農田環境溫濕度采集儀的設計與試驗

趙華民，王鳳花，張淑娟，張海紅

（山西農業大學工學院，山西太谷030801）

精確把握農田環境溫濕度，可以更加高效、精細地進行農業耕作（如設施農業）。溫度的測量一般分為2種：接觸式測量和非接觸式測量。濕度的測量方法很多，主要有動態法（雙壓法、雙溫法、分流法）、靜態法（飽和鹽法、硫酸法）、露點法、干濕球法、電子式傳感器法等[1-2]。

目前，現有的農田環境溫濕度測量儀器較多，但是只能測量單一環境溫濕度值，不能實現多源信息的統一測量，并且不能確定其空間位置信息[3]。為滿足精細農業的需要，要求既能測量點的位置信息，又能測量測點的多種屬性信息，便于進行綜合的處理和分析，本研究開發便攜式農田信息采集儀，在介紹該采集儀采集環境溫濕度軟硬件設計的基礎上對其進行了標定，使其達到實際應用的要求[4]。

1 采集儀設計

1.1 總體結構

農田信息采集儀是以單片機為控制核心，多通道、便攜式的農田信息采集裝置，實現田間信息的采集、顯示、保存、查詢、刪除以及GPS定位等功能。其主要由傳感器子模塊、單片機子模塊、GPS信號測量子模塊、A/D轉換子模塊、鍵盤顯示及存儲子模塊、通訊子模塊（RS232，GSM模塊）等組成。農田信息采集儀與上位機結合可實現數據的近距離有線傳輸和遠距離無線傳輸。農田信息采集儀結構如圖1所示。

1.2 土壤溫濕度測量模塊設計

考慮到傳感器的實時性、準確性、穩定性和可靠性，本設計采用新型的數字式溫濕度傳感器SHT11。

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術的新型溫濕度傳感器。它將CMOS芯片技術與傳感器技術相結合，從而發揮出強大的優勢互補作用。其主要特點為：（1）將溫濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、I2C總線接口全部集成于一芯片，減少了接口電路的硬件成本，簡化了接口方式，且體積微?。?.65 mm×5.08 mm×23.5 mm），可表面貼裝；（2）可給出全校準相對濕度及溫度值輸出，帶有工業標準的I2C總線數字輸出接口；可與單片機直接相連，大大縮短研發時間、簡化外圍電路并降低費用；（3）全標定輸出，有可靠的CRC數據傳輸校驗功能；（4）具有露點值計算輸出功能；（5）電源電壓范圍為 2.4～5.5 V；（6）濕度測量范圍為 0～100%；溫度測量范圍為（-40～+123.8）℃；（7）濕度測量精度為±3.0%；溫度測量精度為±0.4℃（在25℃下）；（8）可自動休眠，且響應速度快，有極低的功耗[4-5]。

SHT11環境溫濕度傳感器采用SMD（LCC）表面貼片封裝，其測量電路示意圖如圖2所示。

SHT11數字式溫濕度傳感器的雙向串行數據線（DATA）和串行時鐘輸入（SCK）分別直接與單片機的P34和P35口相連，單片機就可以直接獲得其測試的溫濕度值。

2 環境溫濕度測量性能對比試驗

采用HOBO數字環境溫濕度記錄計與該采集儀進行環境溫濕度性能對比試驗。HOBO H8數字環境溫濕度記錄計內置溫濕度傳感器，其溫度測量范圍為（-20～70）℃；溫度測量精度為±0.7℃（21℃）；RH測量范圍為25%～95%；RH精度為±5%。

2.1 試驗方法

試驗儀器為農田信息采集儀，HOBO H8數字環境溫濕度記錄儀等。試驗地點設在山西農業大學工程技術學院前的一塊大豆地。試驗目的為用農田信息采集儀和HOBO數字環境溫濕度記錄計分別測量環境溫濕度，進行性能對比試驗。

試驗實施：2008年10月3日（天氣晴朗，由于前幾天一直下雨，空氣濕度較大，氣溫較低），將農田信息采集儀、HOBO H8數字環境溫濕度記錄計固定在山西農業大學工程學院前的大豆地里的一點（北緯37.25°，東經112.35°）上，分別測量環境溫濕度（避免太陽直射）進行對比試驗。從7時開始，每隔30 min進行1次環境溫濕度的測量，直至23時，并記錄1 d的環境溫濕度。

2.2 結果和討論

采用該采集儀和HOBO數字環境溫濕度記錄計分別記錄了從7時到23時的環境溫濕度，結果如圖3，4所示。

從圖3，4可看出，隨著太陽的升起，空氣溫度逐漸升高、濕度逐漸降低，空氣溫度和濕度表現出十分明顯的相關性?？諝鉁囟仍?4時左右達到最高值，為29.9℃，這時相應的空氣濕度達到最低，僅為28.6%。然后隨著空氣溫度的逐漸降低，空氣濕度逐漸升高。由圖3可知，農田信息采集儀與HOBO數字溫濕度記錄計溫度測量值相比，溫度測量的變化趨勢基本一致，但在早晨與晚上氣溫在15℃以下時誤差較大，隨著氣溫的增高誤差越來越小，在中午氣溫為25～30℃時，2種采集儀的測量值很接近，誤差很小。由圖4可知，農田信息采集儀與HOBO數字溫濕度記錄計濕度測量值相比，濕度測量的變化趨勢基本一致，但采集儀濕度測量值比HOBO的測量值普遍偏高，原因還需進一步進行誤差分析研究。

2.3 誤差分析

通過對農田信息采集儀與HOBO數字溫濕度記錄計的溫濕度測量值進行定性分析，發現2種測量儀溫濕度測量值之間存在誤差，需要進一步進行誤差分析。通過對采集到的數據的分析可知，該采集儀與HOBO數字化溫濕度記錄計的溫度測量值最大絕對誤差為3.11℃，最大相對誤差為22.06%，平均誤差為1.57℃；環境相對濕度最大絕對誤差為23.7%，最小絕對誤差為2.8%，平均誤差為13.45%，最大相對誤差為77.7%，最小相對誤差為4.56%。所以該采集儀環境溫度的測量在環境溫度較低時存在較大誤差，特別是環境相對濕度的測量，還需要進行標定。

2.4 環境溫濕度標定

對2種采集儀的環境溫濕度進行相關性分析，結果如圖5所示。

由圖5可知，2種采集儀的溫度測量值呈線性關系，關系式為y=1.089x-3.304 9，相關系數為0.971 9，二者有很高的相關性。2種采集儀的相對濕度測量值呈二次多項式關系，關系式為y=0.023 4x2-1.463 1x+46.612，相關系數為0.947 9。

為驗證標定方程的準確性，2008年10月9日，在同一地點用2種采集儀記錄了9—18時的環境溫濕度值，然后據標定方程對該采集儀的環境溫濕度測量進行標定，誤差分析結果列于表1。

表1 采集儀環境溫濕度標定結果的誤差分析

由表1可知，該采集儀環境溫度測量的標定值與HOBO數字化溫濕度記錄計的溫度測量值絕對誤差最大值為-2.159℃，最小值為-0.244℃，平均值為0.503℃，相對誤差最大值為9.590%，最小值為1.451%，相對誤差絕對值平均值為6.086%；該采集儀環境相對濕度測量的標定值與HOBO數字化溫濕度記錄計的濕度測量值絕對誤差最大值為4.317%，最小值為0.491%，平均值為0.758%，相對誤差最大值為14.175%，最小值為1.014%，相對誤差絕對值平均值為6.783%。

3 結論

通過對比試驗和標定試驗可以看出，該采集儀環境溫濕度的測量通過標定，農田環境溫度的標定值與HOBO數字化溫濕度記錄計的溫度測量值相對誤差絕對值平均值為6.086%；該采集儀環境相對濕度測量的標定值與HOBO數字化溫濕度記錄計的濕度測量值的相對誤差絕對值平均值為6.783%，證明該采集儀可以用于對環境的溫濕度變化進行實踐測量。

［1］李偉民.基于GPS的現代農業信息計算機采集系統的研究[D].杭州：浙江大學，2006.

［2］張越，張炎，趙延軍.基于DS18B20溫度傳感器的數字溫度計[J].微電子學，2007，37（5）：709-711，716.

［3］王鳳花，裘正軍，介鄧飛，等.農田土壤pH值和電導率采集儀設計與實驗[J].農業機械學報，2009，40（6）：164-168.

［4］高江林，李靈芝.晉中地區節能日光溫室光照和溫度特性研究[J].山西農業科學，2007，35（6）：83-86.

［5］孟臣，李敏，李愛傳.I2C總線數字式溫濕度傳感器SHT11及其在單片機系統的應用 [J].國外電子元器件，2004（2）：50-54.