物聯網農業信息感知第2章2.1傳感器及其農業應用2.2拉曼光譜技術 2.3射頻識別技術（RFID） 2.4二維碼技術 2.5無線視頻監控 2.6北斗衛星導航系統2.7遙感技術（RS） 2.1傳感器及其農業應用2.1.1傳感器概述1.傳感器的概念傳感器是一種裝置，主要功能是將信息轉換為電信號，以便進行處理和分析。它的內部結構包括敏感元件、轉換元件和信號調節與轉換電路。敏感元件直接獲取物體信息，轉換元件將這些信息轉換為電信號，而信號調節與轉換電路則對電信號進行調制，輸出可供后續應用的信號。同時，轉換元件和信號調節與轉換電路需要電量供給，通常由輔助電源提供。傳感器的組成如圖2-1所示。圖2-1傳感器的組成2.1傳感器及其農業應用傳感器的分類方法眾多，用途、工作原理、輸出信號、制造工藝等都可以作為其分類方式，較常用的分類方式如表2-1所示。表2-1傳感器分類2.1傳感器及其農業應用2.傳感器的數據處理和傳感器校準1）傳感器數據處理傳感器感知到信息后，會依照設定的規則，把這些信息轉換為電信號，再進行輸出。主控設備接收到信號后對其進行處理分析，提取有價值的數據，再通過其他方式傳送這些數據。2）傳感器校準傳感器校準指的是在明確傳感器輸入與輸出關系的基礎上，使用標準儀器標定傳感器，其內容包括傳感器的工作特性、環境特性、物理與幾何參數等。將標準儀器產生的已知量作為被標定傳感器的輸入，將所得輸出量與輸入量作比較，即可了解傳感器的性能。傳感器的校準流程如圖2-2所示。圖2-2傳感器校準流程2.1傳感器及其農業應用3.傳感器選擇傳感器性能受到多方面因素的影響，包括精度誤差、穩定性、可靠性、參數一致性、量程范圍等。環境檢測對傳感器性能有高要求，不同區域的影響也不同。此外，環境因素如溫濕度變化、雷雨降水、鹽霧腐蝕、雷擊靜電以及其他干擾因素都會影響傳感器的監測結果。傳感器的檢測數據還與數據處理電路和傳輸電路相關。若不經過專業處理，萬元傳感器與幾百元傳感器性能相近。由于受外界因素影響，監測性能不可靠，缺乏實用價值。當前我國市場上大多數傳感器存在這類問題，屬于三無器件：無計量校準測試、無第三方性能測試報告、無認證報告和數據。因此，這類傳感器難以滿足應用需求。2.1傳感器及其農業應用2.1.2傳感器產業1.傳感器產業現狀我國對傳感器的需求巨大，市場規模可達數百億元。然而，國內生產的傳感器普遍存在靈敏度、準確性、穩定性等問題，導致無法滿足需求。主要原因包括國產傳感器在可靠性和穩定性方面與國外產品差距較大，缺乏電子產品檢測標準和技術積累。此外，我國在校準和處理傳感器誤差方面的技術水平較低，導致傳感器性能差，不能準確感知外部信息。國內制造傳感器所使用的材料和工藝相對滯后，缺乏MEMS技術、納米技術等應用。與發達國家相比，我國在通信技術研究方面較為滯后，例如無線傳感器網絡的建設，發達國家具有明顯優勢。2.1傳感器及其農業應用2.傳感器產業化問題及解決策略（1）科技成果轉化率較低，產業化基礎薄弱。農業傳感器市場準入門檻高，技術水平和開發程度滯后，資源配置不足，導致企業難以支撐長時段和高失敗率的傳感器研發，從科技成果轉入產業應用困難。（2）對國外技術的依賴程度高。傳感器企業研發不足，高度依賴進口芯片，多模仿引進其他相關技術，尤其在農業級傳感器方面。國內傳感器整體技術水平、準確性、穩定性、可靠性等待提升。（3）市場競爭力不足。我國傳感器市場需求大，但國產傳感器只滿足一小部分需求。約有2000家從事傳感器研究的企業，僅少數在特定領域占優勢，專業化企業不足3%。缺乏引領企業和國際品牌，農業物聯網等領域主要依賴國外傳感器產品。（4）成本優勢不明顯。國內傳感器生產成本高，多數產品低端。提升技術水平需要進行工藝研發，資金需求大；在市場競爭中處于劣勢，收益稀缺，甚至虧損。傳感器生產成本供給不足，許多廠家未實現傳感器的機械化裝配，產能低，規模效益有限。（5）行業不被重視。傳感器是智能感知的前端，對智能化建設至關重要，應受到充分重視。然而，實際情況與此相反。在20世紀80年代初，國家科委曾就是否將傳感器技術納入信息技術范圍組織專家討論，但最終因體量太小而否決。目前傳感器產業有所改善，但未能根本釋放其發展潛力，效果甚微。（6）融資困難。傳感器在智能制造、工業互聯網、人工智能等領域不可或缺，但傳感器產業未隨著智能制造、人工智能產業的崛起而發展，主要因對其缺乏足夠的重視，投資界反應平平。國家對傳感器產業扶持政策有限，也影響了投資的判斷與選擇。2.1傳感器及其農業應用為了改變國內傳感器產業相對落后的局面，可從以下幾方面入手：（1）政策與管理方面。政府強化傳感器產業支持，鼓勵增加研發投入，構建完善的產業鏈和上下游機制，促使研發成果實際應用。建立全面的傳感器產權保護制度，打擊侵權，保護研發人員權益。加強整體管理，確定主要管理部門，避免多頭管理弊端。（2）資金方面。國家設專項資金支持傳感器產業化，重點支持特定工藝和技術研究與轉化，并可適度減免稅收。（3）行業方面。制定行業戰略和規范是傳感器產業化的基礎。支持龍頭企業，建立示范區，促進集聚與效應。樹立國際化意識，建設產業園區，研發具競爭力的中國傳感器。提升產業結構與鏈條，全面提高傳感器行業整體能力。（4）技術與人才方面。培養傳感器人才，增加技術研發投入，創造良好研發環境。通過人才培養計劃，在高校設立傳感器相關課程。強化產業協會服務，提供市場推廣、技術信息。促進產學研結合，建立國家級傳感器實驗室推動自主創新。建立產業化基地，形成產業聯盟推動技術轉化與推廣。2.1傳感器及其農業應用2.1.3農業傳感器農業傳感器是發展農業物聯網的基礎設施之一，也是構建農業物聯網完整信息鏈必不可少的設備。1.農業傳感器類型農業傳感器主要有環境監測類傳感器和生命信息感知傳感器兩類。環境監測類傳感器主要用于感知與水體（如溶解氧、氨氮、pH、水溫、電導率、濁度）、土壤（如水分、電導率、肥力）、氣象（如太陽輻射、空氣溫濕度、風速風向、降水量）等相關的信息；生命信息感知傳感器檢測植物元素信息、畜禽生長體征信息（如體溫、血壓、脈搏）等，為分析生物生長狀況提供數據。2.1傳感器及其農業應用2.農業傳感器現狀水產養殖中的農業傳感器應用面臨挑戰。隨著物聯網興起，水產養殖引入了農業傳感器，特別是水質監測設備。這些漁業傳感器監測生物生長關鍵指標，如溶解氧、水溫、pH等。然而，它們在水產養殖中的實際應用存在問題。首先是成本價格。這些傳感器是高精密儀器，大多從國外進口，價格昂貴，尤其在成本敏感的水產養殖領域，限制了其使用。以養殖最需的溶氧探頭為例，權威品牌一支1萬元以上，全套2～3萬元，對畝產純收入不足3千元、年純收入數萬元的養殖戶來說，傳感器價格較高，難以推廣使用。其次是行業性。當前的農業傳感器沒有專為水產養殖行業設計，因而在使用時存在差異。例如，哈希溶氧采用熒光法檢測，適用于自來水廠和污水處理廠，但在水產養殖中容易受到藻類和青苔的影響，影響水質檢測效果。2.1傳感器及其農業應用另外是穩定性。養殖行業傳感器供需矛盾。一些國內廠家為養殖研發專用傳感器，國產高端水質傳感器價格下降。然而，許多傳感器在初期相對準確，但后期數據出現較大偏差。最后是維護問題。傳感器需要定期維護，不慎會導致探頭損壞，增加額外維修費用。不維護則可能導致數據不準確。因此，需要縮短維護周期，降低難度，以減少維護成本。以上問題未解決，難以推動養殖戶大規模使用傳感器，更無產業化。但值得注意：（1）潛在用戶需求大，隨物聯網興起，智慧水產養殖系統迅速發展。傳感器是物聯網關鍵，對水產養殖大國需求巨大，是推動漁業用傳感器發展的前提。（2）研發時間成本和資源整合是挑戰。國內起步晚，創新能力弱，但整合資源可快速推動行業發展。（3）剛開始起步，水產養殖適用高性價比傳感器空白，吸引更多企業和資源參與研發。（4）打通產業鏈，促進行業良性循環。傳感器是物聯網核心，瓶頸，突破將帶來爆發式增長，2.1傳感器及其農業應用3.國內外農業傳感器對比國內自主研發的傳感器在性能水平及產業化程度方面存在不足，主要表現為以下幾點：（1）與進口傳感器相比，我國傳感器的監測精度較低，通常僅有一種功能，易發生故障，性價比較低。（2）缺乏完善的通信技術支持，無線傳感器網絡技術未能滿足通信需求，限制了傳感器覆蓋范圍和監測精度的提升。（3）傳感器監測參數有限，無法滿足農業生產對多樣化數據的需求，僅能完成簡單監測，無法實現系統化監測。（4）傳感器校準技術不成熟，未能有效確定、分析誤差并消除，需要解決這一問題。（5）缺乏電磁兼容、環境可靠性測試應用，未建立統一的傳感器安全性能評價標準。（6）傳感器制造工藝基礎薄弱，需要開發基于納米技術、微機電系統技術（MEMS）的傳感器，優化體積、功耗和可靠性等。2.1傳感器及其農業應用4.農業傳感器應用（1）育苗育種。為提高作物種苗培育成功率，通常使用傳感器監測環境參數，如溫度、濕度、光照強度等，以實現科學調控培育環境。同時，還可以應用生物傳感器和基因工程技術培育優良品種。（2）種植養殖。在農作物種植中，傳感器用于采集環境和生長相關信息，如離子敏傳感器測量土壤成分，傳感器獲取農作物信息判斷成熟度，養殖中監測環境、生物生長、產品質量等。（3）農業機械。農機配備傳感器，如智能收割機可自動調節高度、去除雜質，智能節水灌溉設備可自動調控灌溉，智能機器人可獨立完成農業作業，提高工作效率。（4）農產品分類與儲藏。農產品品質分級也需要用到傳感器，通過傳感器測定產品中某些成分的含量，依據所得數據對產品進行分類。儲藏農產品時利用傳感器監測儲藏環境、識別變質產品。2.2拉曼光譜技術1.拉曼光譜技術拉曼光譜技術是一種用來檢測物質結構成分的技術，它以拉曼光譜效應為基本原理，通過檢測光譜特性來分析物質特征，以比對拉曼光譜間的差異實現對不同物質的辨別。在激光技術、儀器學、光譜學等的研究不斷深化的同時，拉曼光譜技術的功能也變得更加多樣化，發展出了表面增強拉曼光譜技術(Surface-EnhancedRamanSpectroscopy，SERS)、共振拉曼光譜技術(ResonanceRamanSpectroscopy，RRS)、共焦顯微拉曼光譜技術（ConfocalRamanSpectroscopy，CRS）、傅里葉變換拉曼光譜技術（FourierTransformRamanSpectroscopy）等。現在拉曼光譜技術已廣泛應用在生物醫學、石油化工、物證鑒定、污染檢測、農業檢測等多個領域，為各行業發展提供分子結構方面的信息。2.2拉曼光譜技術2.拉曼光譜技術在農業領域的應用拉曼光譜技術可用于農業物聯網感知，無需樣品預處理，快速檢測，廣泛應用于農產品質量和安全檢測。拉曼光譜技術在農業領域的應用主要包括：（1）農產品農藥殘留檢測。拉曼光譜技術可高效、便捷識別各類農藥，提升檢測的細致性和準確性，有助于防止不合格的農產品進入市場。在農藥殘留檢測中，傅里葉拉曼光譜技術和表面增強拉曼光譜技術常被使用。（2）畜產品品質檢測。畜產品拉曼光譜檢測研究涵蓋多方面，如結合拉曼光譜與主成分分析技術，差異化鑒別香腸來源；應用拉曼光譜技術檢測乳制品中的三聚氰胺，通過光譜強度分析判斷濃度，確保產品質量。（3）糧食質量安全檢測。使用拉曼光譜技術對長時間存儲的糧食進行科學檢測，可及時發現變質問題。結合差示掃描量熱技術，詳細感知與分析糧食中的分子構造和熱力學變化，與未變質糧食指標進行比對，確保糧食安全。（4）農產品營養成分檢測。使用拉曼光譜技術檢測農產品營養元素含量，滿足消費者需求，防止過量攝入。該技術操作簡便、結果準確，幫助生產者準確掌握營養信息，實現有針對性的生產與銷售，提高經濟效益。2.2拉曼光譜技術3.拉曼光譜技術農業應用存在的問題拉曼光譜檢測在農業領域具有高效率和強大的實用性，目前設備逐漸小型化、高精度化，使用也更為方便。然而，性能方面仍需優化，包括對光譜信號的處理方法，光學系統參數的設置，以及數據庫的補充和更新。此外，還需豐富檢測方式和指標，提升其適應不同環境的穩定性，從而擴展應用范圍。在國內，拉曼光譜技術在農業領域的應用仍處于起步階段，需要加強設備研發，推動技術應用推廣。2.3射頻識別技術（RFID）使用射頻識別技術能夠在不與物體接觸的情況下識別物體，并以電磁耦合（Electromagneticcoupling）的方式獲取目標對象的信息。1.RFID的特征RFID技術有以下特點：（1）操作方便，可在幾厘米至幾十米的距離實現高效信息傳遞，同時能夠同時識別多個物體，效率高；（2）標簽容量大，存儲信息量可達幾兆字節，遠超過條碼；（3）安全性高，可通過循環冗余檢查和數據加密保護信息，防止篡改；（4）受環境影響小，可穿透非金屬覆蓋物，適應高溫等惡劣條件，且在無光環境下工作；（5）可重復利用，標簽內的數據可更改。2.RFID系統組成及其工作原理（1）系統組成。RFID系統由射頻識別標簽、射頻讀寫器和信息系統組成。每個射頻標簽帶有EPC編碼，包括天線和芯片，用于存儲物體信息。射頻讀寫器負責讀取或寫入信息，包括控制器和天線，其操作距離由發射功率確定。信息系統向讀寫器發送指令，同時接收、分析和管理讀寫器傳輸的數據。2.3射頻識別技術（RFID）（2）工作原理。RFID系統的工作原理如圖2-3所示。射頻讀寫器通過天線發送射頻信號與射頻識別標簽實現非接觸耦合（NoncontactCoupling），驅動射頻識別標簽通過內部天線發送數據信號，射頻讀寫器依序接收信號并進行解碼，校驗數據的準確性后將其發送至信息系統進行進一步處理。圖2-3RFID系統工作原理2.3射頻識別技術（RFID）3.RFID在農業中的應用（1）農產品種植管理。使用RFID和傳感器監測土壤、水質、氣象、農藥使用等信息，記錄在RFID標簽內，通過閱讀器傳輸到數據庫，實現農產品的精細管理。（2）畜禽養殖管理。為每頭豬佩戴唯一編號的RFID電子耳標，記錄相關信息，形成完整的養殖檔案，與管理系統實現信息關聯，提高養殖過程的追溯和管理效率。（3）農產品溯源。運用RFID、傳感器、GPS等技術獲取農產品產業鏈上各環節信息，結合數據庫技術建立溯源系統，實現對農產品的追蹤和質量鑒別。2.4二維碼技術二維碼是一種數字化編碼和自動識別技術，由黑白兩色的幾何圖形按照規律排列形成。與一維碼相比，二維碼在信息存儲、容錯能力等方面有所提升，廣泛應用于移動支付、電子證照、產品溯源等場景。二維碼分為堆疊式和矩陣式，它們的編碼原理和結構形狀有所不同。1.二維碼應用系統二維碼應用系統是以二維碼存儲和表示信息的計算機信息系統，由二維碼生成設備、二維碼標簽、二維碼識讀設備和信息處理系統構成，如圖2-4所示。系統功能效果受條碼設計、條碼質量、識讀設備質量等因素的影響。圖2-4二維碼應用系統構成二維碼生成設備生成二維碼標簽，二維碼標簽承載信息，二維碼識讀設備進行掃碼、譯碼，并將信息傳輸至信息處理系統，信息處理系統分析、管理所接收的信息。2.4二維碼技術2.二維碼技術在農業中的應用在農業領域，二維碼主要作為一種信息載體和信息傳輸接口，用于農產品溯源，以保障農產品質量安全，提高數據查詢和共享效率。在農產品生產、流通過程中，各環節依次將農產品生產及流通的相關信息存儲至二維碼中，生成二維碼標簽，隨農產品流向市場。當農產品最終到達消費者手中時，消費者通過條碼識讀器掃描二維碼，即可查看農產品的原始生產流通信息。2.5無線視頻監控無線視頻監控是將監控技術與無線傳輸技術結合，通過無線傳輸傳遞監控信息，解決了傳統布線復雜的問題。1.無線視頻監控的特點（1）成本低。無線監控無需電纜，減少了材料和施工成本。系統簡單，故障率低，維護成本由網絡供應商負責，因此維護成本低。（2）實用性強。廣泛應用于安全監控、交通監控、家庭監控等領域，不受地形、環境影響，減少監控盲區，具有強大實用性。（3）擴展、移動方便。增加監控點只需增加設備，無需新建傳輸網絡；改變監控點只需移動設備；用戶可通過移動設備實現異地全天候監控。（4）網絡信號易受影響。無線系統優勢顯著，但容易受天氣、建筑物遮擋等影響，信號強度降低，同時容易受其他無線信號干擾。2.無線視頻監控系統組成無線視頻監控系統（WirelessVideoMonitoringSystem）由信息采集、無線傳輸和信息管理組成，其中攝像頭是基礎設備，無線傳輸系統采用Wi-Fi、4G、5G等技術，信息管理系統負責接收、存儲、處理監控信息。然而，無線視頻監控也受到天氣和信號干擾等影響。2.5無線視頻監控3.無線遠程多節點視頻監控系統(PMP+WLAN)傳統農業監控模式存在鋪設電纜、高成本、難以維護的問題。Wi-FiP2P模式依賴于光纖電纜，限制了農業圖像和視頻數據的采集。為解決問題，無線遠程多節點視頻監控系統采用MeshWLAN組網技術，通過無線通信和點對多點無線技術實現大范圍的無線遠程視頻監控。系統利用信號頻率調制解調技術減少設備之間的無線干擾，顯著降低了設備成本。用戶通過手機、平板、筆記本等設備實時查看監控信息，系統管理員可通過平臺發送操作指令，實現對分布在固定區域的節點的控制。系統的具體部署方式包括在MeshWLAN覆蓋區域內布設能接入WLAN的監控設備，采用多點組網方式進行遠程監控，通過MeshWLAN網絡傳送監控視頻信號至網絡中心。網絡中心配備多通道硬盤錄像機和大容量存儲系統，實現監控視頻的存儲和管理。網絡中心還使用無線控制器或集中式網絡管理系統對無線WLAN設備進行統一管理，從而實現對監控設備的遠程管理。2.5無線視頻監控無線遠程多節點視頻監控系統可以實時、直觀、詳細地對監控信息進行記錄，方便相關人員進行管理，該系統主要具有以下特點：（1）通過無線網絡傳輸監控信息，擺脫了有線網絡的限制，構建靈活高效的系統。（2）不需要實地布線，使得監控材料、設備安裝、設備維護等成本均有所降低。（3）數字視頻監控設備可通過IP基礎實現全球通信，實現遠程監控。（4）采用MeshWLAN自組網方式，具有高效統一管理和實時網絡修復的優勢。（5）支持WLAN的IP攝像機采集和處理視頻信息，可以通過Wi-Fi或無線網橋傳輸數據。2.6北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統（BDS）是中國自主研發的全球衛星導航系統，與GPS、GLONASS同為成熟的衛星導航系統。北斗系統在全球提供服務，于2020年推出北斗三號系統，服務范圍逐步擴大。系統構成包括空間段、地面段和用戶段。空間段由GEO、IGSO、MEO三種衛星組成，提供定位導航授時功能；地面段包括主控站、注入站、監測站等地面設施；用戶段由基礎產品（芯片、模塊、天線等）、終端設備和應用系統組成。北斗系統采用“三球交匯”原理，通過衛星發射信號和導航電文，用戶接收設備同時獲取至少三顆衛星信號，測量信號傳輸距離，通過星歷確定衛星空間坐標，最終解算用戶設備位置。系統可用于定位、測速、授時，全球范圍內定位精度優于10m，測速精度優于0.2m/s、授時精度優于20ns。此外，北斗系統還提供短報文通信、國際搜救、星基增強、精密單點定位、地基增強等服務。短報文通信是北斗系統特有功能，包括亞太區域和全球短報文通信，通過衛星信號傳輸信息，即使通訊、供電條件受影響，仍能滿足通信、定位需求。2.6北斗衛星導航系統北斗定位導航技術在農業中的應用包括：（1）采集農產品產量分布信息。安裝北斗定位系統和農產品流量傳感器，實時獲取經緯度信息，自動計算農產品產量，建立產量分布圖。（2）采集農田、