程 濤，荊 珮，沈 超，張 漫，李民贊

（中國農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點實驗室，北京100083）

0 引言

溫室作為設施農(nóng)業(yè)的一種典型代表，目前在我國已經(jīng)得到了廣泛的應用和推廣。溫室從技術(shù)上的分類主要為玻璃連棟、塑料連棟、日光溫室和塑料大棚［1］。目前，我國的溫室設施生產(chǎn)面積居世界第一。根據(jù)全國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計最新數(shù)據(jù)，截止2018 年全國溫室總面積189.42 萬hm2，其中，日光溫室面積為57.75 萬hm2，占總面積30.5%；塑料大棚126.24 萬hm2，占總面積比66.6%；連棟溫室5.43 萬hm2，占比2.9%［2］。雖然我國是溫室生產(chǎn)的面積大國，但還不是溫室生產(chǎn)的科技強國。當前，我國溫室生產(chǎn)的整體科技含量不高，還是以消化和吸收外國技術(shù)為主。此外，我國溫室的生產(chǎn)集約化程度低、單位面積的產(chǎn)出率低、對環(huán)境污染嚴重以及從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人口老齡化等問題也比較突出。

設施農(nóng)業(yè)是一種高投入、高產(chǎn)出、高效益的農(nóng)業(yè)，它力圖為農(nóng)產(chǎn)品各階段提供適宜的環(huán)境，以期擺脫自然條件和傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)的束縛，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品。設施農(nóng)業(yè)的技術(shù)組成主要有生物技術(shù)、環(huán)境技術(shù)和工程技術(shù)［3］。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能是現(xiàn)代工程技術(shù)的代表，它們正在引領傳統(tǒng)設施農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)（智慧溫室）方向發(fā)展。智慧溫室的核心是信息的獲取、知識的利用［4］。數(shù)據(jù)準確度的高低決定了系統(tǒng)整體性能的高低。我國智慧農(nóng)業(yè)的短板主要有3 項，其中之一便是農(nóng)業(yè)專用傳感器落后、農(nóng)業(yè)傳感器自主創(chuàng)新力度不大［5］。

溫室傳感器概括起來可以分為兩類：環(huán)境因素傳感器和植物體信息傳感器。文章將以設施農(nóng)業(yè)的溫室為主題，以這兩大類傳感器為線索，詳細介紹在智慧農(nóng)業(yè)的大背景下溫室傳感器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出當前我國溫室傳感器的不足之處，并分析未來我國溫室傳感器的發(fā)展方向。

1 環(huán)境因素傳感器

1.1 光照傳感器

光照對植物的生長發(fā)育至關重要，同一種植物在不同光照條件下會出現(xiàn)不同的生物性狀。只有在光補償點之上，即植物的光合作用大于呼吸作用時，植物才會積累有機物而增加產(chǎn)量。當光照強度不足時，植物的光合效率會降低，植物的生長發(fā)育會放緩；當光照強度過強時，植物的光抑制會增強，也達不到最佳的生長發(fā)育狀態(tài)。因此，光照的調(diào)控對溫室十分重要。

將光學量數(shù)值轉(zhuǎn)化成電壓、電流等電量數(shù)值的傳感器稱為光電傳感器。光電傳感器的主要類型有光敏電阻、光電池、光敏二極管和光照傳感器集成芯片等。光電傳感器需要具有線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應合適、穩(wěn)定性高、壽命長等特點［6］。光敏電阻是傳統(tǒng)的光電傳感器，其工作原理是將光照信號轉(zhuǎn)成模擬信號，再將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。其電路比較復雜，費用也比較高。并且光照強度和電阻阻值之間存在非線性關系，兩者之間的轉(zhuǎn)化關系比較復雜且容易受到干擾，因而現(xiàn)在光敏電阻應用較少［7］。目前應用最為廣泛的是光電池，其中以硅光電池最為出名。在硅光電池流行之前，硒光電池也曾流行過，但由于其穩(wěn)定性較差而被代替。硅光電池產(chǎn)生的光電流與光照強度成線性關系，并且硅光電池的收光面積較大，還可以采用視覺校正、余弦校正技術(shù)來對測量值進行修正，因而測量值比較精確［8］。此外，硅光電池還具有響應時間短、轉(zhuǎn)化效率高、耐高溫輻射等優(yōu)點［9］，因此它是一個較為理想的光照感應傳感器。

在智能溫室設計中被開發(fā)人員選用的光照傳感器有很多，其中一款比較常見的傳感器是BH175FVI。BH175FVI 是由日本半導體公司ROHM 推出的一款用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光照傳感器集成電路，利用I2C 總線接口進行數(shù)據(jù)通信。工作電壓為2.4～3.6 V，測量范圍1～65 535 lx。BH175FVI 的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示［10］。光照通過接近人眼敏感度的光敏二極管PD 捕捉到，經(jīng)過集成運算放大器AMP 將PD 電流轉(zhuǎn)成PD 電壓，又通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 獲取16 位數(shù)字數(shù)據(jù)，最后在邏輯控制單元被處理和存儲。OSC 是內(nèi)部邏輯時鐘，為指令的執(zhí)行提供動力［11］。還有一款比較常見的傳感器是S1087，S1087是由日本濱松公司生產(chǎn)的一種硅光電池。硅光電池的基本結(jié)構(gòu)是PN 結(jié)，當光照射在PN結(jié)上，一部分光被PN 結(jié)吸收，被PN 結(jié)吸收的光以光子的形式與半導體中的電子發(fā)生碰撞而結(jié)成電子-空穴對，這些電子-空穴對在PN 結(jié)的內(nèi)建電場中發(fā)生偏移和聚集，因而產(chǎn)生光電勢［12］。不同的光電勢對應不同的光照強度，這就是硅光電池的基本原理。另外，還有一些諸如TSL2550、GY-30 等其他型號的光照傳感器在智能溫室設計中也有被采用［13-14］。

圖1 BH175FVI 結(jié)構(gòu)框架Fig.1 BH175FVI structure block diagram

1.2 空氣溫度和濕度傳感器

空氣的溫度、濕度是溫室中最受關注的環(huán)境因素之一。適宜的溫度能為植物的生長提供動力。溫室溫度過低，植物的生長發(fā)育會放緩；溫室溫度過高，又容易造成植物葉片的灼傷。溫室溫度的典型特點是晝夜溫差大。為了讓植物健康生長，調(diào)控好溫度尤為重要。由于土壤水分的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用，溫室中濕度的典型特征是偏濕。溫室濕度過高，不利于植物生長，并且還容易誘發(fā)病害。因此，監(jiān)控好溫室濕度、及時降濕是溫室調(diào)控中的重要舉措之一。

目前比較常用的溫度傳感器是電阻式溫度探測器、熱電偶和半導體溫度傳感器。電阻式溫度傳感器主要利用電阻值隨溫度的升高而增加的原理，其中常見的電阻式溫度傳感器的材料是鉑、鎳或銅。熱電偶是由兩種不同的金屬熔接在一起形成敏感結(jié)，溫度變化會產(chǎn)生相應的熱電勢，這是熱電偶測量溫度的基本原理。常用的金屬有鉑、鉑銠合金、鐵、銅、鎳鉻合金等，此外碳、石墨和碳化硅等非金屬也可以作為熱電偶材料。半導體溫度傳感器可分為熱敏電阻和PN 結(jié)型溫度探測器兩種。熱敏電阻的阻值隨溫度的變化存在非線性關系，需要進行線性修正。PN 結(jié)型溫度傳感器利用的是電壓與溫度的線性關系，與熱敏電阻相比不需要額外的處理，它是現(xiàn)代溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一［15］。濕度傳感器依托于濕敏元件，主要分為電阻式和電容式兩種。當空氣中的水蒸氣吸附在感濕材料上后，感濕材料的阻值、介電常數(shù)會發(fā)生很大的變化，這是濕敏元件的基本原理。電阻式濕敏元件主要包括氯化鋰濕敏元件、碳濕敏元件、陶瓷濕敏元件、氧化鋁濕敏元件等。電容式濕敏元件主要包括高分子聚合物、氯化鋰和金屬氧化物等［16］。

在智能溫室的設計中，溫度、濕度的獲取有采用集成的傳感器電路來測量的，也有采用各自專門的傳感器來測量的。溫濕度測量比較常用的一種集成傳感器是SHTxx 系列，其結(jié)構(gòu)框如圖2 所示［17］。SHTxx 系列是由瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的一種數(shù)字式溫濕度集成檢測傳感器，采用CMOSens 專利技術(shù)，將測溫元件、濕敏元件、A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路集成在一個芯片中。該傳感器具有體積小、響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。以SHT11 為例，該傳感器利用兩個傳感器產(chǎn)生溫度、相對濕度傳感器信號，溫度的測量范圍是-40℃～123.8℃，濕度的測量范圍是0～100%RH，默認兩者的分辨率分別為14 位、12 位，然后經(jīng)過信號放大，分別送入A/D 轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)值修訂，最后經(jīng)過二線串行接口將數(shù)據(jù)送出［18］。還有一種常見的溫濕度集成傳感器是DHT11，該芯片由廣州奧松有限公司生產(chǎn)。其溫度的測量范圍是-20℃～60℃，濕度的測量范圍是20%～95%RH。DHT11 包含一個NTC 測溫元件和一個電阻式感濕元件，并與一個高性能8 位單片機相連，具有校驗信號輸出功能。一次完整的數(shù)據(jù)輸出為40 位，分別為8 位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)、8 位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)和8 位校驗和［19-20］。除了集成的溫濕度傳感器，還有一些專門的溫度、濕度傳感器。例如，專門測量溫度的美國Analog Devices 公司型號AD590 的PN 結(jié)溫度傳感器，專門測量濕度的起源于日本市場型號H 104 的陶瓷濕度傳感器［21］。

圖2 SHTxx 系列結(jié)構(gòu)框架（以SHT3x 為例）Fig.2 SHTxx series structure block diagram

1.3 CO2 傳感器

溫室中CO2的含量是近幾年越來越受關注的溫室環(huán)境因素之一。作為植物光合作用的重要原料，CO2的濃度高低直接決定了溫室產(chǎn)量的高低。除了通風以平衡溫室中的CO2濃度外，適時地使用“氣肥”也是很受歡迎的舉措。植物生長需要適合的CO2濃度，CO2濃度過高、過低都會影響植物的生長發(fā)育。CO2濃度過高，會造成植物葉片卷曲，影響植物對氧氣的吸收，植物不能進行正常的代謝活動；CO2濃度過低，植物葉片暗淡而無光澤，容易讓植物產(chǎn)出異形果，同時也不利于植物增產(chǎn)。

目前出現(xiàn)的CO2傳感器主要分為紅外線式、電容式、電化學式、熱傳導式等，其中應用最為廣泛的是電化學式和紅外線式。電化學式CO2傳感器剛進入實用階段，抗干擾能力差、不穩(wěn)定。紅外線式CO2傳感器比較成熟，國內(nèi)外廠商均有生產(chǎn)，其精度高、功耗小、濃度檢測范圍大、穩(wěn)定性好，在市場上比較受歡迎［22］。固態(tài)電解質(zhì)CO2傳感器是電化學式CO2傳感器的一種，主要利用原理是當CO2通過氣敏材料時會通過化學反應產(chǎn)生電離子并形成電動勢，根據(jù)電動勢的高低可反應空氣中CO2濃度的高低［23］。紅外線式CO2廣泛采用的技術(shù)是非色散紅外檢測技術(shù)（NDIR），其理論原理是朗伯-比爾定律。不同的氣體由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，因而吸收光譜的特性存在差別，同一種氣體在光的不同波峰處吸收特性也是不同的，這就是氣體濃度測量的理論依據(jù)［24］。例如，CO2氣體在4.26 μm 左右的紅外波長波段存在明顯的吸收峰，且不受空氣中其他氣體的影響［25］。

在智能溫室的實踐中，使用頻率較高的一家CO2傳感器生產(chǎn)公司是英國的GSS 公司［26］。該公司有很多CO2傳感器系列，比如COZIR 系列等。此外，瑞典森爾的S8-0053系列CO2傳感器在近年來的溫室CO2濃度檢測中也有被采用［27］。類似還有諸如國外的B-530 CO2傳感器也在溫室智能調(diào)控中有所應用［23，28］。上述幾種CO2的傳感器都是基于NDIR 技術(shù)的光學檢測方法，該方法是當前CO2氣體檢測的主流方法。作為CO2檢測方法的另一種方法電化學法，雖然目前也有研究［29］，但距離大規(guī)模的應用還有較長的路要走。

1.4 土壤相關的傳感器

土壤質(zhì)量的好壞直接決定植物生長發(fā)育的好壞。該部分選取兩個角度來對土壤傳感器的研究進行介紹，即土壤含水量、植物的營養(yǎng)元素（氮、磷、鉀，肥料3 要素）。植物的生長發(fā)育需要適宜的土壤水分，過低和過高都不利于植物的生長。土壤含水量過低，會影響植物的蒸騰作用，減弱植物向上輸送無機鹽的動力；土壤含水量過高，植物根部的呼吸會受阻，同時也容易造成根的腐爛。植物的生長發(fā)育對氮、磷、鉀的需求很大，但土壤中這3 種元素又相對較少，因而需要施加相應的肥料。氮肥能促進植物的枝葉發(fā)育，促進葉綠素的形成；磷肥能促進植物的開花和結(jié)果，能增加植物的產(chǎn)量；鉀肥能促進根部的生長，提高植物的抗倒伏能力。檢測好土壤中氮、磷、鉀的含量是對土壤進行變量施肥的第一步，這對精細作業(yè)具有相當重要的指導意義。

目前土壤水分的測定大體可分為3 類：取樣—定位測量法、遙感監(jiān)測法、模型模擬法［30］。實際生產(chǎn)中應用最多的是取樣—定位測量法，下面主要介紹在取樣—定位測量法中常用的一些方法。國家標準的土壤水分測量法是烘干法［31］。通過取樣泥土烘干前后的質(zhì)量差來間接計算土壤的水分含量。因為該方法的實時性較差，所以大規(guī)模使用較少。常見的土壤水分的測量大都依靠傳感器來完成，根據(jù)傳感器的原理不同可分為介電法、中子儀法和張力計法等［32］。介電法對土壤水分比較敏感而受土壤環(huán)境影響較小，因而此方法使用較為廣泛。在介電法的基礎上，頻域反射法、時域反射法等方法被研發(fā)出來。這類方法的原理是電磁波會在不同含水量的土壤中衰減不同，因而可以根據(jù)反饋電磁波的差異測得土壤含水量［33-34］。中子儀法則是根據(jù)射線經(jīng)過土壤的衰減量跟土壤含水量存在函數(shù)關系，然后再通過該關系的校準來得到土壤含水量［35］。張力計法則是利用土壤水分對儀器的壓力跟土壤含水量的關系進行函數(shù)修正來得到土壤的含水量［36］。在智能溫室的應用中，趙強采用了FC-28 型土壤濕度傳感器來測量土壤的濕度，以達到對溫室草莓土壤濕度檢測的效果［8］。該傳感器有兩根極柱，像叉子一樣可插進土壤中，同時其表面做了鍍鎳處理以增加傳感器的使用壽命。該傳感器是一種介電法的傳感器，兩極柱間的土壤相當于一個電阻，通過阻值的不同來判斷土壤濕度。Yin Zhe 等［37］研制了一種可適用于室內(nèi)外的近紅外LED 反射率傳感器。該傳感器基于兩個不同波長的發(fā)光二極管，分別對應為1 940 nm 的強吸水帶和1 800 nm 的弱吸水帶。通過對室內(nèi)4 種土壤樣本的實驗表明，該傳感器具有良好的實用性。Goswami M P 等［38］采用印刷電路板技術(shù)對邊緣場電容式土壤濕度傳感器進行了優(yōu)化和實現(xiàn)。傳感器用覆銅板制造并采用三維有限元法進行仿真，實驗結(jié)果表明，該傳感器的測量結(jié)果與標準稱重法的結(jié)果基本吻合。

傳統(tǒng)的土壤中氮、磷、鉀的測定方法都以化學法為主［39-41］，雖然測量準確，但同樣也存在實時性不強的問題。光譜學的核心是利用不同官能團對不同波段的吸收存在差異來進行元素測定的，其在土壤營養(yǎng)元素的測定中有廣泛的應用。祁亞琴等［42］利用高光譜對土壤的營養(yǎng)成分（全氮TN、全磷TP、全鉀TK）進行檢測，通過田間實驗和反復驗證，證明了其歸一化的高光譜遙感模型取得了較好的成果。章濤等［43］總結(jié)前人對土壤有機質(zhì)高光譜估算模型的研究，發(fā)現(xiàn)目前的高光譜估算模型呈現(xiàn)出多種模型耦合估算且計算復雜度逐步降低、致力于消除環(huán)境因素影響以及越來越貼近生產(chǎn)實際等趨勢。中國農(nóng)業(yè)大學李民贊團隊長期致力于土壤參數(shù)的光譜預測研究工作，研究對象以東北黑土和華北潮土為主，對土壤參數(shù)預測已經(jīng)取得較大的突破并且已經(jīng)開發(fā)出便攜式土壤全氮實時分析儀等實用工具［44］。李民贊團隊開發(fā)的便攜式土壤氮素含量測定儀通過管柱中的自帶光源照射，經(jīng)土壤漫反射回傳的光由InGaAs 光電探測器捕捉，光信號被轉(zhuǎn)為電信號，又通過對電信號的放大和濾波，后傳至89S52 單片機進行數(shù)據(jù)處理，然后在LCD 顯示結(jié)果并可以通過上位機程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存［45］。Shi Tiezhu 等［46］在可見光/近紅外條件下，研究對比了逐步多元線性回歸、偏最小二乘回歸和支持向量機回歸在評估土壤總氮（Total Nitrogen，簡稱TN）含量的表現(xiàn)，結(jié)果表明，偏最小二乘回歸（PLSR）是該研究中估算TN含量最合適的方法。此外，該文獻還得出在PLSR 模型中1 450 nm、1 850 nm、2 250 nm、2 330 nm 和2 430 nm 附近的光譜帶是重要的波長，而且在光譜數(shù)據(jù)預處理中，光譜反射率的一階導數(shù)比二階導數(shù)更適合應用。

表1 環(huán)境因素傳感器Table 1 Environmental factors sensors

2 植物體信息傳感器

2.1 植物溫度傳感器

植物的冠層溫度是指植物不同高度葉片溫度的平均值，是植物溫度測量中備受關注的要素之一。植物的冠層溫度是外界環(huán)境因素和植物體自身共同作用的結(jié)果，同時植物產(chǎn)量的高低與植物溫度的高低也息息相關。通過對葉溫的測量，可了解植物的生長狀況來指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。例如，當葉溫比空氣溫度高時，可考慮土壤是否缺水。因為土壤水分不足時，植物的蒸騰作用會減弱，植物葉溫會變高。

植物葉溫測量法可以分為接觸式測溫、非接觸式測溫和葉溫模型估計3 種方法［47］。接觸式測溫有熱電阻測溫和熱電偶測溫。熱電阻測溫是根據(jù)已知電阻隨溫度變化而變化的原理制成。不同的溫度會導致電阻的阻值不同，進而導致電阻兩端的電壓不同，然后對電壓進行放大、A/D 轉(zhuǎn)換和計算來得到對應的溫度值。常見的熱電阻材料是鉑電阻。熱電偶測溫也是一種將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號的溫度傳感器，和熱電阻不同的是它的測溫敏感結(jié)構(gòu)是熱電偶。CB-0231 熱電偶測溫儀是一種典型的熱電偶溫度傳感器，該儀器由CID 生態(tài)科學儀器有限公司生產(chǎn)，是我國首次向市場推送的用于生理生態(tài)研究和教學的儀器。非接觸測溫有紅外測溫和紅外熱成像測溫。紅外溫度傳感器是根據(jù)葉片溫度不同向外輻射能力不同的原理，通過捕捉葉片發(fā)出的紅外輻射大小來判斷溫度的高低。相對于接觸式測溫而言，紅外測溫方法具有不損傷植物、響應快、測溫范圍廣和精度高等優(yōu)點。紅外熱成像測溫是把物體的紅外輻射通過信號處理技術(shù)轉(zhuǎn)化成熱圖像，從而得到物體表面各點的溫度。紅外熱成像測溫的實時性很強，為實時監(jiān)控植物的生長狀態(tài)提供了可能。葉溫模型主要通過對外界環(huán)境因素（如：空氣溫濕度、土壤含水量等）進行建模來間接計算葉溫。但葉溫模型對植物種類依賴過高，不同植物的葉溫預測模型通常是不同的。

在智能溫室的實踐中，王春生［48］采用DS18B20 作為葉片溫度傳感器進行植物體溫度的采集。該溫度傳感器是一種接觸式測溫傳感器，測溫時需要用塑料夾將DS18B20與葉片夾緊進行測定。該文獻把以色列PTM-48A 葉片溫度傳感器的測定值作為標準值，對比表明DS18B20 直接測定的值還需要進一步修正。由于接觸式測溫儀器直接暴露在空氣中，受空氣溫度影響較大，這是造成DS18B20 測量誤差的主要原因。植物葉溫的測量用途大體可分為3 類：植物生理健康的應用、灌溉指導和抗旱基因篩選、產(chǎn)量預測［49］。Minyoung Kim 等［50］利用熱紅外技術(shù)對溫室黃瓜采用3 種不同的灌溉策略，成功證明了熱紅外技術(shù)在測量植物水分脅迫方面具有良好的效果。Hackl H 等［51］利用田間模擬實驗比較了高分辨率熱像法和紅外測溫法在區(qū)分水分脅迫方面的作用。實踐表明，在植物密植條件下，簡單的紅外測溫法取得的效果與復雜的高分辨率熱像法取得的效果類似。Wu Ziming 等［52］采用手持式紅外測溫儀M312216 對早稻和晚稻葉片溫度進行了測量，發(fā)現(xiàn)在生長后期降低葉溫，增加葉氣溫差，可增加產(chǎn)量。不同基因品種的作物在生長階段的葉溫也不同，因此葉溫可以作為高產(chǎn)品種篩選的參考之一。

2.2 植物水分傳感器

植物水分檢測最初都是靠測量土壤水分來間接檢測，但這種方法存在滯后性、水資源浪費過多的問題。檢測好植物體的水分對灌溉決策、節(jié)約用水和觀測植物體的生長狀況具有重要的指導意義。我國水資源絕大多數(shù)都用于農(nóng)產(chǎn)品灌溉，但由于供水設備的落后，導致我國的水資源利用率在30%～40%之間，發(fā)達國家的利用率則高達80%以上［53］。我國的人均水資源比較少，因此農(nóng)業(yè)節(jié)水的技術(shù)水平亟待提高，其中準確地檢測好植物的含水狀態(tài)是節(jié)水工作的重要一環(huán)。

水分從植物的根部吸收進入植物體，經(jīng)過木質(zhì)部的導管從莖部把水分送往植物的葉子。因此，根部的水分含量大于莖部的水分含量，莖部的水分含量大于葉子的水分含量。從植物水分測量的角度看，根部埋藏在地下使得測量比較困難，莖部的粗細不一致使得測量容易產(chǎn)生偏差。綜合考慮來看，葉子是比較理想的植物水分測量部位［54］。葉子的厚度和水分含量必然存在函數(shù)關系，一般來說，植物含水量高，葉子就相對較厚。但是，這種函數(shù)關系必須在葉子亞微米級的厚度范圍下才能實現(xiàn)，所以這對傳感器精度提出了很高的要求。這種微型厚度增量的測量運用的是位移轉(zhuǎn)換的原理，常見的方法有3種：電感法、電容法和應變法［55］。電感法的精度不能達到亞微米級的精度，而應變法受溫度影響較大，因此電容法是理想的厚度增量測量法。電容法是將被測量的變化轉(zhuǎn)化成電容量的變化，其中傳感器極板常見的有3 種：變面積型、變極距型和變介電常數(shù)型。3 種類型的傳感器極板在實踐中均有應用，其中變介電常數(shù)型的極板類型用得較多一些。在傳感器的材料選擇上以輕型耐腐蝕材料和非金屬材料為主，如鋁合金、工程塑料等。

張新［56］提出了兩種對智能溫室有啟發(fā)意義的無創(chuàng)判定植物是否缺水的方法。（1）對植物的葉片數(shù)據(jù)進行點云收集，將葉片的萎蔫程度與缺水程度進行建模，通過圖像處理來判斷植物是否缺水；（2）采用駐波率原理，通過環(huán)形傳感器對植物進行夾持，當植物莖部含水量不同時會引起駐波率的變化，進而引起傳感器兩端電壓的變化，通過電壓值可間接得到植物的含水量。Zheng Lihua 等［57］利用植物不同含水量的生理電學性質(zhì)不同，研制了一種基于四電極法的植物電學性質(zhì)檢測儀。該儀器由兩個向物體注入恒定交流電的電流探針和兩個測量電極間電壓差的電壓探針組成，用電壓差來評價葉片含水量。Seelig H 等［58］利用高精度的電子距離傳感器對溫室條件下的豇豆葉片進行測量，把葉片的測量結(jié)果作為植物是否灌溉的指導因素。通過與定時灌溉策略的對比發(fā)現(xiàn)，該方法可以節(jié)約25%～45%的用水量。Jia Jiannan 等［59］利用近紅外光譜技術(shù)設計了一種反射式植物水分檢測儀。該儀器的信號采集采用三個不同波長的LED 輪流發(fā)光、一個光頻轉(zhuǎn)換器接收的方式進行。實驗結(jié)果表明，該儀器的預測結(jié)果與真實測量值基本一致，相關系數(shù)約為0.82。

2.3 植物營養(yǎng)元素傳感器

植物營養(yǎng)元素（此處特指植物的氮、磷、鉀）對植物的生長發(fā)育極其重要。對土壤營養(yǎng)元素的檢測是對植物營養(yǎng)元素的間接檢測，該方法具有一定滯后性且容易造成資源的浪費，因此最直接的方法就是對植物營養(yǎng)元素直接檢測。在對活體植物的營養(yǎng)元素檢測中，必須滿足不影響植物生長（微創(chuàng)或無創(chuàng)）、檢測響應時間短的特點，這對植物營養(yǎng)元素的檢測提出了較高的要求。

植物氮元素的檢測是植物營養(yǎng)元素的檢測中研究最多的，該部分以氮元素的檢測為例介紹一下目前常見的植物營養(yǎng)元素檢測方法。光譜學在植物氮素的快速檢測中有重要的應用，從原理上分可分為3 種：被動光源的氮素檢測、主動光源的氮素檢測和多波段激光雷達檢測［60］。被動光源的氮素檢測是獲取植物對太陽光特征波段反射率來構(gòu)建反映植被氮素的植被指數(shù)對植物氮素進行探測。常見的被動光源的氮素檢測儀有德國Yara公司的N-Sensor 等。主動光源的氮素檢測是利用人為光源對植物進行檢測，根據(jù)尺度不同可分為葉片尺度的氮素檢儀器和冠層尺度的氮素檢儀器。葉片尺度的氮素測量儀是通過對單片葉片的透過率來分析氮素含量。常見的葉片尺度的氮素測量儀有日本Konic Minolta 的SPAD-502 等。冠層尺度的氮素測量儀是朝植物冠層發(fā)射一定頻率的閃爍的光，接收其反射光并在處理時濾去環(huán)境光的影響，通過對光反射率的計算來獲得植物氮素。常見的冠層尺度的氮素測量儀有美國Trimble Navigation 公司的GreenSeeker、日本Topcon 公司的CropSpec 等。多波段激光雷達具有兩個及以上的出射波段，可以同時獲得距離信息和光譜信息。多波段激光雷達一般采用發(fā)射合束、接收分束的方法，通過對光束各段的前后差異分析、計算來得到所要的結(jié)果。常見的設備有美國NASA 的LiDAR等。

在智能溫室的應用中，楊瑋等［61］對溫室黃瓜利用近紅外圖像與葉片氮素含量進行關聯(lián)性分析。圖片采集用普通CCD 相機和濾光片，對采集的圖片利用小波變換進行消噪處理，后利用基于鄧氏關聯(lián)度的圖片分割算法對圖片進行分割，再通過計算灰度值得到葉片植被指數(shù)。最后，利用最小二乘支持向量機算法對4 種植被指數(shù)，組合歸一化植被指數(shù)（CNDVI）、綠色歸一化植被指數(shù)（GNDVI）、歸一化植被指數(shù)（NDVI）和歸一化差異綠度植被指數(shù)（NDGI），與葉片含氮量進行了相關性分析，驗證R2達到了0.728，取得了理想的結(jié)果。Zhang Xiaolei 等［62］利用近紅外高光譜成像技術(shù)獲取了波長范圍在380～1 030 nm 的140 個油菜葉片樣本。利用偏最小二乘回歸和最小二乘支持向量機將養(yǎng)分含量與光譜數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，并利用回歸系數(shù)確定有效波長，降低光譜數(shù)據(jù)的維度。通過把最優(yōu)標定模型應用于高光譜圖像的每個像素點，可得到油菜葉片中氮、磷、鉀含量的分布圖，這對活體植物的原位檢測具有重要的指導意義。Habibullah M 等［63］制作了一款便攜式的葉片氮素檢測儀，該儀器使用兩個多光譜傳感器，可見光（VIS）和近紅外（NIR），利用高斯過程回歸（GPR）算法在溫室條件下對油菜、玉米、大豆和小麥4 種植物進行測試并取得了良好的效果。Sun Guoxiang 等［64］提出了一種基于多視點高光譜的三維建模方法，根據(jù)傅里葉變換原理將植物多光譜反射率記錄到深度坐標上。最后，利用反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡（BPANN）、支持向量機回歸（SVMR）和高斯過程回歸（GPR）方法，分別構(gòu)建了基于植物多光譜三維點云模型反射率特征的番茄植株氮、磷、鉀含量的確定模型，這些都為溫室番茄植株中氮、磷、鉀含量的測定提供了高效、準確的方法。

表2 植物體信息傳感器Table 2 Plant information sensors

3 結(jié)論

該文將溫室傳感器分為兩類：環(huán)境因素傳感器和植物體信息傳感器。環(huán)境因素傳感器分為光照傳感器、空氣溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器和土壤相關的傳感器；植物體信息傳感器分為植物溫度傳感器、植物水分傳感器和植物營養(yǎng)元素傳感器。通過這7 部分的劃分，逐個介紹了當前比較流行的各因素傳感器的發(fā)展狀況。硅光電池在光照傳感器中用得最多；半導體PN 結(jié)型傳感器是空氣溫度傳感器的一個有前景的方向；電阻式和電容式的感濕材料在空氣濕度傳感器中都有廣泛的應用；紅外線式二氧化碳傳感器是空氣二氧化碳測量的主流；光譜學在土壤和植物體信息獲取中發(fā)揮著越來越重要的角色。此外，我國的溫室傳感器相對于發(fā)達國家還是落后一些。目前，我國的溫室傳感器研究大部分還是在實驗室階段，而部分發(fā)達國家的傳感器制品已經(jīng)推向市場了。但我國溫室體量大、需求高，加上國家越來越重視，相信我國的溫室傳感器會有長足的進步。

針對上述的總結(jié)，未來的溫室傳感器的發(fā)展方向可能有以下幾點［65-68］。

（1）專用傳感器的研究會越來越多，且領域會不斷細分。目前大部分應用于農(nóng)業(yè)的傳感器都是從工業(yè)傳感器過渡而來，而且農(nóng)業(yè)傳感器大都還在跨領域使用。隨著傳感器研究的不斷深入，溫室傳感器的研究必然更加專門化。

（2）溫室傳感器會朝向體積小、精度高、非接觸式的方向不斷發(fā)展。隨著制造工藝和材料科學的不斷進步，未來的傳感器會越來越易于攜帶，測量方式也會越來越友好，并且測量結(jié)果也會越來越可信。

（3）傳感器的信息融合趨勢會愈加明顯。單個傳感器可能會融合越來越多的修正信息來提高傳感器的精度。多個傳感器可能會更加注意集群協(xié)作，通過群智能的方式來提高測量的精度。

（4）土壤領域的傳感器和植物體信息傳感器可能成為未來的研究熱點。土壤的信息比較豐富、測量難度較大，未來土壤領域的研究肯定越來越多。植物體信息傳感器的測量對象更直接，也可能會引發(fā)更多的研究者關注。