传感器在智能温室控制中的应用(编辑修改稿)

传感器在智能温室控制中的应用(编辑修改稿)内容摘要：

具有广阔的应用前景。 (3)智能化 智能化农业即利用智能化家业信息技术来指导农业生产。 以农业专家系统为代表，它是一种拥有高层次、多方面农业专家知识、并能模仿人类的推理过程，在计算机上以形象、直观的方式向使用者提供各种农业问题决策咨询服务的实用软件系统。 智能化温室是基于农业科技与计算机自动控制技术于一体的新型农业，它是现代农业科技向产业转化的物质基础。 栽培者通过使用计算机管理系统对温室内温湿度等环境因子进行自动检测，并实时存储，同时通过控制算法对环境因子进行调节，驱动执行机构，为作物生长创造一个良好的生长环境。 目前PID 控制 ，模糊控制等人工智能技术在温室控制中得到重视并逐步发展。 (4)无线通讯技术 随着温室技术的不断发展，温室面积逐渐扩大，且温室作物对温室环境要求越来越高。 所以在容积大的温室系统中，各测控点分布范围广、数量多、距离远，因此铺设电缆难度大，布线困难。 采用无线通讯技术在温室控制系统中运用有着非常现实的意义。 传感器之间通过无线传输协议，不但提高了温室作物的测量精度，而且布线少，方便，美观。 目前在各种无线通讯技术中， GPRS 和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包 (Packet)式来传输，因此使用者所负担的费 用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。 短距离无线通信中，基于 Zigbee 技术的无线传感器网络，也开始受到广泛的关注。 机电 082 05 号 李进 传感器在智能温室中的应用 5 传感器的现状及其发展趋势 1 微型化（ Micro） 为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被 各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。 就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度 /加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、 PH 值、离子浓度及生物分子浓度等。 2 智能化（ Smart） 智能化传感器（ Smart Sensor）是 20 世纪 80 年代末出现的另 外一种涉及多种学科的新型传感器系统。 此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。 目前，智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期，具有代表意义的典型产品是美国霍尼韦尔公司的 ST3000 系列智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器，以及另外一些含有微处理器（ MCU）的单片集成压力传感器、具有多维检测能力的智能传感器和固体图像传感器（ SSIS）等。 与此同时，基于模糊理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化传感器系 统的研究和发展中的重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。 需要特别指出的一点是：目前的智能化传感器系统本身尽管全都是数字式的，但其通信协议却仍需借助于 4~20 mA 的标准模拟信号来实现。 一些国际性标准化研究机构目前正在积极研究推出相关的通用现场总线数字信号传输标准；不过，在眼下过渡阶段仍大多采用远距离总线寻址传感器（ HART）协议，即Highway Addressable Remote Transducer。 这是一种适用于智能化传感器的通信协议，与目前使用 4～ 20mA 模拟信号的系统完全兼容，模拟信号和 数字信号可以同时进行通信，从而使不同生产厂家的产品具有通用性。 目前，智能化传感器多用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量，如美国霍尼韦尔公司的 ST3000 系列全智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器就属于这一类传感器。 另外，智能化传感器在空间技术研究领域亦有比较成功的应用实例。 在今后的发展中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。 可以预见，新兴的智能化传感器将会在关系到全人类国民生的各个领域发挥越来越大作用。 3 多功能传感器（ Multifunction） 如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的 机电 082 05 号 李进 传感器在智能温室中的应用 6 物理量。 由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。 随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。 多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一 个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。 如将某些类型的传感器进行适当组合而使之成为新的传感器，如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。 又如，为了能够以较高的灵敏度和较小的粒度同时探测多种信号，微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件；这种组配方式的传感器不但能够输出模拟信号，而且还能够输出频率信号和数字信号。 从目前的发展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器了，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。 从实用的角度考虑，多功能传感 器中应用较多的是各种类型的多功能触觉传感器，譬如人造皮肤触觉传感器就是其中之一，这种传感器系统由 PVDF 材料、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。 据悉，美国 MERRITT公司研制开发的无触点皮肤敏感系统获得了较大的成功，其无触点超声波传感器、红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、气体传感器等在美国本土应用甚广。 4 无线网络化（ wireless worked） 无线网络对我们来说并不陌生，比如手机，无线上网，电视机。 传感器对我们来说也不陌生，比如温度传感器、压力 传感器，还有比较新颖的气味传感器。 但是，把二者结合在起来，提出无线传感器网络（ Wireless Sensor Networks）这个概念，却是近几年才发生的事情。 这个网络的主要组成部分就是一个个可爱的传感器节点。 说它们可爱，是因为它们的体积都非常小巧。 这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。 更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器 传 感器网络有着巨大的应用前景，被认为是将对 21 世纪产生巨大影响力的技术之一。 已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。 随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。 以下简要介绍传感器网络的一些应用。 (1)军事应用 传感器网络研究最早起源于军事领域，实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。 现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器 密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据；在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。 传感器网络的上述特点使得它具有重大军事价值，可以应用于如下一些场景中： 监测人员、装备等情况以及单兵系统：通过在人员、装备上附带各种传感器，可以让各级指挥员比较准确、及时地掌握己方的保存状态。 通过在敌方阵地部署各种传感器，可以了解敌方武器部署情况，为己方确定进攻目标和进攻路线提供 机电 082 05 号 李进 传感器在智能温室中的应用 7 依据。 监测敌军进攻：在敌军驻地和可能的进攻路线上部署大量传感器，从而及时发现敌军的进攻行动、争取宝贵的应对时间。 并可根据战况快速调整和部署新的传感器网络。 评估战果：在进攻前后，在攻击目标附近部署传感器网络，从而收集目标被破坏程度的数据。 核能、生物、化学攻击的侦察：借助于传感器网络可以及早发现己方阵地上的生、化污染，提供快速反应时间从而减少损失。 不派人员就可以获取一些核、生、化爆炸现场的详细数据。 (2)环境应用 应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需派人现场维护的优点。 通过 密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径传感器网络研究在环境监测领域已经有很多的实例。 这些应用实例包括：对海岛鸟类生活规律的观测；气象现象的观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观观测等 洪灾的预警：通过在水坝、山区中关键地点合理地布置一些水压、土壤湿度等传感器，可以在洪灾到来之前发布预警信息，从而及时排除险情或者减少损失。 农田管理：通过在农田部署一定密度的空气温度、土壤湿度、土壤肥料含量、光照强度、风速等传感器，可以更好地对农田管理微观调控，促进农作物生长。 (3)家庭应用 建筑及城市管理各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内，获取室内环境参数，从而为居室环境控制和危险报警提供依据。 智能家居：通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器，感知居室不同部分的微观状况，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，提供给人们智能、舒适的居住环境。 建筑安全：通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等传感器，发现异常事件及时报警，自动启动应急措施。 智能交通：通过布置于道路上的速度、识别传感器，监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，发现 违章能及时报警和记录。 反恐和公共安全通过特殊用途的传感器，特别是生物化学传感器监测有害物、危险物的信息，最大限度地减少其对人民群众生命安全造成的伤害。 无线传感器网络是新兴的通信应用网络，其应用可以涉及到人类生活和社会活动的所有领域。 因此，无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，需要各种技术支撑。 目前，成熟的通信技术都可能经过适当的改进和进一步发展，应用到无线传感器网络中，形成新的市场增长点，创造无线通信的新天地。 机电 082 05 号 李进 传感器在智能温室中的应用 8 传感器在智能温室控制中的应用现状 国外智能温室的发展现状 将计算机技术用于温室控制始于 20 世纪 60 年代，到 80 年代中期，用于温室中的计算机在日本已有 1000 多台，荷兰 5000 多台。 目前，荷兰、以色列、美国等发达国家可以根据温室作物的要求和特点，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，美国和荷兰还利用温室管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。 日本和荷兰还研究了一系列用于植物组织增殖、嫁接、育苗、采收等的机器人，大大提高了劳动效率。 另外，奥地利、美国、日本等国家目前建造了世界上最为先进的植物工厂，采取完全封闭生 产、人工补充光照，全部采用电脑控制和采用机器人或机械手进行播种、移动作业、采收等。 以色列温室环境控制系统是现阶段国际比较典型的代表性产品，具有很强的实用性，可以根据控制对象的特点选用不同类型的控制器及外围设备，充分实现现代化温室内部的环境需求。 具体特点包括 :具有一个综合性的、实用灵活的、有许多控制应用程序构成的软件包。 可监测温度、湿度、风速、风向、光照、 CO雨量等数据。 主控机与控制网络之间的通信可以通过电缆、无线或移动电话等方式进行。 软件基于 Windows 平台，以图表形式实现实时监测，可进行编程及数据存 储。 随着信息技术的发展，美国、加拿大等国又提出了精确农业的概念，核心是根据当时当地测定的实际需要确定对作物的投入，应用精确农业技术可在减少投入的情况下增加产量、提高农产品质量，降低成本、减少环境污染、节约资源和保护生态环境。 国内智能温室的发展现状 在我国将计算机应用于温室控制开始于 20 世纪 70 年代中期，自 70 年代末起，我国陆续从以色列、美国、日本、荷兰等国引进了许多先进的现代化温室，在吸收国外发达国家高科技温室生产技术的基础上，我国科研工作人员进行了温室内部温度、湿度、光照、 CO2 浓度等环境因子 控制技术的综合研究。 到。