农业信息技术第二章 农业信息采集ppt课件.ppt

农业信息技术,第二章农业信息采集,计算机数据采集管理系统概述 农田生物信息的采集与处理 农田气候信息的采集与处理 土壤信息的采集与处理 设施农业环境监控与管理 农业感官智能分析技术,3,第一节 计算机数据采集管理系统概述,一、数据采集管理系统的典型结构二、数据采集管理系统的基本功能,第一节 计算机数据采集管理系统概述,一、数据采集管理系统的典型结构,第一节 计算机数据采集管理系统概述,一、数据采集管理系统的典型结构,（一）信号调理器,被采集的生物与环境特征变量（物理、化学、生物量等）经过传感器转换为方便处理的电量（一般为电压、电流、电阻和脉冲量）信号。通常系统采集的信号多为模拟信号，且为多元弱信号，易受系统自身和外界干扰，需要在系统前端添加信号调理电路（滤波器、变换器、前级放大器、隔离电路），实现阻抗变换、信号变换、滤波、放大、隔离保护等功能。,第一节 计算机数据采集管理系统概述,一、数据采集管理系统的典型结构,（二）数据采集器,多路开关MUX,测量放大器,采样保持器S/H,数模转换器A/D,完成多路信息的采集、放大和数字化处理,Analoguetodigital,第一节 计算机数据采集管理系统概述,一、数据采集管理系统的典型结构,（三）微机I/O接口（ I/O ，是input/output的缩写， 即输入输出端口）,微机接口是计算机与外界进行信息交换的通道和窗口。采集器输出的数字信号经总线送给微机接口，再经I/O通道送给微机处理。,第一节 计算机数据采集管理系统概述,一、数据采集管理系统的典型结构,将微机输出的数字信号再转换为模拟信号，以完成计算机的输出记录和对外界设备的自动控制。,（四）数模转换器,第一节 计算机数据采集管理系统概述,一、数据采集管理系统的典型结构,负责调度数据采集系统的各应用程序模块，并与系统的外部设备及时交换信息。监控程序在在线状态下，能接收来自键盘或接口的操作命令，并解释、执行，实现系统硬、软件资源的管理。,（五）应用软件与监控程序,应用软件,监控程序,是计算机数据采集管理系统的灵魂，有了应用软件才能充分发挥采集系统的功能,第一节 计算机数据采集管理系统概述,二、数据采集管理系统的基本功能,时钟功能信息采集功能 数据处理功能 数据存储功能 控制功能 自诊断功能 信息输出功能,定时采集、实时采集；单项采集、多项采集,存储实时采集的数据和历史数据,超限报警、状态自检、自动复位等,图形显示、报表打印、硬拷贝等,可以实现现场环境的调控，实现生产管理自动化,系统定时采集、分时操作都按时钟的节拍进行,第二节 农田生物信息的采集与处理,一、农田生物系统的信息二、农田生物信息采集与处理系统 三、农田生物弱信息的增强技术四、农田生物多元信息的提取技术 五、农田生物宏观形态结构信息的提取,第二节 农田生物信息的采集与处理,一、农田生物系统的信息,（一）农田生物信息的类型,农作物生理功能信息农作物结构信息 农作物病虫草害信息,微观结构宏观结构,第二节 农田生物信息的采集与处理,一、农田生物系统的信息,（二）农田生物信息的特点与研究方法,层次性,多元性,弱信息,时空分布,随空间和时间不断发生动态变化,注重实时性和空间分布差异,采用弱信息提取与恢复技术，使弱信息变强,包含于复杂的环境信息中,多种组分信息的叠加,多组分信息分离技术，运用化学计量学方法,物种不同、生长有异、结构有别,微观： 光谱/波谱/色谱/质谱；宏观： 感官定性/图形图像方法,第二节 农田生物信息的采集与处理,二、农田生物信息采集与处理系统,（一）系统组成,农田生物信息采集与处理系统由硬件和软件两部分组成。,1硬件部分,1）信息检测系统,图像传感器 光谱传感器 生理信息传感器 实验室分析仪器,1硬件部分,2）信号调理系统,农田生物信息经过信息检测系统检测后，其信息负载到具有某种能量（如光、电、热、声、磁等）的模拟量上即为模拟信号。模拟信号被计算机采集以前需要进行调理，提高信噪比。信号调理系统包括： 滤波器、积分器、调制解调器、锁相放大器和厢车式积分器等。,1硬件部分,3）计算机硬件系统,接口电路 计算机 计算机输入输出设备,1硬件部分,通过对农田生物信息的综合处理，可以发现农田生态系统更深层次的东西，根据需要，开发信息综合处理模拟优化软件，以便实现农田管理措施的优化。,2软件部分,1）信息预处理软件,方法： 数据平滑法、图谱叠加平均法、厢车式平均法、 傅里叶变换滤波法、小波变换等。,2）信息提取软件,弱信息-计算机差谱技术、计算机导数技术；多元信息-应用化学计量学多组分分析方法所编制的软件有： 逐步回归分析法（SRA）、主成分回归法（PCR）、偏最小二乘法（PLS）等。纹理特征信息-利用逐步判别法、主成分分析法、聚类分析法等。,3）信息综合处理、模拟和优化软件,（二）系统功能,二、农田生物信息采集与处理系统,第二节 农田生物信息的采集与处理,1. 农田生物信息检测,微观形态结构和组分的信息检测宏观形态结构的信息检测 生理功能的信息检测 间接信息的获得,2生物信息检测信号的调理,信噪比噪声来源 信号调理,三、农田生物弱信息的增强技术,第二节 农田生物信息的采集与处理,1系统背景的消除与降低,差谱技术导数光谱技术,2随机背景的消除与降低,数字滤波技术傅里叶变换滤波 小波变换,四、农田生物多元信息的提取技术,第二节 农田生物信息的采集与处理,方法： 化学计量学方法 操作： 通过1组待测成分含量已知的标准样品，对它们进行光谱区的全程扫描，然后通过计算机快速处理数据，建立样品组分含量与样品光谱之间的数学关系，再测出未知样品中待测组分的光谱，就可以确定其中待测成分的含量。,第二节 农田生物信息的采集与处理,五、农田生物宏观形态结构信息的提取,（一）计算机图像处理技术的概念,计算机图像处理是在计算机中把图像用数字信号的形式表达，并根据需要进行各种处理，称为数字图像处理。所谓数字图像，就是图像各点的灰度值的二维数组，把它表示为f(x,y) ，则f(i,j)表示图像f位于（i,j）处象素的同时，还表示该点的灰度。因此任何图像都可以用多个二维数组表示。,第二节 农田生物信息的采集与处理,五、农田生物宏观形态结构信息的提取,（一）计算机图像处理技术的概念,数字图像的类别,第二节 农田生物信息的采集与处理,五、农田生物宏观形态结构信息的提取,（二）图像输入方法,照片、胶片或实地拍摄的电视图像等一系列模拟图像，在输入计算机的过程中，由输入设备（用数码照相机和数码摄像机拍摄的为数字图像，可直接输入计算机）将其转换成二维阵列（XN）个象素，然后将这些点阵的灰度信息（包括色彩信息）数字化每一象元的灰度值是从0到255中的某一个值，而彩色信息是将自然界的各种颜色分解成红（R）、绿（G）、蓝（B）3种基色，每种基色又分成0到255个不同的数量级，几乎所有颜色都可用RGB三基色的含量多少来反映，农田生物色度信息就是用RGB三基色不同数量级的合成来表示。,（三）图像处理方法,第二节 农田生物信息的采集与处理,五、农田生物宏观形态结构信息的提取,1二值图像处理法,2图像变换和图像质量的改善,3图像的特征提取,几何形状结构信息的提取纹理特征信息的提取 颜色特征信息的提取,第三节 农田气候信息的采集与处理,一、农田气候信息采集与处理系统的一般构成二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成 三、农田气候信息采集处理系统应用软件,第三节 农田气候信息的采集与处理,一、农田气候信息采集与处理系统的一般构成,第三节 农田气候信息的采集与处理,二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成,气候信息采集模块数据通信输出模块单片机功能扩展模块,第三节 农田气候信息的采集与处理,二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成,（一）信息采集模块,数据采集器有1516个数据通道，由多路开关分时选通，完成空气温度、空气湿度、光辐射、地面风速以及土壤热通量等气候信息的采集。,第三节 农田气候信息的采集与处理,二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成,（二）数据通信输出模块,采集处理系统为方便数据处理、数据存储和图形显示，设置了数据通信输出通道，通过RS232C串行通信总线（适宜于30m内）和20mA电流环（远距离），将数据送入系统主机，以便对数据作进一步的处理、分析。,（三）系统功能扩展模块,为了适应农田气候信息采集、存储、处理的需要，增强单片机系统的功能，系统外扩展了程序存储器、数据存储器、输入/输出口以及定时器/计数器。,第三节 农田气候信息的采集与处理,二、农田气候信息采集处理系统的硬件构成,（四）农田自动气象站实例,澳大利亚MEA自动气象站,英国DeltaT 的WS自动气象站,三、农田气候信息采集处理系统应用软件,第三节 农田气候信息的采集与处理,第四节 土壤信息的采集与处理,一、土壤含水量的监测二、土壤养分成分的监测 三、智能化农田节水灌溉监控系统,第四节 土壤信息的采集与处理,一、土壤含水量的监测,TDR土壤水分测定系统 负压计土壤湿度监测系统 中子土壤湿度仪 电阻/电容式土壤湿度监测系统 FDR土壤水分测定系统 土壤水分遥感监测,第四节 土壤信息的采集与处理,一、土壤含水量的监测,（一）TDR土壤水分测定系统,TDR系统类似一个短波雷达系统通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来测定土壤介电常数，进而计算整个探针长度土层土壤平均体积含水量可以直接、快速、方便、可靠地同时独立监测土壤水盐状况测定结果几乎与土壤类型、密度、温度等因素无关无需埋设中子管缺点是仪器价格昂贵,TDR法的特点,第四节 土壤信息的采集与处理,一、土壤含水量的监测,（一）TDR土壤水分测定系统,TDR系统的组成,第四节 土壤信息的采集与处理,一、土壤含水量的监测,（一）TDR土壤水分测定系统,将长度为L的波导棒插入土壤介质中，高频电磁脉冲信号从波导棒的始端传播到终端，并在探头周围产生一个电磁场，由于波导棒终端处于开路状态，脉冲信号受反射又沿波导棒返回到始端。检测脉冲从输入到反射回的时间以及反射时的脉冲幅度的衰减，可以反映出土壤的电导率，继而计算土壤水盐含量。,土壤水盐的电磁测定是基于土壤的介电性质。介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系。,TDR监测土壤水盐的原理,第四节 土壤信息的采集与处理,TDR土壤水分测定系统的应用,一、土壤含水量的监测,（一）TDR土壤水分测定系统,常见的TDR土壤水分测定系统有Trase土壤水分测定系统、Trime土壤水分测定系统等。不同型号的TDR土壤水分测定系统通常有8、15、20、30、45、50、60、70、110、160cm等不同长度的波导探头可供选择;可以分别采用插入式、埋入式和管道式探头测定表土层和土壤剖面不同深度的土壤含水量,剖面湿度最深可达3m。如果与多路盒相连可以连接多个探头，实现多点土壤水分同时监测。,第四节 土壤信息的采集与处理,（二）负压计土壤湿度监测系统,一、土壤含水量的监测,土壤含水量与毛管力之间具有一定的函数关系，毛管力变化能够反映土壤含水量变化。负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示土壤水分状况,第四节 土壤信息的采集与处理,（二）负压计土壤湿度监测系统,一、土壤含水量的监测,负压计包括一个多孔的陶瓷杯和一个液压计。陶瓷杯埋于所测的土壤中，负压计内部的水分通过陶瓷杯上的微孔同土壤水分进行交换而使内外水势渐趋平衡，由于水分渗入和渗出使负压计读数发生变化，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。,第四节 土壤信息的采集与处理,（二）负压计土壤湿度监测系统,一、土壤含水量的监测,负压计结构简单、易于制造、价钱便宜、使用方便，可以在不同测点多处埋设，可进行连续多次观测。但需要提前测定土壤水分特性曲线来换算土壤含水量，安装前要注水除气、密封和标定，需要12d的土壤吸力平衡过程才能正常观测测试土壤吸力范围为00.86105Pa，土壤干燥、吸力大于0.86105Pa时会使陶瓷杯击穿，因而不适合于干旱土地，适用于灌溉地、喷灌和滴灌田。同时，负压计易于受环境温度的影响，仪器稳定性较差，观测结果具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况。,第四节 土壤信息的采集与处理,（三）中子土壤湿度仪,一、土壤含水量的监测,利用中子热化原理，快中子源发出的中子在遇到氢原子后，失去部分动能转化成慢中子，仪器根据测出的慢中子数量计算出土壤含水量。土壤含水量愈多，快中子转化为慢中子的数量也愈多，仪器可以将计数器的计数转换为土壤含水量值。,第四节 土壤信息的采集与处理,（三）中子土壤湿度仪,一、土壤含水量的监测,中子仪由探头和计数器组成。探头由快中子源和一个三氟化硼慢中子检测器组成计数器用来监测土壤散射的慢中子通道。中子仪使用方法较为简单，只需将探头插入预设的测量孔某一位置，即可测出该位置（点）周围的土壤含水量。沿测孔上下移动即可测定不同深度土层的土壤含水量，可测量多达30m深的土壤剖面含水量。,第四节 土壤信息的采集与处理,（三）中子土壤湿度仪,一、土壤含水量的监测,中子仪法的特点是能快速、周期性的反复测定深层土壤含水量而不破坏土壤，但当土壤有机质含量高时测定精度差，且仪器价格较贵，需要提前埋设铝管，导致设备成本较高，同时30cm表土层因辐射危害健康，需要采用其它方法测定。目前主要采用手工方法测量，也可改造为自动化或半自动化监测仪。,第四节 土壤信息的采集与处理,（四）电阻/电容式土壤湿度监测系统,一、土壤含水量的监测,通过测量埋入土壤中的感湿元件的电阻值得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度测量结果易受土壤盐分影响，且有滞后性,根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来测定土壤湿度受土壤盐分的影响较小,电阻式土壤湿度传感器,电容式土壤湿度传感器,第四节 土壤信息的采集与处理,（四）电阻/电容式土壤湿度监测系统,一、土壤含水量的监测,如石膏块土壤水分测定系统，通过测量石膏块内两个电极间的电阻可以显示含水量。石膏块永久埋入土壤中，寿命为35年，适用于干燥土壤环境（张力计无法使用），测量范围3100kPa。,第四节 土壤信息的采集与处理,一、土壤含水量的监测,（五）FDR土壤水分测定系统,FDR 频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数, 从而得到土壤容积含水量。FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点，在土壤干旱条件下测定结果误差小于TDR。FDR的探针类似于TDR。,Thetaprobe土壤水分测量系统，其传感器测量范围是5%55%的体积湿度，精确度为2%。,第四节 土壤信息的采集与处理,一、土壤含水量的监测,（六）土壤水分遥感监测,利用卫星遥感监测土壤水分的方法具有宏观、高时效、经济、视野广、周期快和动态条件好等特点成为区域性土壤水分和农作物干旱监测与评估的重要手段遥感技术可以迅速、大面积与多时相地获得地面信息，且具有简便、不破坏环境的特点，而且其监测点点俱到, 较容易画出土壤不同含水量区域之间的界线，便于对不同含水量区域面积的统计和分析，已成为一种监测土壤含水量的全新方法。,第四节 土壤信息的采集与处理,一、土壤含水量的监测,（六）土壤水分遥感监测,若地表有植被覆盖时，可用多谱段遥感技术来区分植物反射和土壤反射光谱，找出土壤含水量与多谱段反射率的关系，确定土壤含水量。,裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包括：一是通过热红外遥感方法获取的热图像数据推算地表温度的时空分布，二是确定土壤水分含量与地表温度之间的定量关系，推算土壤湿度的地区分布。,此外，还可采用微波遥感土壤水分和应用NOAAAVHRR数据探测土壤水分。,二、土壤养分成分的监测,第四节 土壤信息的采集与处理,（一）土壤养分的连续流动分析,连续流动分析技术（Continuous-FlowAnalysis-CFA）将样品显色与检测合为一体，使浸提样品的检测效率成倍提高德国布朗卢比公司推出的AutoAnalyzer3系统，由自动进样器、蠕动泵、化学分析盒、检测器和计算机等5个独立部分组成,二、土壤养分成分的监测,第四节 土壤信息的采集与处理,（一）土壤养分的连续流动分析,能进行在线消解、在线溶剂萃取、在线蒸馏、在线过滤、氧化还原、在线离子交换、自动稀释、自动进样，WINDOWS下全计算机自动系统控制软件，结果自动报表打印，多功能化学分析盒，高低量程转换，不用装电子除气泡装置大量应用于海水、自来水、地表水、污水、烟草、土壤、植株、肥料、食品等样品的自动检测,二、土壤养分成分的监测,第四节 土壤信息的采集与处理,（一）土壤养分的连续流动分析,二、土壤养分成分的监测,第四节 土壤信息的采集与处理,（二）土壤养分成分监测ISFET法,化学量传感器是继物理量传感器之后兴起的另一类传感器。化学量传感器的传感对象包括离子与分子。离子传感器是能把溶液中离子活度转换为电位或电流等电信号的传感器。离子传感器的基本原理是离子识别，利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电流的改变。,二、土壤养分成分的监测,第四节 土壤信息的采集与处理,ISFET（Ion Sensitive Field Effect Transistor）即离子敏场效应晶体管或称离子选择性场效应管是常见的离子传感器ISFET是由ISE 敏感膜和MOSFET 场效应晶体管组合而成的、对离子具有一定选择性的新型半导体器件，能在被测离子作用下产生相应的漏源电流IDS，以显示该种离子的浓度,（二）土壤养分成分监测ISFET法,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,其离子的主要探测元件为固态或液态的离子敏感膜，选择不同的敏感膜，可以测定不同的离子浓度。ISFET主要H+、K+、Na+、Ca2+、Cl、F、Br、I、CN、Ag+、S2、NH4+等几种。也可以将H、K、Na、Cl等离子敏感膜集成在一个芯片上，通过模拟开关使4个ISFET输出信号，分别测定离子的浓度。对于土壤营养监测来说，ISFET器件的技术关键是在于离子选择性敏感膜的研制。可以将多ISFET传感器集成到FIA（Flow Injection Analysis）系统中进行土壤营养成分的监测。也可以用ISFET连续检测土壤pH值。,（二）土壤养分成分监测ISFET法,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,（三）土壤养分测试仪,如国产土壤养分测定仪TPY-6，可测定土壤速效氮、速效磷、有效钾、全氮、全磷、全钾、有机质含量、土壤酸碱度及土壤含盐量（定量）等指标，具有存储和打印功能。,国内外已研制出适宜于野外使用的众多型号的土壤养分和肥料快速测定设备。,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,（三）土壤养分测试仪,国外生产的Rqflex 便携式反射光度计土壤养分测定仪，利用反射分光光度计原理，用于多种有机物质和无机离子的快速测定，测试的种类包括氨态氮、硝态氮、亚硝酸盐、磷酸盐、钾、硫酸盐、钙、氯、铬、钴、铜、铝、铁、铅、镁、锰、钼、镍、过氧化物、pH、酒石酸、甲醛、维生素C、葡萄糖等。,可在原地实时测量，数据随机存贮，可方便用户即时决策。仪器主要包括显色试纸、含仪器校正和控制功能的条形码、反射光度计表头三个部分,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,（三）土壤养分测试仪,利用可见和近红外光谱技术，结合数据挖掘和融合技术，研制而成的光谱法土壤养分分析仪，是一种新型土壤养分快速测试分析方法，不破坏样品，不需要化学试剂，不需要前处理，即可实现了土壤养分的实时快速测试。可以测试土壤、肥料、植株中全量的和速效的氮、磷、钾； 有机质和酸碱度，可溶性含盐量以及腐殖酸的含量,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,（四）土壤盐分的监测,大地电导仪是快速勘查大面积土壤电导率的专门仪器。土壤电导率数据包含了土壤含盐量、土壤水分、有机质含量、土壤压实度、质地结构、空隙度等土壤理化信息。 接触式土壤电导率传感器是一种电极式传感器，采用电流电压四端法，将恒流电源、电压表、电极和土壤构成回路，用车辆牵引并集成GPS系统，用于测定土壤电导率。,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,（四）土壤盐分的监测,如美国的Veris公司的Veris3100大地电导仪，有6个犁刀式电极，用车辆牵引并集成GPS系统，可同时获得030.5cm和091.5cm的土壤电导率，每隔1s记录一组数据，记录在闪存中，经过配备的专门数据处理与分析软件，就可得到农田土壤电导率分布图。,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,（四）土壤盐分的监测,非接触式土壤电导率传感器，如加拿大Geonics公司的EM38大地电导仪，重量较轻，长度也仅1m，能以极好灵敏度快速地进行勘查。主其要工作原理是在电导仪后端有一个小型发射线圈，它可以产生一个随时间变化的初级磁场，这个磁场在大地中诱导出微小电子涡流，而其前端有一个小型接受线圈，这个接受器既接受发射线圈产生的磁场，又接受由初级磁场诱导出的次级磁场，通过测量诱导出的次级磁场来测量大地电导率。其主磁场强度和副磁场强度比值与电导率呈线性关系。,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,（四）土壤盐分的监测,正常进行测定时，只要把仪器放在地上，就可记录土壤含盐量。也可以把它安装在木制滑桥上，以步行速度在地上拖着走，并用DSA70数采将数据上连续记录下来，（大约每隔0.3m记一次数），在一小时以内记下3000个数据，从而完成密集数据采集，探测深度达1.5m。配套Map图形软件可以绘制土壤含盐量地理轮廓图像。,（五）土壤样品自动化采集系统,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,土壤样品自动化采集系统系统由取样管、导向器、液压油缸、采样头定位器、移动滑道、底座加强套、液压动力单元、动力单元固定座、立柱导向固定器、支撑底座、立柱及GPS导向记录系统组成。,（五）土壤样品自动化采集系统,第四节 土壤信息的采集与处理,二、土壤养分成分的监测,将系统固定在皮卡外侧槽的顶部，通过液压油缸固定架移动滑道将取土系统向外滑出，调整好土壤取样的深度，利用系统提供的两根辅助固定杆将系统固定在皮卡货物箱的顶部，然后使液压油缸处于直列状态。将液压动力单元上的两条动力线直接连接在拖拉机电瓶上，按动控制按键上的“上升”和“下降”按钮即可完成土壤的取样工作。土壤样品取出后放在塑料袋内保存，将GPS取样点坐标记录在土壤样品袋标签上。,三、智能化农田节水灌溉监控系统,第四节 土壤信息的采集与处理,（一）系统构成,多路传感器系统信息采集主机、微机及外设等,三、智能化农田节水灌溉监控系统,第四节 土壤信息的采集与处理,1传感器,（一）系统构成,水势水位温度离子总浓度相对湿度,2系统主机,程控多路开关阵列衡流源隔离变送放大器12位A/D变换器,三、智能化农田节水灌溉监控系统,第四节 土壤信息的采集与处理,（二）系统功能,1信息采集 2信息处理与显示3信息管理4灌溉管理,第五节 设施农业环境监控与管理,一、温室环境监控与管理二、果蔬贮藏环境监控与管理,一、温室环境监控与管理,第五节 设施农业环境监控与管理,温室要求对温室内温度、湿度、光照、CO2等环境因子进行监控，需要采集环境信息和实现实时控制。,计算机监控系统软硬件构成如图,温室环境监测系统软件界面,一、温室环境监控与管理,第五节 设施农业环境监控与管理,温室环境监测系统状态显示界面（一）,一、温室环境监控与管理,第五节 设施农业环境监控与管理,温室环境监测系统状态显示界面（二）,一、温室环境监控与管理,第五节 设施农业环境监控与管理,温室环境监测系统环境因子变化曲线图,一、温室环境监控与管理,第五节 设施农业环境监控与管理,（一）温室环境监测系统,1温度、湿度监测2光合有效辐射的监测3CO2浓度监测,温室环境监测系统传感器组成,一、温室环境监控与管理,第五节 设施农业环境监控与管理,（二）温室环境控制系统,计算机根据传感器的实际测量与事先设定的目标值进行比较然后决定温室环境的控制过程，控制相应机构进行温度调节（加热、冷却）、湿度调节（加湿、去湿）、光照调节（补光、遮荫）、CO2浓度调节（通风、人工增施CO2）等,温室环境控制系统示意图,一、温室环境监控与管理,第五节 设施农业环境监控与管理,温室环境监控管理系统,二、果蔬贮藏环境监控与管理,第五节 设施农业环境监控与管理,（一）果蔬冷库储藏方法与原理,二、果蔬贮藏环境监控与管理,第五节 设施农业环境监控与管理,（二）果蔬贮藏环境监控管理系统,是一个二级计算机监控管理系统，由智能监控站、通信总线、调控设备与管理计算机组成。,智能监控站串行通信总线 中心管理机,数据库管理 图形管理 网络化管理,贮藏现场以单片机为中心的智能化系统,第六节 农业感官智能分析技术,一、机器视觉技术及其应用二、电子鼻技术及其应用 三、电子舌技术及其应用,第六节 农业感官智能分析技术,一、机器视觉技术及其应用,（一）机器视觉的概念、原理与发展,机器视觉是指利用计算机模拟人眼的视觉功能，从图像或图像序列中提取信息，对客观世界的三维景物和物体进行形态和运动识别, 最终用于实际检测、测量和控制。机器视觉是20世纪70年代初期在遥感图像处理和医学图像处理成功应用的基础上兴起的，随着计算机、控制理论、模式识别、人工智能等技术的发展，已广泛应用于军事技术、科学研究、医疗卫生、工农业生产等领域,第六节 农业感官智能分析技术,一、机器视觉技术及其应用,（二）机器视觉系统构成及其关键技术,机器视觉系统由图像采集、图像处理和分析、输出或显示等三部分组成。,典型机器视觉系统模块组成,第六节 农业感官智能分析技术,一、机器视觉技术及其应用,（二）机器视觉系统构成及其关键技术,光源相机 图像采集卡,图像采集技术,图像预处理技术,视觉信息模式识别,图像特征提取技术,图像增强几何变换 图像复原,形状特征提取,颜色特征提取,纹理特征提取,图像特征优化,特征提取特征选择学习和训练分类识别等步骤,第六节 农业感官智能分析技术,（三）机器视觉技术的农业应用,一、机器视觉技术及其应用,1. 水果自动分选2. 种子和粮食品质检测 3. 农产品中异物检测 4. 农业机械自动化作业 5. 植物生长状况监测 6. 动物生长状况监测,第六节 农业感官智能分析技术,二、电子鼻技术及其应用,（一）电子鼻的概念、结构及其工作原理,电子鼻(Electronic Nose)是一种嗅觉模拟技术，也称为人工嗅觉、气味扫描仪或化学传感器阵列技术。北大西洋公约组织(NATO)对电子鼻的定义为：由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气体能力的装置。电子鼻模拟人的嗅觉器官，其工作原理与人的嗅觉形成相似，也分为3个层次: (1) 气味分子被人工嗅觉系统中的传感器阵列吸附，产生信号；(2) 生成的信号经各种方法加工处理与传输；(3)将处理后的信号经模式识别系统做出判断,第六节 农业感官智能分析技术,二、电子鼻技术及其应用,（一）电子鼻的概念、结构及其工作原理,与哺乳动物嗅觉系统中肺、感受器细胞、嗅球、脑等器官一一对应分别完成取样、感测、处理和分类判断任务。,电子鼻系统由气体传输/采样系统、化学传感器阵列、信号预处理、模式识别等部分组成,第六节 农业感官智能分析技术,二、电子鼻技术及其应用,（一）电子鼻的概念、结构及其工作原理,气味取样操作器气敏传感器阵列信号处理系统,电子鼻功能器件组成,信号的预处理模式识别,电子鼻的信号处理,电子鼻识别气味的主要机理是： 当某种气味与某种活性材料传感器接触时，传感器将化学输入转换成电信号，传感器阵列中每个传感器对被测气味响应的灵敏度不同，由多个传感器对同一种气味的响应便构成了传感器阵列对该气味的响应谱，每种气味都会有它的特征响应谱，根据其特征响应谱可区分不同的气味。,第六节 农业感官智能分析技术,二、电子鼻技术及其应用,（二）电子鼻研究与应用进展,目前对于电子鼻的研究主要集中在传感器及电子鼻硬件的设计、模式识别及其理论、电子鼻在食品、农业、医药、生物领域的应用、电子鼻与生物系统的关系等方面。其中传感器及电子鼻硬件的设计和电子鼻在食品及农业领域的应用是电子鼻研究中的热点。目前比较著名的电子鼻系统有英国的Neotronics system、AromaScan system、Bloodhound、法国AlphaMOS 系统、我国台湾的Smell和KeenWeen 等,法国FOX4000电子鼻,德国PEN3电子鼻,法国Alpha MOS电子鼻,德国Focus Tech. GC-O气相色谱-电子鼻,瑞士SmartNose200质谱技术电子鼻,部分商品化的电子鼻,第六节 农业感官智能分析技术,二、电子鼻技术及其应用,（二）电子鼻研究与应用进展,饮料、食品和烟草的质量控制药品、化肥和化工材料生产中的控制煤田、油田、油库和建筑物的消防报警环境保护中空气、土地和水污染的检测公安和海关安全检查中对爆炸物和毒品等违禁物品检测汽车发动机控制和排气质量检测医学临床人体呼吸和排泄物气味检测和疾病诊断航空航天领域发动机和机舱环境检测军事国防中生化武器防御机器人嗅觉定位系统,饮料、酒类、茶叶、烟草、鱼和肉等食品挥发气味的识别和分类，进行质量分级和新鲜度判别,第六节 农业感官智能分析技术,二、电子鼻技术及其应用,（二）电子鼻研究与应用进展,结构微型化，电子鼻体积越做越小，从“台式”到“便携”，从“手机大小”到“电子鼻芯片(Nose on a chip)”；“生物系统”化，模拟生物嗅觉系统传感器的数目，传感器阵列中气敏传感器“大规模”集成，争取达到一万个气敏传感器/平方厘米以上的集成度。,电子鼻发展具有两个明显趋势:,三、电子舌技术及其应用,第六节 农业感官智能分析技术,（一）电子舌的概念、结构及其工作原理,电子舌（Electronic Tongue，E-Tongue），也称味觉指纹分析仪，是一种利用低选择性、非特异性、交互敏感的多传感阵列感测液体样品的整体特征响应信号，通过信号模式识别处理或多元统计分析方法，对样品进行定性和定量分析的一类新型现代化分析仪器。电子舌与电子鼻的最大区别在于前者测试对象为液体，后者为气体。,三、电子舌技术及其应用,第六节 农业感官智能分析技术,（一）电子舌的概念、结构及其工作原理,三、电子舌技术及其应用,第六节 农业感官智能分析技术,（二）电子舌研究与应用进展,1.味觉传感器研究进展,（1）电位分析传感器（2）伏安分析传感器 （3）光学方法味觉传感器（4）其他传感器, 离子选择电极 多通道类脂膜味觉传感器, LAPS味觉传感器 基于光化学原理的集成光学离子传感器, SH-SAW味觉传感器 电导分析传感器 纳米材料传感器,三、电子舌技术及其应用,第六节 农业感官智能分析技术,（二）电子舌研究与应用进展,2. 电子舌研究与应用进展,（1）Kiyoshi Toko的电位型电子舌（2）Valsov的电位型电子舌 （3）Winquist的伏安型电子舌 （4）Riul的阻抗谱型电子舌 （5）Rodrguez-Mndez的伏安型电子舌 （6）王平的光学离子传感器阵列电子舌 （7）郭希山的高聚物碳黑复合敏感膜传感器的电子舌 （8）王磊的金属裸电极电位法电子舌 （9）吴坚的环伏安法的电子舌 （10）邓少平的多频脉冲电子舌,三、电子舌技术及其应用,第六节 农业感官智能分析技术,（二）电子舌研究与应用进展,3.电子舌的应用领域,电子舌能对酸、甜、苦、辣、咸味进行有效识别，具有可分析有毒样品或成分、不会疲劳的优势，提供了一种精确而可靠的味道检测手段，可得到检测样品的电子指纹图，从而辅助专家快速地进行系统化与科学化的味道鉴别、判断和分析。目前，电子舌主要应用于食品、医药、环境、化工等领域的研究。,三、电子舌技术及其应用,第六节 农业感官智能分析技术,（二）电子舌研究与应用进展,4. 电子舌技术发展趋势,电子舌技术研究只有20多年，其技术尚不成熟。今后电子舌技术发展的趋势是研制新的味敏材料，开发烟草、肉用、鱼用、酒用、饮料用等专用电子舌；传感器向微型化和芯片化方向发展；不同感受机理的传感器联合使用；增强实用能力，促进电子舌的进一步商品化；电子舌和电子鼻集成化，提高样品识别能力。,1计算机数据采集管理系统的结构和功能是什么？2农田生物信息包含哪些类型？有何特点？如何采集和提取农田生物信息？3农田生物信息采集与处理系统的结构和功能有哪些？4什么是数字图像？数字图像有哪些类型？图像处理方法有哪些？5农田气候信息采集与处理系统的构成包括哪些？能监测哪些农田气候参数？其主要工作原理是什么？6农田土壤水分监测有哪些方法？其主要工作原理是什么？各有何特点？7农田土壤养分快速监测有哪些方法？各有什么特点？8农田土壤电导率测定的方法有哪些？其主要工作原理是什么？9智能化农田自动灌溉系统的结构和功能有哪些？10. 温室环境监测与控制系统包括哪些部分？其主要监测和控制原理是什么？11. 果蔬贮藏环境如何监控与管理？有哪几种冷库储藏方法？12. 什么是机器视觉？其主要工作原理和关键技术是什么？13. 机器视觉在农业上有哪些应用？14. 什么是电子鼻？其结构和工作原理是什么？电子鼻在农业上有哪些应用？15. 什么是电子舌？其结构和工作原理是什么？电子舌在农业上有哪些应用？,思 考 题,Thank You !,