物联网智慧农业系统集成和应用（初级）课件 任务一 认知智慧农业感知层设备

设计智慧农业系统任务一认知智慧农业感知层设备CONTENTS目录任务描述01任务分析02任务实施03知识链接04思考与练习05任务描述在传统农业中,农民会根据自然环境的变化决定具体的生产活动,对浇水量、通风时间、播种时间、增氧等重要因素的控制,全凭多年积累或者祖祖辈辈相传的经验,所以有了农谚、二十四节气等,但依然存在着很大的人为因素和实际操作误差,对作物或畜禽等的生长和发育均会造成影响。传感器是一种能够将监测目标的特征信息,基于一定的物理或者化学规律转换为电信号的器件或者装置。智慧农业建设的首要环节是部署灵敏快速的农业传感器，从而感知农业生产过程是各种数据，本任务主要目标是掌握各种农业用传感器的应用。01任务分析基于智慧农业系统集成和应用实验套件，认知智慧农业感知层，首先熟悉传感器外形和尺寸，并掌握农业传感器的功能用途、了解其基本工作原理，熟悉其供电方式、通讯方式等技术参数。02任务实施03初识物联网智慧农业系统集成和应用（初级）实验套件认知一体式气象站传感器功能用途一体式气象站适用于环境检测，集多种数据采集于一体，采用标准MODBUS-RTU通信协议，RS485信号输出，通信距离最远2000米，可上传数据至监控软件或PLC组态屏等，支持二次开发。技术参数工作电压：直流供电（默认）12VDC量程：风速：0~60m/s、风向：0~359º湿度：0%RH~99%RH、温度：-40℃~+120℃大气压：0~120、噪声：30dB~120dBPM10/PM2.5：0-1000ug/m3CO2：0-5000ppm、光照强度：0-20万Lux认知风向传感器功能用途风向传感器外型小巧轻便，便于携带组装。三杯设计有效获外部环境信息，壳体为优质铝合金型材且电镀喷塑处理，防腐防侵蚀，长期使用无锈琢。配合内部顺滑轴承系统确保信息精确性，广泛应用于温室、环保、气象站、船舶、码头、养殖等环境的风向测量。技术参数工作电压：12VDC工作温度：-20℃~+60℃，0%RH~80%RH通信接口：485通信（modbus）协议波特率：2400、4800（默认）、9600测量范围：8个指示方向动态响应速度：≤0.5s认知微型翻斗式雨量计传感器功能用途PR-YL-N01-3003型翻斗式雨量传感器是水文、气象仪器，测量降雨量，将脉冲信号转为485通信输出，无需二次运算。由承雨器和计量部件组成，承雨口φ110mm。核心翻斗三维流线型设计，翻水流畅，自涤灰尘易清洗。广泛应用于气象台站、水文站、农林、国防、野外测报站等部门。技术参数工作电源：12VDC工作温度：-0℃~50℃工作湿度：<95%(40℃)精度：≤±2%测量范围：0mm~4mm/min通信协议：RS485(Modbus协议)认知雨雪传感器功能用途雨雪传感器用于检测自然界降雨或降雪，采用交流阻抗测量方式，电极使用寿命长、不氧化。广泛应用于环境、温室、养殖、建筑、楼宇等的雨雪有无定性测量，安全可靠、外观美观、安装方便。技术参数工作电压：12VDC工作功率：0.4W工作温度：<15℃输出型号：485、继电器通信协议：RS485认知土壤PH传感器节点安装功能用途土壤PH传感器广泛适用于土壤酸碱度检测等需要PH值监测的场合。传感器内输入电源，感应探头，信号输出三部分完全隔离。安全可靠，外观美观，安装方便。技术参数工作电压：12VDC量程：3-9PH精度：±0.3PH工作温度：-20℃~60℃响应时间：≤10s通信协议：RS485认知光电感烟传感器功能用途PR-3000-YG-N01是光电式火灾烟雾探测报警器，通过光电探测器检测火灾烟雾产生报警。光电式检测稳定度高、鉴定灵敏。报警器内置指示灯与蜂鸣器，预警有强烈声响，采用485信号输出，支持Modbus-RTU协议。技术参数供电电源：10~30VDC报警声响：≥80dB烟雾灵敏度：1.06±0.26%ＦＴ工作环境：-10℃~50℃，≤95%，无凝露认知光电感烟传感器功能用途土壤氮磷钾传感器适用于检测土壤中氮磷钾的含量，通过检测土壤中氮磷钾的含量来判断土壤的肥沃程度，进而方便了客户系统的评估土壤情况。技术参数工作电压：12VDC最大功耗：≤0.15W量程：1-1999mg/kg(mg/l)精度：±2%FS工作温度：0℃~55℃认知投入式液位传感器功能用途系列液位变送器是一款高精度、高稳定性的智能化压力测量产品。广泛应用于工业过程控制、石油、农业灌溉、物联网等行业。技术参数工作电压：12VDC工作温度：-20℃~80℃介质温度：-10~50℃测量范围：0-300m测量介质：对不锈钢无腐蚀的油、水等过载能力：<1.5倍量程知识链接04一、环境传感器智慧环境信息感知通过对动植物生长所需要的水、土壤、空气等环境要素进行感知,实现智慧农业生产全程环境信息可测可知,为智慧农业自动化控制、智能化决策提供可靠数据源。智慧农业环境感知端主要包括溶解氧、pH(酸碱度)、溶液电导率、叶绿素、土壤含水率、土壤电导率、太阳照射度、光照强度、空气温度和湿度、风速风向、降雨量、二氧化碳、大气压力等传感器。下面简要介绍一下智慧农业用到的主要环境传感器技术及其原理。溶解氧传感器溶解氧是溶解于水中的空气中的分子态氧，对鱼类等水生生物生存至关重要，许多鱼类在溶解氧低于3~4mg/L时难于生存。使用溶解氧传感器实时在线监测无人渔场的溶解氧含量对其精准调控有重要意义。目前溶解氧检测主要有电化学覆膜法和荧光淬灭法两种方式。Clark极谱法溶解氧传感器由Pt(Au)阴极、Ag/AgCI阳极、KCI电解液和高分子覆膜四部分组成。溶解氧光学法测定基于溶液中的氧分子对金属钉铬合物的猝灭效应原理，可根据电极覆膜表面荧光指示剂荧光强度或寿命变化来测定溶液中溶解氧的含量。pH传感器pH描述溶液酸碱性强弱程度，养殖水体pH值过高或过低会危害水生动植物，导致生理功能紊乱甚至死亡。在无人渔场使用pH传感器进行环境调控至关重要。常见在线复合式pH电极由内外（Ag/AgCl）参比电极、0.1mol/LHCl外参比液、1mol/LKCl内参比液与玻璃薄膜球泡组成。在进行pH测定时，玻璃薄膜两侧相界面建立相对稳定电势差即膜电位，介质中的H⁺浓度与膜电位（相对于内Ag/AgCl参比电极）的数学关系满足Nernst响应方程。溶液电导率传感器溶液电导率描述溶液导电能力，可间接反映溶液盐度和总溶解性固体物质含量等信息。盐度是水产养殖环境重要理化因子，与养殖动物渗透压、生长、发育关系密切。应用电导率传感器实时监测无人渔场盐度信息，可探索盐度对不同动物、不同发育阶段的影响机制，精准调控养殖动物生长发育，为无人渔场生产服务。为克服传统两电极电导率传感器在线测量时电极易钝化、易漂移等缺点，通常采用新型四电极测量结构，即两个电流电极和两个感应电压电极，两个电流电极之间的电流与电导率呈线性关系。叶绿素传感器叶绿素a是植物进行光合作用的主要色素，存在于浮游植物和陆生绿色植物叶片中。在水体中其含量反映浮游植物浓度，可通过传感器在线测量水中叶绿素a浓度监视无人渔场是否出现赤潮或水质污染。科研上常测定陆生植物叶片叶绿素含量表征智慧农业中作物生长状况，生产上依据叶色变化作为智慧农业看苗诊断和肥水管理重要指标。叶绿素a荧光法检测原理是用430nm波长光照射水中浮游植物（或陆生植物叶片），叶绿素a产生约677nm荧光，测定荧光强度，根据其与叶绿素a浓度对应关系得出水中或植物叶片中叶绿素a的含量。土壤电导率传感器土壤电导率反映土壤电化学性质和肥力特性，影响土壤养分转化、存在状态及有效性，是限制植物和微生物活性的阈值。在一定浓度范围内，土壤溶液含盐量与电导率呈正相关。可通过测定智慧农业土壤电导率间接反映土壤含盐量，为智慧农业精准施肥调控提供指导。电流-电压四端法测量土壤电导率对土壤扰动小，可实现原位监测或挂载在农业作业机械上随时随地使用，备受青睐。其与溶液四电极电导率测量原理相同，通过检测两个电流电极之间的电流值换算土壤电导率。太阳辐照度传感器太阳辐照度是太阳辐射经过大气层作用后到达地球表面单位面积单位时间内的辐射能量。太阳辐射是植物光合作用必要条件，对维持植物生长温度和促进生长重要。通过对智慧农业太阳辐照度长期监测对作物种植结构优化配置有重大参考意义。目前太阳辐射量测量分为光电效应和热电效应两种。光电效应主要采用光电二极管或硅光电池等作为光探测器，灵敏度好、性价比高、响应速度快且光谱响应范围宽，其短路电流与太阳辐照度呈线性关系。热电效应是将多个热电偶串接起来测量温差电动势总和，基于赛贝尔效应换算太阳辐照度。光照强度是单位面积上接收可见光的光通量。农作物从光照中获得光合作用能量，光照也影响作物体内特定酶活性。光照强度监测对智慧农业作物生产调控极其重要。光照强度传感器基于光电效应原理设计。通常选用光扩散好的材料制成光照小球置于光电传感器受光面作为余弦修正器，成本低廉且校正效果好。光照强度传感器大气压力传感器大气在地球重力场作用下对地球表面施予压力称大气压力，单位面积上的大气压力为大气压强。大气压力变化是其他气候条件形成关键要素，影响农作物地域分布，也影响水中溶解氧溶解度。针对智慧农业环境大气压力监测对气象预报和灾害预警有重要意义。数字气压计工作原理是在压敏元件上搭建惠斯通电阻桥，外界压力变化引起桥臂失衡产生电势差，该电势差与外界大气压力呈线性关系。知识链接04二、农业动植物生理信息传感器农业动植物生理信息传感器是将农业中的动物和作物的生理信息转换为易于检测和处理的量的器件和设备,是智慧农业端-网-云中获取动植物生理信息的唯一途径。通过对植物生理信息的检测,可以更好地估计植物当前的水分、营养等生理状况,从而更好地指导灌溉、施肥等农业生产活动。通过对动物生理信息的检测,可以更好地掌握动物的生理状况,以便更好地指导动物养殖的生产和管理。植物生理信息感知传感器主要包括植物茎流、植物茎秆直径、植物叶片厚度、植物叶片叶绿素含量和植物归一化植被指数(NDVI)传感器等。动物生命信息感知传感器主要包括动物脉象、呼吸、体温、血压传感器等。植物茎流传感器在作物蒸腾过程中，根系从土壤吸收水分经茎杆送到叶面，通过叶片气孔散发到大气，茎杆中液体处于流动状态。在植物茎秆某一点加热，根据热量传输速率和热交换程度可计算茎秆水流通量。植物茎流传感器可长期连续观测智慧农业植物茎秆液流，是进行作物栽培、植物水分关系和植物生物量估算等研究的重要工具。植物径流的热学测定方法主要有热扩散、热平衡和热脉冲法。植物茎杆直径和叶片厚度传感器利用作物本体水分状况作为智慧农业精量灌溉依据比利用土壤水分状况更可靠。通过直接监测植物生理指标确定植物体内水分含量的方法有叶片相对含水量、冠层温度、叶水势、气孔导度、茎秆直径与叶片厚度等。茎秆直径变化法与叶片厚度法具有简单、无损、适合长期连续监测的优点。作物茎杆直径变化法采用线性差动变压位移传感器（LVDT）。叶片厚度通常在300μm以下且质地柔软，选择应力较小的线性差动电感式位移传感器（LVDI）进行叶片厚度测量较为合适。植物叶片叶绿素含量和植物归一化植被指数传感器植物缺乏氮、磷、钾、铁等营养元素时叶片形态、植株姿势等表型不同。叶色是简单的作物营养状况判断依据，不同叶色微观表现为叶绿素含量、含氮量不同，会在叶片光谱特性上反映。植物叶片叶绿素含量通常用SPAD叶绿素计测定，通过测量叶片在650nm和940nm两种波长的光谱透过率确定叶片当前叶绿素相对数量（CRC）。归一化植被指数（NDVI）通过660nm红光反射率和780nm近红外光反射率组合计算获得，反映植被繁衍变化信息。这两种指标可用于指导智慧农业小麦、玉米、水稻、棉花等作物管理决策。04知识链接三、动物生理信息感知传感器动物的生理信号(心电、脑电、血压、呼吸、体温等)可反映其生命活动状态,无人畜禽场中养殖对象健康水平评估、疾病预防及诊治均需要监测动物的血压、体温、呼吸、脉搏等指标。四、农机状态检测传感器智能农业机械实现自动化控制,是以安装在车身关键部位的传感器感知为依据,及时准确判断农业机械工作状况,发现潜在的问题并即时反馈调整,不仅能够延长农业机械的使用寿命,同时能够提高农机的工作精度、工作效率,降低工作能耗,节省资源的投入。知识链接04五、机器视觉技术机器视觉技术是指使用智能机器代替人类视觉进行物体和环境识别的技术。利用计算机来模拟人的视觉功能,通过视觉传感器获取外界信息,加以理解并通过逻辑运算,使信息在计算机中得以体现,最终用于实际检测、测量和控制。这是农业物联网“端”层中重要的信息获取手段。知识链接04知识链接04六、农业遥感技术

遥感技术由于具有大面积同步无损观测、时效性强、客观反映地物变化等优点,一直作为获取智慧农业空间信息的重要工具,已经在智慧农业农作物长势监测、农作物病虫害防治、农作物干旱和冻害遥感监测等系