面向智慧农业的无芯片射频跨域感知研究进展

随着传统农业逐渐向智慧农业转型，室温条件下具有低成本、长寿命、低功耗、小型化的检测手段对于农业环境及动植物本体指标检测至关重要，尤其对于无法进行电路有线连接的农业场景。随着器件传感和无线通信的整合，无芯片射频识别（chipless radio frequency identification, CRFID）因为具有轻量、价格合理、普适性等优势被广泛应用，CRFID标签具有理论上的“无限”寿命，代替了集成电路，成为标识传感信息融合的重要媒介，适用于农业环境、动植物生长监测、物流运输、食品品质检测等。该研究首先介绍了CRFID系统构成，以及其基本原理，指出天线是CRFID实现跨域感知的关键要素之一，随着农业场景中气体、环境温湿度、pH值等变化，天线负载敏感材料的电导率、磁导率、介电常数变化，引起CRFID标签的反向散射信号变化；其次，基于时频域标签，介绍了CRFID用于湿度、温度、气体（二氧化碳、氨气、乙烯）、pH和食品（猪肉、牛肉、鱼肉、果蔬、牛奶）检测的国内外最新研究进展，对比了相关传感器的关键性能指标；最后，针对CRFID技术的成功案例，指出了该类型传感器面临的主要研究挑战、未来研究...     

农业物联网技术应用及创新发展策略

农业是物联网技术应用的重点领域之一,也是物联网技术应用需求最迫切、难度最大、集成性特征最明显的领域。该文对农业物联网国内外技术应用现状、存在的问题以及农业领域关键应用环节进行了深入分析,在此基础上提出了农业物联网未来技术发展重点以及对策措施。农业物联网未来技术发展重点:农业物联网信息感知与识别技术,农业物联网自组织网络部署与信息传输技术,农业物联网自组织网络部署与信息传输技术,农业物联网安全监管与服务质量保障技术。农业物联网对策措施:加强农业物联网技术规范研究,加强核心关键技术产品研发,加强农业物联网技术集成平台建设,加强农业物联网产品设备检测,加强农业物联网应用布局,进一步优化和完善政策环境。该研究为中国农业物联网可持续发展提供决策参考。     

柔性可穿戴传感技术在智慧渔业中的应用进展

随着智慧渔业的发展,现代渔业中运用的先进传感设备越来越多。近年来,柔性传感技术凭借出色的可拉伸性和生物相容性,既良好地实现了刚性和植入型传感器的传感功能,又弥补了传统传感器体积重量大、生物不相容的缺陷,拓宽了传感器在渔业应用的范围,显示出巨大的应用潜力。该文系统地阐述了柔性传感装置使用的柔性材料、制造工艺、供能和通信系统,总结并分析了柔性可穿戴传感技术在鱼类运动监测、水环境监测、水产品质量检测3个方面的应用及其优缺点。最后,讨论了可穿戴设备在渔业应用中的机遇和挑战,认为其在低成本制备、多功能集成、新材料开发、应用场景的挖掘等方面具有较大的发展潜力,有广阔的应用前景,同时指出提高复杂条件下可穿戴设备传感的稳定性和可靠性、设计多参数一体化检测的微型传感系统、开发可靠的可穿戴设备自供电模块和拓展应用场景是柔性可穿戴技术在智慧渔业领域的重要发展方向。     

果园单轨运输机在轨状态感知系统研制

针对山地果园单轨运输机作业环境受限、定位精度较低等问题,该研究基于高频RFID(RadioFrequency Identification)混合测速定位方法,设计了一套果园单轨运输机在轨状态精准感知系统。感知系统以STM32F103RCT6芯片为主控单元,利用双RFID阅读器读取基准定位标签组的时间差,使用混合测速定位方法,实时计算运输机的作业状态信息;设计了移动端监测软件,通过LoRa通信模块远程获取运输机实时作业状态信息。试验结果表明,运输机在平地路况中运行稳定,感知系统计算的全程平均行驶速度为0.49 m/s,依据秒表记录计算的全程平均行驶速度为0.48 m/s,二者速度相差2%;基准定位标签组间距为3.42m时,运输机全程平均定位误差为6.18±0.60cm;基准定位标签组间距为6.84 m时,运输机全程平均定位误差为6.46±1.14 cm。该研究验证了基于高频RFID精准感知单轨运输机在轨状态的可行性,提升了运输机作业安全性和智能性,可为实现果园生产精准作业提供可靠数据支持。     

基于温度感知RFID标签的冷链厢体中温度监测

针对温度感知RFID(radio frequency identification)标签应用于冷链物流温度监测中缺乏有效数据验证的问题,该研究通过将42个温度感知RFID标签部署于冷链模拟平台中,划分了7个横截面、3个纵截面和两个层,设置了机械降温-冷链维持-自然回温3个不同阶段,同时在42个监测位点中选择7个位点同步部署了便携式温度记录仪,获取了不同条件下的温度监测数据,并与便携式温度记录仪数据和CFD(computational fluid dynamics)模拟数据进行了比较。7个温度感知RFID标签与便携式温度记录仪同步监测位点的数据表明,两种监测方法温差分布于±0.5℃范围内的数据点最多,占43.6%,温差分布于-1.0~-0.5℃区间的数据占了24.6%,考虑到2种设备自身的温度采集精度,温差在±0.8℃范围内可接的,其比例占71.3%,因此利用温度感知RFID标签进行冷链温度监测是可行的。对42个位点在3个不同阶段的温度监测数据表明,机械降温阶段各位点用时在1 h以内、冷链维持阶段大部分位点表现出温度在在0~4℃之间振荡的特征、自然回温阶段用时约49 h。深入分析机械降温阶段及冷链维持阶段不同截面的温度监测数据,结果表明3种截面均表现为降温初始阶段温度差值不稳定、稳定后具有明显的分布特征且离出风口较近降温较快的特点。以横截面2和横截面6平均温度为例,将温度感知RFID标签数据采集数据与CFD模拟数据进行比较,去除测量精度的干扰,截面2的均方根误差为0.73℃、平均相对误差为13.58%、截面6的均方根误差为0.56℃、平均相对误差为10.94%,具有较好的空间一致性。研究结果可为实现冷链物流中低成本、连续的温度监测奠定基础。     

基于Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统

根据果蔬产品冷链配送对环境监控的多测点、多要素和便捷性等方面的要求,以基于Zigbee技术的JN5139为无线节点信息处理的核心,结合温湿度传感器模块设计了采集节点,构建了车载环境中的无线传感器网络,结合嵌入式和.net技术开发了果蔬冷链配送环境信息采集上位机软件,解决了数据采集和实时监测的问题。整个环境信息采集系统在温度分别为0、5和12℃及相对湿度为90%环境下对冷藏运输车内不同位置进行了数据传输包收发率的测试。结果表明,该系统工作性能稳定,在数据采集和传输等方面均达到了设计要求,可以方便地应用于冷链运输过程中进行环境信息的采集与监测。     

农田信息传输方式现状及研究进展

综述了国内外农田信息传输方式的现状和发展趋势.根据信号传输介质农田信息传输方式可分类为有线通信方式和无线通信方式.在有线通信方式之中,CAN总线通信方式和基于掌上电脑的通信方式是其主要形式,已被应用于农业机械多传感器集成和农田信息采集;无线通信方式可分类为长距离通信(GSM,GPRS等)和短距离通信(蓝牙、ZIGBEE、RFID等).GSM,GPRS借助于移动通讯网络,实现了农业信息远程采集与设备远程监控.蓝牙、ZIGBEE和RFID则在温室环境监控、农业物流识别以及农产品溯源等方面显示出巨大潜力.未来农田信息系统的发展趋势将是嵌入式系统管理与控制网络化.     

QCM气敏传感器阵列的制备及其对鸡蛋货架期的检测

为实现鸡蛋货架期的无损检测,该文提出了基于石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM)传感器阵列的检测方法。采用浸涂法制备了4个QCM气敏传感器,分别修饰有碳纳米管、石墨烯、氧化铜以及聚苯胺敏感材料薄膜;优化传感器的敏感材料层数后,分别选择4层碳纳米管、4层石墨烯、5层氧化铜和5层聚苯胺修饰的传感器构成QCM传感器阵列,其灵敏度分别为2.05、1.37、2.31与1.70 Hz/(mg/kg),长期稳定性均高于85%,4个传感器表现出良好的重复性、回复性以及动态响应特性。进一步将所制备的QCM传感器组成阵列应用于鸡蛋货架期的检测中,采用主成分分析法(principal component analysis,PCA)、线性判别分析法(linear discriminant analysis,LDA)对不同货架期的鸡蛋样品进行区分,LDA法能够有效区分不同货架期的鸡蛋样品,区分效果优于PCA;采用偏最小二乘回归法(partial least squares regression,PLSR)建立鸡蛋货架期的回归模型,能够很好预测鸡蛋样品的货架期(R~2=0.954 7,RMSE=1.666 1 d)。结果表明,所制备的QCM传感器阵列能够实现不同货架期鸡蛋的区分和预测,研究结果为鸡蛋货架期的无损检测提供参考。     

基于物联网技术的土壤温度水分远程实时监测系统的构建和运行

物联网能够通过传感器和互联网将任何物体联系起来,为进行实时跟踪监测、管理和研究提供了有效手段。该技术在土壤生态系统研究领域具有应用前景,但在国内发展滞后亟待深入研究和拓展。本研究将物联网技术与土壤生态环境因子监测研究相结合,选择三峡库首地区典型土壤和不同施肥条件下的脐橙为对象,通过野外安装土壤剖面温度水分传感器、环境温湿度传感器、有线和无线数据传输网络硬件,同时定制开发了一套远程监控管理软件平台,构建了一个基于物联网的土壤环境远程实时监测系统。该系统是利用交叉学科优势对土壤生态因子监测和研究手段在时空范围上拓展和探索,克服了传统原位采样和测试方法带来的滞后和误差,提高了获取数据的效率和准确性。利用该系统特点通过进一步研究脐橙生长过程对土壤剖面温度水分实时动态的响应机制,可深入探讨脐橙高效生产和提高水肥利用率的措施,验证物联网技术在土壤生态因子研究中的准确性和可靠性。该系统的构建和运行,将为三峡库区优质脐橙生产提供科学依据,为土壤干旱预警、水土流失以及面源污染监测提供科学手段。     

光纤SPR传感器结合多分类器的水体DOM检测

针对单传感器难以完成水体可溶解有机物（Dissolved Organic Matter，DOM）总量与组份的测试问题，该研究提出利用光纤表面等离子共振（Surface Plasma Resonance，SPR）传感器的非特异选择性来构建传感阵列。通过对光纤SPR传感器的交叉敏感性分析，将获得的多模光纤镀以7种不同厚度金膜的传感器设计方案，膜厚为55～85 nm，使其对不同的可溶解有机物（Dissolved Organic Matter，DOM）的组份产生类似味蕾的交叉敏感性响应。利用粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）训练的BP神经网络构建3个分类器：PSO-BP（波长）、PSO-BP（谱宽）、PSO-BP（光强），实现对待测量响应信息的有效提取，并对里运河（A）、洪泽湖（B）、公园景观湖（C）、校园景观湖（D）4种水体的5种DOM组份（酪氨酸类蛋白质、色氨酸类蛋白质、富里酸、溶解性微生物代谢产物、腐殖酸）及其浓度进行预测，在洪泽湖水的色氨酸类蛋白质组份测试试验中，最高正确率可达85%。同时，对多分类器的结构参数进行试验分析，重点考察隐含层节点个数及神经网络结构对DOM组份测试的影响。试验结果表明：隐层节点数取15时可以获得最佳测试效果，通过基于传统神经网络RBF、BP与PSO-BP的比较试验可知，基于PSO-BP的3个分类器在DOM组份测试中的精度最高，对4种水体的色氨酸类蛋白质及溶解性微生物代谢产物组份测试的平均分类精度可达87.50%、86.28%。该研究结果为基于光纤SPR传感器及多分类器在DOM组份测试的应用提供依据及新的思路。     

传感器节点自主供电的环境混合能量收集系统设计

农田复杂环境及大面积监测需求对农业物联网传感器节点的供电提出了极大挑战,而环境能量收集技术则使低功耗农业物联网传感器节点的自供电及免维护成为可能。针对传统能量收集装置中收集的环境能量单一有限、装置体积大、可靠性差的问题,该文提出了一种新型混合环境能量一体化收集系统。该系统定位于环境中普遍而丰富的射频电磁波能量和振动能量,通过射频收集天线和压电陶瓷的有效结合,同时收集2种环境能量,并经整流转换成直流电能。能量收集天线使用普通FR4印刷电路板实现,工作在手机通信频段1.9 GHz(3G频段),测试的回波损耗为-20.5 d B,对电磁波能量收集的最高输出功率可达到38 mW,测得收集到的振动能量最大输出功率可达到25 mW,满足低功耗传感器节点的功率需求。该装置不仅可以有效提高系统供电的可靠性和对环境的适应能力,还大大降低了传统混合系统的尺寸,可为农业物联网快速发展中的传感器节点可靠供电问题提供参考。     

ZigBee技术在农业环境监测系统中的应用与研究

针对我国现阶段很多农村地处偏远、环境分散、易变的特点,提出了基于ZigBee的无线传感器网络在农业环境的应用方案,采用Atmel公司的低功耗控制芯片C8051F和MaxStream公司的XBee模块,并采用了星形网络的拓扑结构,实现了低功耗、低成本、低复杂度的检测系统,通过对温湿度等环境因子的检测,实现了对作物种植环境实时监测的要求。     

基于低功耗广域网的海岛水产养殖环境监测系统研制

针对海岛环境中水产养殖区域分散、工作环境恶劣、人工巡检不便等问题,设计了基于低功耗广域物联网的海岛养殖环境监测系统。系统包括集成Arduino和传感器的终端采集节点,通过LoRa技术实现数据汇总和远距离传输的汇聚网关,利用Python与PostgreSQL开发用于数据接收、存储、处理、访问和控制的后台监测系统。通过对网络拓扑复杂度、能耗等方面的评估,表明在海岛环境下部署水产养殖环境监测系统,相比传统Zigbee多跳无线传感网,采用LoRaWAN,其单跳节点覆盖范围更大,而网络复杂度、能耗等更优。测试表明该系统能以较低功耗实现整片区域内远距离数据采集,有效传输养殖区水体环境数据。网络生存期与传输可靠性测试表明,当传感器节点采用3.7 V/4 200 mAh锂电池,上传周期为30 min时,监测网络的有效生存期理论上可达2.4 a;在800 m通信范围内,发射功率为20 mW时,节点丢包率小于3.6%,具有较高的通信可靠性。该研究可为水产养殖生产和物联网应用研究提供有效参考。     

基于变距光电传感器的小麦精播施肥一体机监测系统设计

为实现小麦精播施肥过程的实时监测,确保播种作业质量,该文设计了一种基于变距光电传感器的小麦精播施肥一体机监测系统。该监测系统以STM32单片机硬件系统为下位机,通过反射式光电传感器和旋转编码器分别获取种肥流动与种肥轴转动信息,判断精播机运行状态,并通过Modbus通讯协议将信息传输至MCGS触摸屏上位机人机交互界面实时显示。下位机排种监测电路仿真测试结果表明,放大电路对种管光电传感器检测距离的改变值为4~7 mm;上下位机通讯测试结果表明,数据传输内容准确率为100%;监测系统样机试验测试结果表明,故障报警准确率≥92.5%,种肥缺失、堵塞、泄漏响应时间分别≤0.2、≤0.3、≤0.3 s。该监测系统实现了对小麦精播施肥机作业的实时高精度监测,有助于提高小麦精播机作业质量。     

基于物联网的内河小型渔船动态信息监控系统设计

为规范内河流域渔业生产秩序,保障渔船作业安全,该文设计了基于物联网的内河小型渔船动态信息监控系统。该系统集成了无线传感器网络、远程信息传输、远端后台监控等多种技术方法。其中,无线传感器网络主要用于获取包括渔船位置、电捕鱼违法监测信息和渔船超载检测信息等渔业现场数据。依靠Zig Bee技术,该网络实现了对不同类别传感器数据的汇聚、判断以及远程播发。远程信息传输是利用GPRS/GSM移动通信网络与互联网传输技术,实现了多渔船作业信息向后台监控中心的实时传输。后台渔政监控中心,具有渔船在电子地图上的识别与定位,渔业生产的实时监控以及渔政执法的决策辅助等功能。该系统经测试,可满足内河流域作业渔船在实时监管和安全保障等方面的需求,提高了农业渔政管理的水平。     

基于无线传感器网络的农田信息采集节点设计与试验(简报)

研究基于ZigBee协议的无线传感器网络技术,结合嵌入式处理器开发了无线传感器网络节点和汇聚节点。网络节点规则分布在被监测区域,负责采集土壤水分信息,并自组成网,将信息发送给汇聚节点,实现对信息的动态显示和大容量存储;节点天线分别在0.5、1.0、1.5和2.0 m 4个高度下,对小麦苗期、拔节期和抽穗期3个典型的生长时期进行试验,得出无线电信号在小麦不同生长时期,最佳天线高度下的有效传输距离,为无线传感器网络在农业中的应用提供技术支持。     

大面积水稻田无线传感器网络组网设计与优化

为解决大面积水稻田无线传感器网络能量消耗过快和丢包率严重等问题,该文提出了不同天线模式下的3种组网方案:配备全向天线的分环多跳网络、配备定向天线的多跳网络和配备混合天线的分簇多跳网络。第一组网络,处于不同环中配备全向天线节点采用多跳传输模式将数据包传输到基站;第二组网络,各级配备定向天线节点采用多跳传输模式将数据包传输至第一级节点;最后一组网络,借助于双簇头分簇思想,主簇头接受副簇头汇聚于成员节点的数据包与基站多跳通信。首先,介绍了3种网络拓扑结构间的差异;然后,从网络能耗角度,理论上分别计算了3组网络的能量消耗;仿真试验表明,混合天线分簇多跳组网方案相比定向天线多跳方案数据包个数提升了近10倍;相比全向天线分环多跳方案网络稳定周期延长了24.3%,网络寿命延长了28.2%;最后,采用无线通信模块nRF905射频芯片和TDJ-0825BKM1定向天线进行了水稻田组网试验,结果表明混合天线分簇多跳网络相比全向天线分环多跳网络丢包率降低了8.11%,平均存活时间效率提高了8.66%。该研究可为大面积水稻田无线传感器网络组网方案的设计提供参考。     

基于微波空间驻波法的叶类蔬菜含水率无损检测

蔬菜含水率是影响蔬菜品质的重要指标之一。针对传统含水率检测方法测量精度低、费时费力等问题,该研究提出了一种基于微波空间驻波法的蔬菜含水率预测方法,研发了行驻波雷达测量系统。装置包括微波振荡器、微波发射及接收天线、检波器、样品夹持器、滑轨及控制器。以常温贮存的绿叶白菜、生菜为研究对象,采用X波段微波,对测量过程中形成的空间行驻波进行分析,通过线性回归分析建立蔬菜含水率预测模型。测量结果表明,白菜、生菜含水率预测方程决定系数R2分别为0.992 0和0.991 9,预测结果与直接干燥法相比,均方根误差RMSE分别为1.188%和0.803%,性能标准误差SEP分别为1.071%和1.179%。该研究方法不受微波在空间中的多重反射影响,装置结构简单,单次测量时间小于10 s,能够实现对蔬菜含水率的快速、无损、高精度检测。研究结果为农产品检测相关应用提供参考。     

The design of porous material sensors to measure the matric potential of water in soil

In recent years the use of porous material sensors for matric potential, which were originally intended for soil drier than ?100 kPa, has been extended to wet soils. In these wetter soils, unpredictable behaviour of the sensors has been reported. We have studied the design of porous material sensors of matric potential in soil and propose a hypothesis to explain this unpredictability, and suggest recommendations for a design of sensor which will behave more reliably. The development of an experimental porous material sensor of matric potential based on this design is described. It operates between 0 and ?60 kPa, and both the drying and wetting moisture characteristics were measured. In this sensor the porous material was a ceramic and its water content was measured with a dielectric water content sensor. We tested a simple closed‐form hysteresis model to convert the measured water content of the porous material into matric potential under laboratory conditions. This was shown to give better results than using a calibration based on the drying moisture characteristic curve, where the predicted matric potentials were too small. The use of the experimental sensors in the field environment is described. Both types of sensor were installed using the same procedure. As far as we are aware the experimental sensor described in this paper is the first porous material sensor of matric potential that can be installed in the same way as a conventional tensiometer. Both conventional tensiometers and the experimental porous material sensors gave similar estimates of matric potential.     

农业生态环境监测中无线传感节点信号有效传输距离的确定

农业生态环境的物理形态和结构复杂多样,对WSN（wireless sensor networks）的无线信号传输造成不同衰减影响。为确保无线传感器网络在农业环境中经济、合理、高效部署,有必要明确典型农业环境中无线传感节点间的有效传输距离。该文基于Shadowing信号衰减模型,利用当前通用的CC2530和CC2591无线通信模块,分别选定4种不同农业环境（湖泊、草地、农田、树林）开展单跳组网试验,通过设定不同距离测试传感器节点的接收信号强度指标（received signal strength indication,RSSI）,分析不同环境中RSSI与传输距离间的变化特征。试验结果表明,所有测试环境获得的RSSI值与有效距离遵从Shadowing模型,其拟合度在0.9232～0.9846之间。通过对实测数据建立拟合模型,以接收节点的灵敏度为临界值,计算出湖泊、草地、农田、树林4种环境的理论传输距离分别为663.3,419.3,208.0和79.5 m,而实测有效传输距离与理论值之间的相对误差在22%～34%之间。从误差分布看,复杂环境的实测值更接近理论值,而特殊结构的复杂环境似对实际信号传输有增强作用。该文的研究方法和模型估算获得的信号衰减系数可为实际环境监测组网提供有益参考。