深度解读智慧农业传感器及应用

深度解读智慧农业传感器及应⽤智慧农业，也称为精准农业，使农民可以使⽤最少的资源（例如⽔，肥料和种⼦）来实现最⼤化产量。通过部署传感器和测绘⽥地，农民可以开始从微观⾓度了解他们的农作物，节约资源并减少对环境的影响。智能农业的历史可以追溯到1980年代，当时全球民⽤定位系统（GPS）的功能变得可以使⽤。⼀旦农民能够准确绘制出他们的耕地图，他们就可以仅在需要的地⽅监测和施肥和除草。在1990年代，早期的精准农业⽤户采⽤了作物产量监测来产⽣肥料和pH校正建议。由于可以测量更多的变量并将其输⼊到作物模型中，因此对于肥料的施⽤，浇⽔甚⾄收获⾼峰产量的建议更加准确，⼀、农业传感器精确农业中使⽤了许多传感技术，它们提供的数据可帮助农民监测和优化农作物，并适应不断变化的环境因素，其中包括：位置传感器使⽤来⾃GPS卫星的信号来确定英尺内的纬度，经度和⾼度。三⾓定位⾄少需要三颗卫星。精确定位是精准农业的基⽯。光学传感器使⽤光来测量⼟壤特性。传感器在近红外，中红外和偏振光谱中测量不同频率的光反射率，可以放置在诸如⽆⼈机甚⾄卫星之类的车辆或⾼空平台上来测量下⽅的⼟壤。⼟壤反射率和植物颜⾊数据只是光学传感器的两个变量，可以进⾏汇总和处理。⽬前已经开发出光学传感器来确定⼟壤中的粘⼟，有机物和⽔分含量。例如，Vishay提供了数百个光电探测器和光电⼆极管，这是光学传感器的基本构建块。电化学传感器可提供精密农业所需的关键信息：pH和⼟壤养分⽔平。传感器电极通过检测⼟壤中的特定离⼦来⼯作。当前，安装在专门设计的“滑板”上的传感器可帮助收集，处理和绘制⼟壤化学数据。机械传感器可测量⼟壤压实度或“机械阻⼒”。传感器使⽤⼀个探头，该探头可穿透⼟壤并通过称重传感器或应变仪记录电阻。这种技术的类似形式⽤于⼤型拖拉机，以预测地⾯接合设备的牵引要求。像霍尼韦尔FSG15N1A⼀样的张⼒计可检测根系在吸⽔过程中所使⽤的⼒，这对于灌溉⼲预⾮常有⽤。介电⼟壤湿度传感器通过测量⼟壤中的介电常数（电特性随存在的⽔分含量⽽变化）来评估⽔分含量。⽓流传感器测量⼟壤的透⽓性。测量可以在单个位置进⾏，也可以在运动时动态进⾏。期望的输出是将预定量的空⽓以预定深度推⼊地⾯所需的压⼒。各种类型的⼟壤特性，包括压实度，结构，⼟壤类型和湿度，都会产⽣独特的识别特征。农业⽓象站是独⽴的单元，被放置在整个⽥地的各个位置。这些站结合了适合当地农作物和⽓候的传感器。以预定的间隔测量并记录诸如⽓温，各种深度的⼟壤温度，降⾬量，叶⽚湿度，叶绿素，风速，露点温度，风向，相对湿度，太阳辐射和⼤⽓压⼒等信息。这些数据被编译并以编程的时间间隔⽆线发送到中央数据记录器。它们的便携性和价格下降使⽓象站对各种规模的农场都具有吸引⼒。⼆、传感器输出数据在精确耕作上的应⽤传感技术可提供可操作的数据，以根据需要进⾏处理和实施，以优化作物产量，同时将对环境的影响降⾄最低。以下是精确耕作利⽤此数据的⼏种⽅法：产量监测系统安装在农作物收割机上，例如联合收割机和⽟⽶收割机。它们可以通过测量，记录到30厘⽶以内的时间，距离或GPS位置来提供农作物的增重产量。产量映射使⽤安装在收割设备上的GPS传感器的空间坐标数据。产量监控数据与坐标相结合以创建产量图。可变速率肥料应⽤⼯具使⽤产量图以及可能通过着⾊确定的植物健康的光学调查来控制粒状，液态和⽓态肥料。可变速率控制器既可以⼿动控制，也可以使⽤由真实GPS位置引导的车载计算机⾃动控制。杂草制图⽬前通过GPS接收器和数据记录仪快速标记位置，从⽽使⽤操作员的解释和输⼊来⽣成地图。然后，杂草的出现可以与产量图，肥料图和喷雾图重叠。随着视觉识别系统的改进，⼿动输⼊将很快被安装在⼯作设备上的⾃动化视觉系统所取代。可变喷涂控制器可打开和关闭除草剂喷杆，并⾃定义喷洒量（和混合量）。⼀旦确定了杂草的位置并绘制了地图，就可以确定喷雾的量和混合量。可以使⽤⾼精度GPS记录地形和边界，从⽽可以对任何领域进⾏⾮常精确的地形表⽰。这些精度图在解释产量图和杂草图时很有⽤。可以精确定位⽥间边界，现有道路和湿地，以帮助进⾏农场规划。⽤盐度计在拖曳受盐度影响的⽥间的雪橇上⽤盐度计完成盐度映射。盐度映射可以解释新出现的问题以及盐度随时间的变化。引导系统可以使⽤GPS将移动的车辆准确地定位在30厘⽶或更短的范围内。引导系统取代了传统的喷涂或播种设备。⾃动驾驶汽车⽬前正在开发中，很可能会在不久的将来投⼊使⽤。⼤规模耕作在精确耕作的实践中早已⽴⾜。昂贵的传感器，基础设施和处理设备只能由具有⾜够资本可⽤于投资的农业综合企业现实地使⽤。那些投资精耕细作的⼈在作物产量⽅⾯获得了可观的回报。三、传感器在“⼩型”农业的扩展应⽤在美国，⼩型农场（包括有机农场和传统农场）占近200万个农场的91％。仅在美国就有⼀个潜在的180万个⼩型农场的市场，开发商和设计师已经注意到通过整合较⼩规模的精确耕作技术所带来的机遇。智能⼿机传感器和应⽤程序以及⼩型机械使⼩型农场可以利⽤精密农业技术。智能⼿机⼯具仅智能⼿机就有⼏种⼯具可以适应农业应⽤。例如，农作物和⼟壤的观测结果可以以快照图⽚，精确定位，⼟壤颜⾊，⽔，植物叶⼦和光照特性的形式记录下来。表1列出了⼀些可⽤于收集数据的电话内⼯具：现有智能⼿机⼯具的农业⽤途：智能⼿机应⽤许多智能⼿机应⽤程序已开始结合物联⽹（IoT）理想，数据聚合和快速处理的功能，以向⼩农户提供有关播种，除草，施肥和浇⽔的最新可⾏信息。这些应⽤程序从⼿持式传感器，远程传感器和⽓象站收集数据，从⽽创建深⼊的分析和有价值的建议。已经针对⼩型农民开发了⼏种应⽤程序：疾病检测与诊断：可以将可疑植物的照⽚转发给专家进⾏分析。肥料计算器：⼟壤传感器和叶⼦的颜⾊可以确定所需的养分。⼟壤研究：捕获⼟壤图像以及传感器的pH值和化学数据，使农民可以监视和适应不断变化的⼟壤条件。⽔研究：通过照⽚和亮度记录确定叶⾯积指数可以帮助农民确定⽔需求。作物收成就绪：使⽤紫外线和⽩光拍摄的相机照⽚可以准确预测成熟度。当专业应⽤程序通过分析⼟壤，作物，杂草和病⾍害变量来提⾼农场⽣产率，并为农业决策提供有价值的反馈时，⼩农的⽣活质量将得到显着改善。四、传感器对全球农业的影响在发展中国家，⼤约有5亿个⼩农场⽣产的⻝品占消费量的80％以上。精准农业技术在全球范围内变得越来越普及。新的⼿持设备可以测量植物和⼟壤的健康状况，为农民提供准确计算肥料需求所需的信息。鉴于联合国预测，到2050年，全球对粮⻝的需求将增长50％，因此将需要⽤于各种规模农场的精密农业技术。解决⼤型和⼩型农场的问题并帮助农民满⾜不断增长的粮⻝需求并不是智能，精确农业所能提供的唯⼀解决⽅案。智慧农业还提供了许多其他好处，例如：降低燃料和能源消耗，从⽽减少⼆氧化碳排放通过优化氮肥⽤量减少从⼟壤释放的⼀氧化⼆氮通过明确肥料和病⾍害防治需求来减少化学药品的使⽤通过监测和管理⼟壤健康来消除养分消耗通过减少设备流量来控制⼟壤压实最⼤限度地提⾼⽤⽔效率结语精准农业已经发展起来，可以满⾜世界范围内对⻝品的⽇益增长的需求，其使⽤的技术使收集和应⽤数据，适应不断变化的环境条件以及最有效地利⽤资源变得更加简单和便宜。尽管⼤型农场是最先采⽤这些技术的农场，但现在⼩型农场也可以使⽤智能电话中内置的⼯具，相关应⽤程序和⼩型机械来受益。⽽且，这些技术正在为解决⽅案做出贡献，其解决⽅案不仅限于农场，还包括