单元三 任务一 蔬菜大棚环境监测系统中传感器设备的选型

任务一蔬菜大棚环境监测系统中传感器设备的选型单元三认识物联网典型行业应用—智慧生态农庄引导案例智慧生态农庄引导案例以上视频中使用了哪些传感器，实现了哪些智能化功能。讨论智慧生态农庄1目标与任务任务评价知识准备任务实施234目录PART.1目标与任务任务目标知识目标1.了解智慧农业行业应用的基本概念2.了解传感器的基本概念和组成3.掌握传感器的静态参数4.掌握传感器的选型依据和方法

能力目标1.分析特定传感器的性能2.能根据特定需求进行传感器设备选型

素质目标1.培养良好的工作作风2.培养描述工作问题、确定工作目标的能力3.培养书面表达观点的能力4.培养团队意思和团队协作的能力任务描述四川XX县近年一直将发展现代农业为重点，大力推进智慧农业的发展，并努力建设该县的现代农业示范区，实现蔬菜大棚的智能化、信息化。现有一个蔬菜大棚，将进行现代化改造，该大棚面积约为20m*10m，需要对大棚中农作物生长的温度、湿度、光照等参数进行实时监测，并将监测的数据采集、上传到位于农场中相距约2公里的监控中心。同时，为了实现上述参数的智能控制，需要增加相应的设备来控制大棚内温度、湿度和光照度。请对该蔬菜大棚监控系统进行需求分析、详细设计，确定所需监测的环境参数及选择合适的传感器。PART.2知识准备3.1认识智慧农业3.1.1智慧农业的概念智慧农业又叫精确农业，利用电子、计算机、通信、自动化等信息化技术，对农作物的生产过程进行动态监测和控制，并根据其结果采用相应的措施，确保农作物生长环境的最优化。除了精准感知、控制与决策管理外，从广泛意义上讲，智慧农业还包括农业电子商务、食品溯源防伪、农业休闲旅游、农业信息服务等方面的内容。现阶段，智慧农业的应用主要表现在农业生产环境监控、食品安全以及农业电商等领域。3.1认识智慧农业3.1.2传统农业面临的问题传统农业生产的物质技术手段比较落后，主要依靠人力、畜力和各种手工工具以及一些简单机械。这样的生产方式在现代生活中引发一系列问题，主要问题是：（1）农业科技含量低，装备水平相对滞后。（2）农业产出少、农民收入低。（3）农业生产存在污染和浪费。（4）农产品的种类少。3.1认识智慧农业3.1.3智慧农业国内外发展现状国外：智慧农业在发达国家其应用已涉及到施肥、播种、耕作、水分管理等相关领域，发展十分迅速。国内：我国智慧农业的应用研究工作虽然也取得了不少研究成果，但从整体水平上和实际应用上与发达国家存在很大的差距：（1）信息标准不统一。（2）人才培养滞后，缺乏综合性技能人才。（3）技术不成熟。基于物联网的智慧农业系统则致力于将智慧农业从概念化转化为产业化，将理论研究转化为实践应用，更专注于应用领域和产品化，力图为智慧农业的大规模推广应用打下良好的基础。3.1认识智慧农业3.1.4智慧农业物联网系统组成作为物联网系统的典型应用之一，智慧农业系统同样包括应用层、网络层和感知层三层架构。智慧农业典型系统架构图3.1认识智慧农业3.1.4智慧农业物联网系统组成（1）感知层主要实现智慧农业系统的感知和执行，由各种感应器件（例如：RFID标签和读写器、各类传感器、摄像头、GPS、二维码和识读器等）以及喷灌等相关执行设备构成。（2）网络层主要解决感知层所获得的数据在一定范围内进行信息交换、传递数据的通路问题，通常是长距离的传输问题，包括接入网与传输网两类。（3）应用层主要解决的是信息处理和人机界面的问题。3.1认识智慧农业3.1.4智慧农业物联网系统组成讨论通过智慧农业系统的结构、关键技术等的学习，分析并讨论农业系统中哪些参数需要被监测。3.2智慧农业大棚概述

智慧农业大棚系统能够对大棚里的温度、湿度等进行采集，并进行上传，是大棚农作物的养殖监控管理系统。智慧农业大棚结构示意图3.2智慧农业大棚概述3.2.2智慧农业大棚发展方向3.2.1智慧农业大棚发展历史我国早在2000多年前就已经能利用保护设施（温室的雏形）栽培多种蔬菜，是应用温室栽培历史最悠久的国家。但是，我国的温室大棚发展存在着许多问题，设施技术水平低、机械化程度低、环境调控能力差、理论和技术研究较落后等等。国外许多国家利用现有的机械化、工程化、自动化技术，已实现设施内部环境因素（如温度、湿度、光照、CO2浓度等）的调控。如何能够准确、稳定、方便的得到环境信息就成为智能农业大棚系统的关键。短距离无线通信的发展，新兴的无线传感器网络技术为智能温室系统中的传感环节提供了有力的技术保障。3.2智慧农业大棚概述3.2.3智慧农业大棚功能分析智慧农业大棚主要实现对关键参数的密切关注，及时进行农作物温度水分补给或调整。（1）能够高精度实时测量温室大棚生产过程中的温度、湿度、光照等参数。（3）能远程访问与控制，包括通过有线和无线网络方式。（2）能够控制风扇、加湿/热器、喷灌设备等对温室大棚生产过程中的参数进行智能控制。自动排风系统迷雾降温系统基地视频监控系统3.2智慧农业大棚概述3.2.4智慧农业大棚系统结构智慧农业大棚系统可以按照具体需求控制阳光、空气、雨露等，其一般主要由：各类传感器、电机设备、无线传输设备、主控机房及终端组成。智慧农业大棚系统典型连接方式示意图拓扑结构图3.2智慧农业大棚概述3.2.5主要传感器设备（1）无线温度湿度传感器实时监测温室中的温度和湿度，并配合温室中的空调设备和加湿器工作。（2）土壤温湿度传感器监测土壤中的水分和温度，并配合温室中的灌溉系统及通风设备等为作物提供最适宜的土壤环境。无线空气温度/湿度传感器土壤温湿度传感器（3）光照传感器随时监测记录太阳光线的强度，与相关的补光系统、遮阳系统等设备相连，为农作物生长打造完美的光照环境。光照度传感器3.2智慧农业大棚概述3.2.5主要传感器设备（4）二氧化碳传感器实时监测温室中的二氧化碳浓度，并相关的设备联动工作。（5）无线智能插随心随地自由管理庞大的农作物基地内电器设备的开和关。二氧化碳传感器智能插座（6）电磁阀可根据作物需水量要求，设置不同的灌溉程序。无线电磁阀3.2智慧农业大棚概述3.2.5主要传感器设备（7）网络通信设备无线网关：将短距离无线网络和互联网网络相互连接。无线中继器：能实现组网，扩大覆盖区域，达到预期传输和控制的效果。无线中继器无线网关3.3认识传感器3.3.1传感器的组成传感器是一种测量装置，它能够将被测量转换为另一种便于应用的某种物理量，二者具有确定的对应关系。参照我们人类，眼睛、鼻子、耳朵等五官和皮肤就是我们的“传感器”，它帮助我们感知外部世界，收集有用的数据，是人类生产活动过程中，进行感知、传输、分析、决策、执行的闭环系统中的第一个环节。传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路（简称转换电路）3部分组成。传感器的组成3.3认识传感器3.3.2传感器的类型分类方法常见传感器类型按被测量分类温度传感器、湿度传感器、压力传感器、浓度传感器、加速度传感器按输出信号分类模拟传感器、数字传感器按工作原理分类电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器按敏感材料分类半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器、高分子传感器、金属传感器按加工工艺分类厚薄膜传感器、MEMS（微机电系统）传感器、纳米传感器按传感对象分类地震传感器、心电传感器、水质传感器、轮胎传感器、气体传感器按应用领域分类机器人传感器、家电传感器、环境传感器、汽车传感器传感器的种类很多，原理各异，检测对象门类繁多，因此其分类方法甚繁，至今尚无统一的规定。传感器分类方法3.3认识传感器3.3.3典型行业的传感器（1）农业类的传感器土壤温度传感器、土壤水分传感器、光照度传感器（2）工业类传感器煤矿用风速传感器、液压系统用压力传感器、车速传感器（3）服务业类传感器烟雾传感器、酒精气敏传感器、人体红外传感器3.3认识传感器3.3.4传感器技术发展趋势传感器技术的研究与发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。传感器技术将主要朝着以下几个方向发展：（1）智能化（2）微型化（3）集成化（4）多样化3.4认识传感器的典型静态性能参数传感器典型的静态特性参数包括：量程、精度、灵敏度、线性度、重复性、分辨率和漂移。传感器包括静态特性及动态特性。静态特性是描述输入为不随时间变化的恒定信号时，传感器输出与输入的关系，在实际的传感器应用中，静态特性往往就能为我们选择提供重要的依据。动态特性描述的是输入为随时间变化的信号时，输出与输入的关系，这种特性是在传感器的设计、生产和测试过程中，研发人员需要重点考虑的。（1）量程

传感器的测量范围是一个确定的量，所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。（2）精度

传感器的精度是指实际测量观测结果与真值（或被认为是真值）之间的接近程度，即测量值与真值的最大差异。（3）灵敏度

灵敏度定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比，即输出量的变化值除以输入量的变化值。3.4认识传感器的典型静态性能参数（4）线性度其输出与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差。（5）重复性重复性表示传感器在按同一方向作全量程多次测试时，所得特性不一致性的程度，可以简单的理解为对同一个被测量进行多次测量的结果的一致性。（6）分辨力分辨力是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。（7）漂移传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。3.5分析传感器的选型依据3.5.1性能指标结合实际工作环境、具体功能要求、成本等几方面的因素，通过以下几个原则选择合适的传感器设备：（1）清楚被测量及测量范围（2）关注灵敏度要求（3）了解精度值（4）关注线性范围和稳定性3.5分析传感器的选型依据3.5.2硬件接口和信号输出形式不同的传感器信号输出形式不尽相同，将决定后续处理电路及后续设备的选择。序号名

称输出信号1土壤温度传感器DC0-2V；4-20mA；数字信号RS485；2土壤水分传感器4个0-2.5V或0—5V模拟电压输出信号3光照度传感器二线制4～20mA电流输出4煤矿用风速传感器电流

DC4～20mA；频率

200～1000Hz数字信号RS4855液压系统用压力传感器输出信号：

4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)6车速传感器传感器齿轮每转一周输出4个脉冲信号7烟雾传感器信号输出：常开/常闭8酒精气敏传感器电流DC4～20mA；9人体红外传感器电平输出：高3.3V/低0V；传感器的信号输出形式3.5分析传感器的选型依据3.5.3成本分析成本是指传感器的价格吗？答案是否定的，价格只是其中的一部分而已。（1）传感器的购买成本（2）安装与维护成本（3）其它方面3.5分析传感器的选型依据3.5.4工作环境通常，工作环境给传感器造成的影响主要有以下几个方面：（1）环境温度（2）粉尘浓度和湿度（3）腐蚀性（4）电磁场（5）防爆PART.3任务实施任务实施技术选型：蔬菜大棚环境监测系统的传感器设备为了实现蔬菜大棚的智能化、信息化等要求，需要对蔬菜大棚的环境参数进行实时监测，而这些环境参数的监测主要通过传感器来实现，适合蔬菜大棚特定环境、满足测量参数的要求、同时考虑经济成本及安装使用的方便，选择合适的传感器显得尤为重要。请为蔬菜大棚环境监测系统进行传感器设备选型，完成以下任务内容。（1）任务内容要求：1）分析蔬菜大棚监测系统实现的功能；2）针对实现的功能分