈敏。報(bào)警器內(nèi)置指示燈與蜂鳴器，預(yù)警有強(qiáng)烈聲響，采用485信號(hào)輸出，支持Modbus-RTU協(xié)議。技術(shù)參數(shù)供電電源：10~30VDC報(bào)警聲響：≥80dB煙霧靈敏度：1.06±0.26%ＦＴ工作環(huán)境：-10℃~50℃，≤95%，無(wú)凝露認(rèn)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(cè)土壤中氮磷鉀的含量，通過(guò)檢測(cè)土壤中氮磷鉀的含量來(lái)判斷土壤的肥沃程度，進(jìn)而方便了客戶(hù)系統(tǒng)的評(píng)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(rèn)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(cè)量產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)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(cè)量范圍：0-300m測(cè)量介質(zhì)：對(duì)不銹鋼無(wú)腐蝕的油、水等過(guò)載能力：<1.5倍量程知識(shí)鏈接04一、環(huán)境傳感器智慧環(huán)境信息感知通過(guò)對(duì)動(dòng)植物生長(zhǎng)所需要的水、土壤、空氣等環(huán)境要素進(jìn)行感知,實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程環(huán)境信息可測(cè)可知,為智慧農(nóng)業(yè)自動(dòng)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(yáng)照射度、光照強(qiáng)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(jiǎn)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(duì)魚(yú)類(lèi)等水生生物生存至關(guān)重要，許多魚(yú)類(lèi)在溶解氧低于3~4mg/L時(shí)難于生存。使用溶解氧傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)無(wú)人漁場(chǎng)的溶解氧含量對(duì)其精準(zhǔn)調(diào)控有重要意義。目前溶解氧檢測(cè)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(yáng)極、KCI電解液和高分子覆膜四部分組成。溶解氧光學(xué)法測(cè)定基于溶液中的氧分子對(duì)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(qiáng)度或壽命變化來(lái)測(cè)定溶液中溶解氧的含量。pH傳感器pH描述溶液酸堿性強(qiáng)弱程度，養(yǎng)殖水體pH值過(guò)高或過(guò)低會(huì)危害水生動(dòng)植物，導(dǎo)致生理功能紊亂甚至死亡。在無(wú)人漁場(chǎng)使用pH傳感器進(jìn)行環(huán)境調(diào)控至關(guān)重要。常見(jiàn)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(jìn)行pH測(cè)定時(shí)，玻璃薄膜兩側(cè)相界面建立相對(duì)穩(wěn)定電勢(shì)差即膜電位，介質(zhì)中的H?濃度與膜電位（相對(duì)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(dòng)物滲透壓、生長(zhǎng)、發(fā)育關(guān)系密切。應(yīng)用電導(dǎo)率傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人漁場(chǎng)鹽度信息，可探索鹽度對(duì)不同動(dòng)物、不同發(fā)育階段的影響機(jī)制，精準(zhǔn)調(diào)控養(yǎng)殖動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育，為無(wú)人漁場(chǎng)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(cè)量時(shí)電極易鈍化、易漂移等缺點(diǎn)，通常采用新型四電極測(cè)量結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)電流電極和兩個(gè)感應(yīng)電壓電極，兩個(gè)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(jìn)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(guò)傳感器在線測(cè)量水中葉綠素a濃度監(jiān)視無(wú)人漁場(chǎng)是否出現(xiàn)赤潮或水質(zhì)污染?？蒲猩铣y(cè)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(zhǎng)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(biāo)。葉綠素a熒光法檢測(cè)原理是用430nm波長(zhǎng)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(cè)定熒光強(qiáng)度，根據(jù)其與葉綠素a濃度對(duì)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^(guò)測(cè)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(zhǔn)施肥調(diào)控提供指導(dǎo)。電流-電壓四端法測(cè)量土壤電導(dǎo)率對(duì)土壤擾動(dòng)小，可實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測(cè)或掛載在農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械上隨時(shí)隨地使用，備受青睞。其與溶液四電極電導(dǎo)率測(cè)量原理相同，通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)電流電極之間的電流值換算土壤電導(dǎo)率。太陽(yáng)輻照度傳感器太陽(yáng)輻照度是太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣層作用后到達(dá)地球表面單位面積單位時(shí)間內(nèi)的輻射能量。太陽(yáng)輻射是植物光合作用必要條件，對(duì)維持植物生長(zhǎng)溫度和促進(jìn)生長(zhǎng)重要。通過(guò)對(duì)智慧農(nóng)業(yè)太陽(yáng)輻照度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)對(duì)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置有重大參考意義。目前太陽(yáng)輻射量測(cè)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(cè)器，靈敏度好、性?xún)r(jià)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(yáng)輻照度呈線性關(guān)系。熱電效應(yīng)是將多個(gè)熱電偶串接起來(lái)測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)總和，基于賽貝爾效應(yīng)換算太陽(yáng)輻照度。光照強(qiáng)度是單位面積上接收可見(jiàn)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(qiáng)度監(jiān)測(cè)對(duì)智慧農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)調(diào)控極其重要。光照強(qiáng)度傳感器基于光電效應(yīng)原理設(shè)計(jì)。通常選用光擴(kuò)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(qiáng)度傳感器大氣壓力傳感器大氣在地球重力場(chǎng)作用下對(duì)地球表面施予壓力稱(chēng)大氣壓力，單位面積上的大氣壓力為大氣壓強(qiáng)。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(duì)智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境大氣壓力監(jiān)測(cè)對(duì)氣象預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警有重要意義。數(shù)字氣壓計(jì)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(shì)差，該電勢(shì)差與外界大氣壓力呈線性關(guān)系。知識(shí)鏈接04二、農(nóng)業(yè)動(dòng)植物生理信息傳感器農(nóng)業(yè)動(dòng)植物生理信息傳感器是將農(nóng)業(yè)中的動(dòng)物和作物的生理信息轉(zhuǎn)換為易于檢測(cè)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(dòng)植物生理信息的唯一途徑。通過(guò)對(duì)植物生理信息的檢測(cè),可以更好地估計(jì)植物當(dāng)前的水分、營(yíng)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(dòng)。通過(guò)對(duì)動(dòng)物生理信息的檢測(cè),可以更好地掌握動(dòng)物的生理狀況,以便更好地指導(dǎo)動(dòng)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(dòng)物生命信息感知傳感器主要包括動(dòng)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(guò)程中，根系從土壤吸收水分經(jīng)莖桿送到葉面，通過(guò)葉片氣孔散發(fā)到大氣，莖桿中液體處于流動(dòng)狀態(tài)。在植物莖稈某一點(diǎn)加熱，根據(jù)熱量傳輸速率和熱交換程度可計(jì)算莖稈水流通量。植物莖流傳感器可長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)智慧農(nóng)業(yè)植物莖稈液流，是進(jìn)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(cè)定方法主要有熱擴(kuò)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(guò)直接監(jiān)測(cè)植物生理指標(biāo)確定植物體內(nèi)水分含量的方法有葉片相對(duì)含水量、冠層溫度、葉水勢(shì)、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(jiǎn)單、無(wú)損、適合長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。作物莖桿直徑變化法采用線性差動(dòng)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(dòng)電感式位移傳感器（LVDI）進(jìn)行葉片厚度測(cè)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(yíng)養(yǎng)元素時(shí)葉片形態(tài)、植株姿勢(shì)等表型不同。葉色是簡(jiǎn)單的作物營(yíng)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(huì)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(jì)測(cè)定，通過(guò)測(cè)量葉片在650nm和940nm兩種波長(zhǎng)的光譜透過(guò)率確定葉片當(dāng)前葉綠素相對(duì)數(shù)量（CRC）。歸一化植被指數(shù)（NDVI）通過(guò)660nm紅光反射率和780nm近紅外光反射率組合計(jì)算獲得，反映植被繁衍變化信息。這兩種指標(biāo)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(shí)鏈接三、動(dòng)物生理信息感知傳感器動(dòng)物的生理信號(hào)(心電、腦電、血壓、呼吸、體溫等)可反映其生命活動(dòng)狀態(tài),無(wú)人畜禽場(chǎng)中養(yǎng)殖對(duì)象健康水平評(píng)估、疾病預(yù)防及診治均需要監(jiān)測(cè)動(dòng)物的血壓、體溫、呼吸、脈搏等指標(biāo)。四、農(nóng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)傳感器智能農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,是以安裝在車(chē)身關(guān)鍵部位的傳感器感知為依據(jù),及時(shí)準(zhǔn)確判斷農(nóng)業(yè)機(jī)械工作狀況,發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題并即時(shí)反饋調(diào)整,不僅能夠延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用壽命,同時(shí)能夠提高農(nóng)機(jī)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(shí)鏈接04五、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是指使用智能機(jī)器代替人類(lèi)視覺(jué)進(jìn)行物體和環(huán)境識(shí)別的技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能,通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取外界信息,加以理解并通過(guò)邏輯運(yùn)算,使信息在計(jì)算機(jī)中得以體現(xiàn),最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)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(shí)鏈接04知識(shí)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(wú)損觀測(cè)、時(shí)效性強(qiáng)、客觀反映地物變化等優(yōu)點(diǎn),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(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治、農(nóng)作物干旱和凍害遙感監(jiān)測(cè)等系