如何提升农业信息感知？——农业信息传感器

传感器是智慧农业的源头，通过各类农业传感器感知农田、农业设施、畜牧养殖、水产养殖等生产环节的各种信息，还可获取作物信息、农田环境信息、农机作业信息等，分析与处理采集的环境信息，最终形成可提供决策支持的信息命令，为精细农业提供更加丰富的实时信息，为农业生产提供智能化、智慧化管理。

（1）溶解氧传感器

溶解氧传感器是指用来检测溶解在水中的分子态氧的一种仪器，其检测结果是评定农业水产养殖中水质优劣、水体被污染程度的一个重要指标。目前，溶解氧传感器包括电化学型、化学型、光学型等3种类型（表8-1、图8-8）。

表8-1　溶解氧传感器比较

图8-8　溶解氧传感器

化学型溶解氧传感器的工作原理是，利用氯化锰和碱性碘化钾试剂加入待测水样中生成氢氧化锰沉淀，2价锰被溶解氧氧化成4价锰，生成Mn2O3棕色沉淀，随后加入硫酸酸化的KI反应生成I2，用淀粉做指示剂，利用硫代硫酸钠滴定析出的碘计算溶解氧的含量。这种传感器测定简单、结果准确、重现性好。但测定时间长，操作烦琐，并需要消耗大量的化学药品。针对碘量法的不足，许多研究对其进行了修正与改进，主要有叠氮化钠修正法、高锰酸钾修正法等。

Clark型溶解氧传感器以铂或金做阴极，银做阳极，KCl溶液通常作为电解质。当阴阳两极间受到一定外加电压时，溶解氧会透过透氧膜，在阴极上被还原产生的扩散电流与氧浓度成正比，从而测定溶解氧含量。极谱型传感器工作时，电解质参与反应，必须隔一段时间添加电解质。极谱型电极使用寿命长，但其价格昂贵。

原电池型溶解氧传感器电极的阴极由对氧具有催化还原活性比较高的贵金属（Pt、Au、Ag）构成，阳极由不能够极化的金属（Pb、Cu、Cd）构成，电解质采用KOH、KCl或其缓冲溶液。原电池型溶解氧传感器通过氧化还原反应在电极上产生电流，生成K2HPO3时向外电路输出电子，这时会有电流产生通过，根据电流的大小就可以求出氧浓度。原电池型溶解氧传感器电极不需要外部提供电压，也不需要添加电解液或维护更换电极膜，测量更加简单方便，但是阳极的消耗会限制其使用寿命。

电位溶解氧传感器是利用不同的氧气浓度产生的电位建立线性方程，从而对水中溶解氧含量进行测定。一般主要是利用结构中有氧缺陷、对氧敏感的物质作为电极，主要有IrO2、RuO2、ZrO2等。

分光光度法溶解氧传感器根据I3与罗丹明B在硫酸介质中反应生成离子缔合物在360 nm波长处有最大吸收，然后进行溶解氧的测定，结果发现该方法具有操作简单、测量快速、准确度高的优点。

荧光猝灭原理溶解氧传感器是基于分子态的氧可以被荧光物质的荧光猝灭效应原理而设计的，具有稳定性、可逆性好，以及响应时间短和使用寿命长的特点。

（2）水体酸碱度传感器

酸碱度（pH）指溶液中氢离子浓度，标示了水的最基本性质，对水质的变化、生物繁殖的消长、腐蚀性、水处理效果等均有影响，是评价水质的一个重要参数。目前，水体酸碱度传感器主要分为光学pH传感器、电化学pH传感器、质谱pH传感器、光化学pH传感器4类。其中光学pH传感器根据其原理不同又可分为荧光pH传感器、吸收光谱pH传感器、化学发光pH传感器3种（表8-2、图8-9）。

表8-2　水体酸碱度传感器比较

图8-9　水体酸碱度传感器

不同类型pH传感器的工作原理不同，光学pH传感器中，荧光pH传感器的工作原理是利用不同pH的被测样品发出的荧光经反射后的光路径的不同测定；吸收光谱pH传感器的工作原理则是利用不同pH被测样品对光谱的吸收程度不同，从而测定样品的pH值；化学发光pH传感器的工作原理则是处于基态的分子吸收反应中释放的能量，跃迁至激发态，然后激发态的分子以辐射的方式回到基态，伴有发光现象，通过检测发光的强度来确定被测物质含量。

电化学pH传感器的工作原理则是以电极为传感器，将待测物的化学信号直接转变为电信号来完成对待测组分的检测；质谱pH传感器工作原理则是通过使样品各组分发生电离，不同质荷比的离子经过电场的加速作用形成离子束，在质量分析器中的离子束发生速度色散，再将其聚焦确定质量，从而对样品的结构与成分进行分析。

光化学pH传感器工作原理则是利用光学性能随着氢离子浓度的变化发生相应改变，通过光纤或其他光传导方法把白光或某种特定波长下的光导入检测器中，检测模块的反射光、透射光或发出的荧光信号随着离子浓度变化而变化，对变化的光信号进行处理和分析便可得出所测溶液的pH值。(www.xing528.com)

（3）水体温度传感器

水体温度是水产养殖监测基本参数，其传感器大致分为电阻式、PN 结式、热电式、辐射式等四种类型。四类温度传感器的工作原理各不相同，电阻式温度传感器是根据不同的热电阻材料与温度间的线性关系设计而成；PN结式温度传感器以PN结的温度特性作为理论基础；热电式利用了热电效，根据两个热电极间的电势与温度之间的函数，对其进行测量；辐射式温度传感器的原理是不同物体受热辐射其物体表面颜色变化深浅不一（表8-3）。

表8-3　水体温度传感器比较

（4）水体氨氮传感器

氨氮是水产养殖中重要的理化指标，主要来源于水体生物的粪便、残饵及死亡藻类。氨氮升高是造成水体富营养化的主要环境因素。目前，水体氨氮传感器主要有金属氧化物半导体（MOS）传感器、固态电解质（SE）传感器和碳纳米管（CNTs）气体传感器（表8-4）。

表8-4　水体氨氮传感器比较

（5）土壤含水量

土壤含水量是保持在土壤孔隙中的水分，其直接影响着作物生长、农田小气候及土壤的机械性能。在农业、水利、气象研究的许多方面，土壤含水量是一个重要参数。土壤水分传感技术的研究和发展直接关系到精细农业变量灌溉技术的优劣。

土壤温湿度传感器如图8-10所示。

图8-10　土壤温湿度传感器

（6）土壤电导率

电导率是指一种物质传送电流的能力，是利用电流通过传感器的发射线圈，进而产生原生动态磁场，从而在大地内诱导产生微弱的电涡流以及次生磁场。位于仪器前端的信号接收圈，通过接收原生磁场和次生磁场信息，测量二者之间的相对关系从而测量土壤电导率。

（7）土壤养分

土壤养分制约着作物生长发育，土壤养分的实时检测是作物良好生长的先决条件，而土壤养分传感器是获取土壤成分的主要手段。土壤养分测定的主要是氮、磷、钾三种元素，它们是作物生长的必需营养元素。目前，测定土壤养分的传感器主要分为化学分析土壤养分传感器、比色土壤养分传感器、分光光度计土壤养分传感器、离子选择性电极土壤养分传感器、离子敏场效应管土壤养分传感器、近红外光谱分析土壤养分传感器，其各具优缺点（表8-5）。

表8-5　土壤养分传感器比较

续表

化学分析土壤养分传感器的工作原理是利用常规化学滴定法，对待测样品进行测定，从而计算出待测成分的含量；比色土壤养分传感器的工作原理是以生成的有色化合物可产生的显色反应为基础，对物质溶液颜色深度进行比较或测量而确定待测样品含量；分光光度计土壤养分传感器的工作原理是利用溶液颜色的透射光强度与显色溶液的浓度成比例，通过测定透射光强度测定待测样品组分含量；离子选择性电极土壤养分传感器是将离子选择性电极、参比电极和待测溶液组成二电极体系（化学电池），通过测量电池电动势计算溶液中待测离子的浓度；离子敏场效应管土壤养分传感器的工作原理是通过离子选择膜对溶液中的特定离子产生选择性响应改变栅极电势，控制漏极电流，漏极电流随离子活度（浓度）变化而变化，从而测定待测样品组分含量；近红外光谱分析土壤养分传感器的工作原理是利用田间作物反射光谱，分析预测土壤养分含量，或利用原始土样反射光谱分析预测土壤养分含量。