农业物联网导论课件 第2章 物联网农业信息感知

物联网农业信息感知第2章2.1传感器及其农业应用2.2拉曼光谱技术 2.3射频识别技术（RFID） 2.4二维码技术 2.5无线视频监控 2.6北斗卫星导航系统2.7遥感技术（RS） 2.1传感器及其农业应用2.1.1传感器概述1.传感器的概念传感器是一种装置，主要功能是将信息转换为电信号，以便进行处理和分析。它的内部结构包括敏感元件、转换元件和信号调节与转换电路。敏感元件直接获取物体信息，转换元件将这些信息转换为电信号，而信号调节与转换电路则对电信号进行调制，输出可供后续应用的信号。同时，转换元件和信号调节与转换电路需要电量供给，通常由辅助电源提供。传感器的组成如图2-1所示。图2-1传感器的组成2.1传感器及其农业应用传感器的分类方法众多，用途、工作原理、输出信号、制造工艺等都可以作为其分类方式，较常用的分类方式如表2-1所示。表2-1传感器分类2.1传感器及其农业应用2.传感器的数据处理和传感器校准1）传感器数据处理传感器感知到信息后，会依照设定的规则，把这些信息转换为电信号，再进行输出。主控设备接收到信号后对其进行处理分析，提取有价值的数据，再通过其他方式传送这些数据。2）传感器校准传感器校准指的是在明确传感器输入与输出关系的基础上，使用标准仪器标定传感器，其内容包括传感器的工作特性、环境特性、物理与几何参数等。将标准仪器产生的已知量作为被标定传感器的输入，将所得输出量与输入量作比较，即可了解传感器的性能。传感器的校准流程如图2-2所示。图2-2传感器校准流程2.1传感器及其农业应用3.传感器选择传感器性能受到多方面因素的影响，包括精度误差、稳定性、可靠性、参数一致性、量程范围等。环境检测对传感器性能有高要求，不同区域的影响也不同。此外，环境因素如温湿度变化、雷雨降水、盐雾腐蚀、雷击静电以及其他干扰因素都会影响传感器的监测结果。传感器的检测数据还与数据处理电路和传输电路相关。若不经过专业处理，万元传感器与几百元传感器性能相近。由于受外界因素影响，监测性能不可靠，缺乏实用价值。当前我国市场上大多数传感器存在这类问题，属于三无器件：无计量校准测试、无第三方性能测试报告、无认证报告和数据。因此，这类传感器难以满足应用需求。2.1传感器及其农业应用2.1.2传感器产业1.传感器产业现状我国对传感器的需求巨大，市场规模可达数百亿元。然而，国内生产的传感器普遍存在灵敏度、准确性、稳定性等问题，导致无法满足需求。主要原因包括国产传感器在可靠性和稳定性方面与国外产品差距较大，缺乏电子产品检测标准和技术积累。此外，我国在校准和处理传感器误差方面的技术水平较低，导致传感器性能差，不能准确感知外部信息。国内制造传感器所使用的材料和工艺相对滞后，缺乏MEMS技术、纳米技术等应用。与发达国家相比，我国在通信技术研究方面较为滞后，例如无线传感器网络的建设，发达国家具有明显优势。2.1传感器及其农业应用2.传感器产业化问题及解决策略（1）科技成果转化率较低，产业化基础薄弱。农业传感器市场准入门槛高，技术水平和开发程度滞后，资源配置不足，导致企业难以支撑长时段和高失败率的传感器研发，从科技成果转入产业应用困难。（2）对国外技术的依赖程度高。传感器企业研发不足，高度依赖进口芯片，多模仿引进其他相关技术，尤其在农业级传感器方面。国内传感器整体技术水平、准确性、稳定性、可靠性等待提升。（3）市场竞争力不足。我国传感器市场需求大，但国产传感器只满足一小部分需求。约有2000家从事传感器研究的企业，仅少数在特定领域占优势，专业化企业不足3%。缺乏引领企业和国际品牌，农业物联网等领域主要依赖国外传感器产品。（4）成本优势不明显。国内传感器生产成本高，多数产品低端。提升技术水平需要进行工艺研发，资金需求大；在市场竞争中处于劣势，收益稀缺，甚至亏损。传感器生产成本供给不足，许多厂家未实现传感器的机械化装配，产能低，规模效益有限。（5）行业不被重视。传感器是智能感知的前端，对智能化建设至关重要，应受到充分重视。然而，实际情况与此相反。在20世纪80年代初，国家科委曾就是否将传感器技术纳入信息技术范围组织专家讨论，但最终因体量太小而否决。目前传感器产业有所改善，但未能根本释放其发展潜力，效果甚微。（6）融资困难。传感器在智能制造、工业互联网、人工智能等领域不可或缺，但传感器产业未随着智能制造、人工智能产业的崛起而发展，主要因对其缺乏足够的重视，投资界反应平平。国家对传感器产业扶持政策有限，也影响了投资的判断与选择。2.1传感器及其农业应用为了改变国内传感器产业相对落后的局面，可从以下几方面入手：（1）政策与管理方面。政府强化传感器产业支持，鼓励增加研发投入，构建完善的产业链和上下游机制，促使研发成果实际应用。建立全面的传感器产权保护制度，打击侵权，保护研发人员权益。加强整体管理，确定主要管理部门，避免多头管理弊端。（2）资金方面。国家设专项资金支持传感器产业化，重点支持特定工艺和技术研究与转化，并可适度减免税收。（3）行业方面。制定行业战略和规范是传感器产业化的基础。支持龙头企业，建立示范区，促进集聚与效应。树立国际化意识，建设产业园区，研发具竞争力的中国传感器。提升产业结构与链条，全面提高传感器行业整体能力。（4）技术与人才方面。培养传感器人才，增加技术研发投入，创造良好研发环境。通过人才培养计划，在高校设立传感器相关课程。强化产业协会服务，提供市场推广、技术信息。促进产学研结合，建立国家级传感器实验室推动自主创新。建立产业化基地，形成产业联盟推动技术转化与推广。2.1传感器及其农业应用2.1.3农业传感器农业传感器是发展农业物联网的基础设施之一，也是构建农业物联网完整信息链必不可少的设备。1.农业传感器类型农业传感器主要有环境监测类传感器和生命信息感知传感器两类。环境监测类传感器主要用于感知与水体（如溶解氧、氨氮、pH、水温、电导率、浊度）、土壤（如水分、电导率、肥力）、气象（如太阳辐射、空气温湿度、风速风向、降水量）等相关的信息；生命信息感知传感器检测植物元素信息、畜禽生长体征信息（如体温、血压、脉搏）等，为分析生物生长状况提供数据。2.1传感器及其农业应用2.农业传感器现状水产养殖中的农业传感器应用面临挑战。随着物联网兴起，水产养殖引入了农业传感器，特别是水质监测设备。这些渔业传感器监测生物生长关键指标，如溶解氧、水温、pH等。然而，它们在水产养殖中的实际应用存在问题。首先是成本价格。这些传感器是高精密仪器，大多从国外进口，价格昂贵，尤其在成本敏感的水产养殖领域，限制了其使用。以养殖最需的溶氧探头为例，权威品牌一支1万元以上，全套2～3万元，对亩产纯收入不足3千元、年纯收入数万元的养殖户来说，传感器价格较高，难以推广使用。其次是行业性。当前的农业传感器没有专为水产养殖行业设计，因而在使用时存在差异。例如，哈希溶氧采用荧光法检测，适用于自来水厂和污水处理厂，但在水产养殖中容易受到藻类和青苔的影响，影响水质检测效果。2.1传感器及其农业应用另外是稳定性。养殖行业传感器供需矛盾。一些国内厂家为养殖研发专用传感器，国产高端水质传感器价格下降。然而，许多传感器在初期相对准确，但后期数据出现较大偏差。最后是维护问题。传感器需要定期维护，不慎会导致探头损坏，增加额外维修费用。不维护则可能导致数据不准确。因此，需要缩短维护周期，降低难度，以减少维护成本。以上问题未解决，难以推动养殖户大规模使用传感器，更无产业化。但值得注意：（1）潜在用户需求大，随物联网兴起，智慧水产养殖系统迅速发展。传感器是物联网关键，对水产养殖大国需求巨大，是推动渔业用传感器发展的前提。（2）研发时间成本和资源整合是挑战。国内起步晚，创新能力弱，但整合资源可快速推动行业发展。（3）刚开始起步，水产养殖适用高性价比传感器空白，吸引更多企业和资源参与研发。（4）打通产业链，促进行业良性循环。传感器是物联网核心，瓶颈，突破将带来爆发式增长，2.1传感器及其农业应用3.国内外农业传感器对比国内自主研发的传感器在性能水平及产业化程度方面存在不足，主要表现为以下几点：（1）与进口传感器相比，我国传感器的监测精度较低，通常仅有一种功能，易发生故障，性价比较低。（2）缺乏完善的通信技术支持，无线传感器网络技术未能满足通信需求，限制了传感器覆盖范围和监测精度的提升。（3）传感器监测参数有限，无法满足农业生产对多样化数据的需求，仅能完成简单监测，无法实现系统化监测。（4）传感器校准技术不成熟，未能有效确定、分析误差并消除，需要解决这一问题。（5）缺乏电磁兼容、环境可靠性测试应用，未建立统一的传感器安全性能评价标准。（6）传感器制造工艺基础薄弱，需要开发基于纳米技术、微机电系统技术（MEMS）的传感器，优化体积、功耗和可靠性等。2.1传感器及其农业应用4.农业传感器应用（1）育苗育种。为提高作物种苗培育成功率，通常使用传感器监测环境参数，如温度、湿度、光照强度等，以实现科学调控培育环境。同时，还可以应用生物传感器和基因工程技术培育优良品种。（2）种植养殖。在农作物种植中，传感器用于采集环境和生长相关信息，如离子敏传感器测量土壤成分，传感器获取农作物信息判断成熟度，养殖中监测环境、生物生长、产品质量等。（3）农业机械。农机配备传感器，如智能收割机可自动调节高度、去除杂质，智能节水灌溉设备可自动调控灌溉，智能机器人可独立完成农业作业，提高工作效率。（4）农产品分类与储藏。农产品品质分级也需要用到传感器，通过传感器测定产品中某些成分的含量，依据所得数据对产品进行分类。储藏农产品时利用传感器监测储藏环境、识别变质产品。2.2拉曼光谱技术1.拉曼光谱技术拉曼光谱技术是一种用来检测物质结构成分的技术，它以拉曼光谱效应为基本原理，通过检测光谱特性来分析物质特征，以比对拉曼光谱间的差异实现对不同物质的辨别。在激光技术、仪器学、光谱学等的研究不断深化的同时，拉曼光谱技术的功能也变得更加多样化，发展出了表面增强拉曼光谱技术(Surface-EnhancedRamanSpectroscopy，SERS)、共振拉曼光谱技术(ResonanceRamanSpectroscopy，RRS)、共焦显微拉曼光谱技术（ConfocalRamanSpectroscopy，CRS）、傅里叶变换拉曼光谱技术（FourierTransformRamanSpectroscopy）等。现在拉曼光谱技术已广泛应用在生物医学、石油化工、物证鉴定、污染检测、农业检测等多个领域，为各行业发展提供分子结构方面的信息。2.2拉曼光谱技术2.拉曼光谱技术在农业领域的应用拉曼光谱技术可用于农业物联网感知，无需样品预处理，快速检测，广泛应用于农产品质量和安全检测。拉曼光谱技术在农业领域的应用主要包括：（1）农产品农药残留检测。拉曼光谱技术可高效、便捷识别各类农药，提升检测的细致性和准确性，有助于防止不合格的农产品进入市场。在农药残留检测中，傅里叶拉曼光谱技术和表面增强拉曼光谱技术常被使用。（2）畜产品品质检测。畜产品拉曼光谱检测研究涵盖多方面，如结合拉曼光谱与主成分分析技术，差异化鉴别香肠来源；应用拉曼光谱技术检测乳制品中的三聚氰胺，通过光谱强度分析判断浓度，确保产品质量。（3）粮食质量安全检测。使用拉曼光谱技术对长时间存储的粮食进行科学检测，可及时发现变质问题。结合差示扫描量热技术，详细感知与分析粮食中的分子构造和热力学变化，与未变质粮食指标进行比对，确保粮食安全。（4）农产品营养成分检测。使用拉曼光谱技术检测农产品营养元素含量，满足消费者需求，防止过量摄入。该技术操作简便、结果准确，帮助生产者准确掌握营养信息，实现有针对性的生产与销售，提高经济效益。2.2拉曼光谱技术3.拉曼光谱技术农业应用存在的问题拉曼光谱检测在农业领域具有高效率和强大的实用性，目前设备逐渐小型化、高精度化，使用也更为方便。然而，性能方面仍需优化，包括对光谱信号的处理方法，光学系统参数的设置，以及数据库的补充和更新。此外，还需丰富检测方式和指标，提升其适应不同环境的稳定性，从而扩展应用范围。在国内，拉曼光谱技术在农业领域的应用仍处于起步阶段，需要加强设备研发，推动技术应用推广。2.3射频识别技术（RFID）使用射频识别技术能够在不与物体接触的情况下识别物体，并以电磁耦合（Electromagneticcoupling）的方式获取目标对象的信息。1.RFID的特征RFID技术有以下特点：（1）操作方便，可在几厘米至几十米的距离实现高效信息传递，同时能够同时识别多个物体，效率高；（2）标签容量大，存储信息量可达几兆字节，远超过条码；（3）安全性高，可通过循环冗余检查和数据加密保护信息，防止篡改；（4）受环境影响小，可穿透非金属覆盖物，适应高温等恶劣条件，且在无光环境下工作；（5）可重复利用，标签内的数据可更改。2.RFID系统组成及其工作原理（1）系统组成。RFID系统由射频识别标签、射频读写器和信息系统组成。每个射频标签带有EPC编码，包括天线和芯片，用于存储物体信息。射频读写器负责读取或写入信息，包括控制器和天线，其操作距离由发射功率确定。信息系统向读写器发送指令，同时接收、分析和管理读写器传输的数据。2.3射频识别技术（RFID）（2）工作原理。RFID系统的工作原理如图2-3所示。射频读写器通过天线发送射频信号与射频识别标签实现非接触耦合（NoncontactCoupling），驱动射频识别标签通过内部天线发送数据信号，射频读写器依序接收信号并进行解码，校验数据的准确性后将其发送至信息系统进行进一步处理。图2-3RFID系统工作原理2.3射频识别技术（RFID）3.RFID在农业中的应用（1）农产品种植管理。使用RFID和传感器监测土壤、水质、气象、农药使用等信息，记录在RFID标签内，通过阅读器传输到数据库，实现农产品的精细管理。（2）畜禽养殖管理。为每头猪佩戴唯一编号的RFID电子耳标，记录相关信息，形成完整的养殖档案，与管理系统实现信息关联，提高养殖过程的追溯和管理效率。（3）农产品溯源。运用RFID、传感器、GPS等技术获取农产品产业链上各环节信息，结合数据库技术建立溯源系统，实现对农产品的追踪和质量鉴别。2.4二维码技术二维码是一种数字化编码和自动识别技术，由黑白两色的几何图形按照规律排列形成。与一维码相比，二维码在信息存储、容错能力等方面有所提升，广泛应用于移动支付、电子证照、产品溯源等场景。二维码分为堆叠式和矩阵式，它们的编码原理和结构形状有所不同。1.二维码应用系统二维码应用系统是以二维码存储和表示信息的计算机信息系统，由二维码生成设备、二维码标签、二维码识读设备和信息处理系统构成，如图2-4所示。系统功能效果受条码设计、条码质量、识读设备质量等因素的影响。图2-4二维码应用系统构成二维码生成设备生成二维码标签，二维码标签承载信息，二维码识读设备进行扫码、译码，并将信息传输至信息处理系统，信息处理系统分析、管理所接收的信息。2.4二维码技术2.二维码技术在农业中的应用在农业领域，二维码主要作为一种信息载体和信息传输接口，用于农产品溯源，以保障农产品质量安全，提高数据查询和共享效率。在农产品生产、流通过程中，各环节依次将农产品生产及流通的相关信息存储至二维码中，生成二维码标签，随农产品流向市场。当农产品最终到达消费者手中时，消费者通过条码识读器扫描二维码，即可查看农产品的原始生产流通信息。2.5无线视频监控无线视频监控是将监控技术与无线传输技术结合，通过无线传输传递监控信息，解决了传统布线复杂的问题。1.无线视频监控的特点（1）成本低。无线监控无需电缆，减少了材料和施工成本。系统简单，故障率低，维护成本由网络供应商负责，因此维护成本低。（2）实用性强。广泛应用于安全监控、交通监控、家庭监控等领域，不受地形、环境影响，减少监控盲区，具有强大实用性。（3）扩展、移动方便。增加监控点只需增加设备，无需新建传输网络；改变监控点只需移动设备；用户可通过移动设备实现异地全天候监控。（4）网络信号易受影响。无线系统优势显著，但容易受天气、建筑物遮挡等影响，信号强度降低，同时容易受其他无线信号干扰。2.无线视频监控系统组成无线视频监控系统（WirelessVideoMonitoringSystem）由信息采集、无线传输和信息管理组成，其中摄像头是基础设备，无线传输系统采用Wi-Fi、4G、5G等技术，信息管理系统负责接收、存储、处理监控信息。然而，无线视频监控也受到天气和信号干扰等影响。2.5无线视频监控3.无线远程多节点视频监控系统(PMP+WLAN)传统农业监控模式存在铺设电缆、高成本、难以维护的问题。Wi-FiP2P模式依赖于光纤电缆，限制了农业图像和视频数据的采集。为解决问题，无线远程多节点视频监控系统采用MeshWLAN组网技术，通过无线通信和点对多点无线技术实现大范围的无线远程视频监控。系统利用信号频率调制解调技术减少设备之间的无线干扰，显著降低了设备成本。用户通过手机、平板、笔记本等设备实时查看监控信息，系统管理员可通过平台发送操作指令，实现对分布在固定区域的节点的控制。系统的具体部署方式包括在MeshWLAN覆盖区域内布设能接入WLAN的监控设备，采用多点组网方式进行远程监控，通过MeshWLAN网络传送监控视频信号至网络中心。网络中心配备多通道硬盘录像机和大容量存储系统，实现监控视频的存储和管理。网络中心还使用无线控制器或集中式网络管理系统对无线WLAN设备进行统一管理，从而实现对监控设备的远程管理。2.5无线视频监控无线远程多节点视频监控系统可以实时、直观、详细地对监控信息进行记录，方便相关人员进行管理，该系统主要具有以下特点：（1）通过无线网络传输监控信息，摆脱了有线网络的限制，构建灵活高效的系统。（2）不需要实地布线，使得监控材料、设备安装、设备维护等成本均有所降低。（3）数字视频监控设备可通过IP基础实现全球通信，实现远程监控。（4）采用MeshWLAN自组网方式，具有高效统一管理和实时网络修复的优势。（5）支持WLAN的IP摄像机采集和处理视频信息，可以通过Wi-Fi或无线网桥传输数据。2.6北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统（BDS）是中国自主研发的全球卫星导航系统，与GPS、GLONASS同为成熟的卫星导航系统。北斗系统在全球提供服务，于2020年推出北斗三号系统，服务范围逐步扩大。系统构成包括空间段、地面段和用户段。空间段由GEO、IGSO、MEO三种卫星组成，提供定位导航授时功能；地面段包括主控站、注入站、监测站等地面设施；用户段由基础产品（芯片、模块、天线等）、终端设备和应用系统组成。北斗系统采用“三球交汇”原理，通过卫星发射信号和导航电文，用户接收设备同时获取至少三颗卫星信号，测量信号传输距离，通过星历确定卫星空间坐标，最终解算用户设备位置。系统可用于定位、测速、授时，全球范围内定位精度优于10m，测速精度优于0.2m/s、授时精度优于20ns。此外，北斗系统还提供短报文通信、国际搜救、星基增强、精密单点定位、地基增强等服务。短报文通信是北斗系统特有功能，包括亚太区域和全球短报文通信，通过卫星信号传输信息，即使通讯、供电条件受影响，仍能满足通信、定位需求。2.6北斗卫星导航系统北斗定位导航技术在农业中的应用包括：（1）采集农产品产量分布信息。安装北斗定位系统和农产品流量传感器，实时获取经纬度信息，自动计算农产品产量，建立产量分布图。（2）采集农田、