基于智能感知技术的“智慧农业”构建

2021-07-22王篮仪

江苏通信 2021年3期

关键词：智慧农业激光雷达温湿度

王篮仪

三亚学院

0 引言

随着面部识别、语音命令、眼球跟踪和手势控制等“感知技术”的兴起，一系列新兴产业出现，例如，基于物联网的智能城市、智慧农业。作为这一系列新兴产业的基础，物联网感知技术和相关仪器设备的开发尤为重要。

1 智慧农业应用的主要传感器技术

智慧农业涉及的传感技术包含较广，常用的基础类传感器主要有温湿度检测传感器、光照检测传感器、气体浓度检测传感器、无线传输模块等，更高一级的是结合高清摄像头、雷达等，达到“无人管理”也能实时对农作物进行监测的目的。

1.1 温湿度传感器

温湿度传感器的使用已经非常广泛，其是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量，除了在智慧农业中的应用，还包括智能家居、食品、档案管理、温室大棚、药品储存等领域。在智慧农业构建中，常用的温湿度传感器是含有已校准数字信号输出的DHT11数字温湿度传感器，其应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有可靠性与卓越的长期稳定性，成本低、相对湿度和温度测量、快响应、抗干扰能力强、信号传输距离长、数字信号输出、精确校准。

1.2 光照传感器

光照传感器主要应用于农作物生长监测，比如，大棚农作物的种植，需要利用光照传感器来检测光照强度是否符合农作物生长的要求，以确保农作物在合适的光照强度下生产，达到高产高品质的目的。常用的光照传感器如BH1750数字型光照检测模块，采用GY-30 数字光模块进行光照采集，内置16位模数转换器，可以直接输出一个数字信号；可以直接连接单片机，不再需要AD转换，BH1750FVI是I2C 总线接口，且支持f/s 模式，光谱的范围和人眼较为相近，具有宽范围、高分解的特点，能测量较为微弱的光源光照度，且受红外线的影响很小。

1.3 气体浓度检测传感器

在农作物监测中，主要监测的气体浓度是二氧化碳，特别是大棚农作物的种植中，二氧化碳浓度的监测尤其重要。所有的植物都需要吸收二氧化碳进行光合作用，大棚中二氧化碳的浓度直接影响农作物的品质，为了实时监测农作物的二氧化碳浓度是否充足，二氧化碳浓度检测传感器就非常有必要。常用的光照传感器如HDC1080，是具有集成温度传感器的数字湿度传感器，能够以低功耗提供出色的测量精度，支持较宽的工作电源电压范围，具有低成本、低功耗优势。

1.4 无线传输模块

要想真正实现全自动化管理，无线传输模块必不可少，其能将整个农作物系统的监测数据传输到人机交互界面，管理者可通过手机端或者其他人机交互界面实时了解农作物的各项生产指标，及时调整影响环境的各项指标。常见的有NRF24L01无线传输模块，采用FSK调制的无线通信通信芯片，具有特定的通信协议，能按照实际需求进行一对一或一对六的无线通信。

1.5 高清摄像头

摄像头一般提供RGB数据，缺少深度信息，虽然可以利用双目摄像头采集深度信息，或者用算法基于单目摄像头做深度信息的融合，但是在实际使用过程中的误差很大，而且单目摄像头在每次使用前都需要做标定，非常麻烦，因此，业界一般只采集摄像头的RGB信息。目前，基于摄像头的感知技术已经发展得比较成熟，在智慧农业的系统中，结合其他传感器再加上高清摄像头，可以实现摄像头的上下左右移动，实现360°无死角实时监测，管理者无需现场实时监督，只需要发现异样再做处理，在很大程度上减少了管理者的工作量。

1.6 雷达

智慧农业常用的雷达是激光雷达。激光雷达的数据是可以描绘3D信息的点云数据。点云是一个一个点，每个点都有自己的空间坐标信息，含有其反射率和方向等信息。激光雷达有两款形式：固态激光雷达和机械式激光雷达。区分主要在于激光发射器是固定的还是运动式的。受益于工作原理，激光雷达受雨天、雾天、雾霾天的影响比较小，雨天虽然在点数上会有缺失，雾霾天在空间上会有噪点，但都可以通过简单的算法加以解决。

通过激光雷达监测动植物生长情况，有利于提高农业产量，并更有效地利用土地。因此，激光雷达技术的不断发展正在为未来的农业领域做准备。

2 智能感知技术在“智慧农业”中的实际应用

2.1 智慧农业的提出

党的十九届五中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》，对新发展阶段优先发展农业农村、全面推进乡村振兴作出总体部署，为做好当前和今后一个时期“三农”工作指明了方向，智慧农业将是农业建设的新方向，智慧农业包含食品安全、农资管控、智能园区、标准生产、精梳物流、电子商务六大模块。智慧农业即将物联网技术运用到传统农业中去，运用传感器和移动平台或者电脑平台对农业生产进行控制，使传统农业更具“智慧”，显然智慧农业将依托智能感知技术获得高效发展。

2.2 智能感知技术在智能农业园区中的应用

2.2.1 智能农业园区系统工作框架

在实际应用中，通常采用单片机作为核心技术，结合智能传感器模块以及无线传输模块，组成两个功能模块，分别是主要负责数据检测和处理的从机、负责数据设置和整体监控的主机。其中，从机主要对实时温湿度、光照度以及二氧化碳浓度等影响农作物生长的因素进行信息采集，并将采集到的数据传输到其主控单元单片机，单片机进行数据的处理后经过无线传输模块将数据传输到主机，主机单片机对数据进行处理后送达至显示模块显示。当采集到的数据超过系统预设的报警值，主机的报警模块会进行报警，用户能利用键盘进行报警值的调整。综合以上技术，达到对园区环境的监测及报警的目的。

2.2.2 智能农业园区系统设计

该设计以51单片机为系统的核心，从机通过DHT11温湿度传感器和BH1750光照传感器实时采集园区的环境信息，并将温湿度和光照度在LCD12864上显示，同时，通过NRF24L01的无线传输将检测到的温湿度和光照度传输到主机，主机接收到信息后LCD12864会对接收到的环境参数进行显示，并且会根据用户设置的上限值进行监测报警与控制。

整个智能园区系统包括传感器检测模块、数据处理模块、数据显示模块、无线传输模块及控制模块，最终达到无线远距离检测智能园区环境的目的，设计电路如图1—2所示。

图1 智能园区系统从机

图2 智能园区系统主机

除了利用以上基本的温湿度传感器模块、光照传感器、以及无线传输模块进行园区系统的设计，还可以结合二氧化碳传感器、高清摄像头以及激光雷达技术进行系统的升级，使整个智能监测系统更加完善，性能得到更大提升，同时，以精度更高的农作物环境监测传感器为开发方向，最大化地优化智慧农业系统性能。

2.3 智能感知技术在食品安全上的应用

“两会”中，“食品安全”成为非常重要的一项内容，“食品安全问题”不止一次被提出，全社会都在关注“食品安全”问题。智能感知技术在食品安全检测中也有一定的应用：（1）目前研发出来的传感器可以检测出部分的食品加工成分，比如，白酒、蜂蜜等的葡萄糖成分；（2）研制的电流型二氧化硫酶电极，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料，可以测定一定线性范围的亚硫酸盐含量；（3）Yamazaki等科学研究人员研究出了一种电流式生物传感器，利用人造酶进行有机磷杀虫剂的测定。

不难发现，智能感知技术并不只是一种“高高在上”的技术，而是当今人们生活和高科技行业都必不可少的重要技术，贴近生活，用之生活。

3 智能感知技术的优势

与传统传感器相比，智能传感器具有以下优势：（1）补偿功能。在信号检测过程中，具有补偿非线性误差、温度变化以及由此产生的信号零点漂移和灵敏度漂移、响应时间延迟，噪声和交叉感应的影响等功能；（2）自诊断功能。在接通电源后系统会进行一次自检，系统开始工作以后也能自检，系统发生故障时可以自诊断，确定故障原因及部位等；（3）自校准功能。能够实现设置和检查系统参数，测试过程中自动转换量程、自动计算被测参数等；（4）数据自动存储、分析以及处理和传输等；（5）主控单元模块和主传感器之间具有双向通信的功能。