用于精准农业实验室和田间特性分析的模块化阻抗传感平台

《IEEE Transactions on AgriFood Electronics》：Modular Impedimetric Sensing Platform for Laboratory and Field Characterization in Precision Agriculture

模块化传感器平台集成阻抗分析仪、多路复用器和树莓派，实现500Hz-10MHz范围内氨气传感器及三种湿度传感器的电化学阻抗谱分析，实验室和田间测试均显示高效灵敏特性，为精准农业提供低成本解决方案。

　　

摘要：

精准园艺需要经济实惠且功能多样的平台来测试各种传感器。然而，现有的解决方案通常成本高昂、结构复杂且应用范围有限，这阻碍了其广泛普及。在这里，我们介绍了一个模块化且实用的传感器系统，专为集成和评估印刷式阻抗传感器而设计。该平台包括一个阻抗分析仪、两个16通道多路复用器和一个Raspberry Pi。利用开发的数据采集系统，我们全面分析了氨气传感器和三种湿度传感器在500 Hz到10 MHz频率范围内的电阻抗光谱响应。在受控实验室环境中使用气体暴露装置测试的化学电阻式氨气传感器在4 kHz时表现出最佳性能，显示出高灵敏度的阻抗幅度测量能力。相比之下，纸质湿度传感器是在田间条件下直接在植物上进行的测试，通过对相位角（Θ）和阻抗幅度（Ω）的分析确定了最佳测量点。在较低频率（低于104 Hz）下，这两个参数与相对湿度之间存在强相关性，相关系数分别为0.52±0.03和-0.54±0.02。这些结果表明传感器对水分吸收具有电容性响应，并且不同设备之间的重复性良好。当频率超过105 Hz时，相关性减弱，表明传感器的响应机制发生了变化。我们的结果证明了该平台在实验室和田间环境中的有效性，为评估阻抗传感器提供了一个可靠且经济高效的工具。通过实现快速准确的评估，该系统推动了农业技术的发展，使得精准园艺更加高效和可持续。

引言

农业领域的最新进展，特别是物联网（IoT）系统的集成，通过实现环境和生理条件的实时连续监测，彻底改变了作物管理方式。这一变革为农民提供了精确的信息，优化了资源利用并提高了作物产量[1]。