設施農業環境自動化檢測方案的設計

白澤生，劉竹琴

（延安大學物理與電子信息學院，陜西延安716000）

設施農業是指利用具有特定結構和性能的設施，通過調節和控制局部范圍內的環境因素，為作物生長提供最適宜的溫度、濕度、光照、水和肥等生長環境，使作物處于最佳生長狀態，從而獲得高產、優質的一種高效農業。由于設施農業擺脫了傳統農業生產中自然氣候條件的制約，克服了傳統農業難以解決的限制因素，因此就必須利用環境監測和控制技術，對溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等因素進行測控。作物生長環境因素數據的采集獲取是最重要的關鍵技術，傳感器是數據采集的主要器件，其性能優劣是制約環境自動化檢測與控制的關鍵，因此傳感器的設計和選型至關重要。

目前國內能夠實現設施農業環境自動化測控的系統還不多，有些地方引進了國外多功能的大型連棟溫室控制系統，但由于價格昂貴，不適合我國國情，難以推廣應用。陜北地區自然條件惡劣，四季氣候差異很大，變化反復無常，經濟水平較低，使用者文化知識層次不高，為此設計并研發一套性價比高、運行穩定可靠、便于使用和推廣的設施農業環境自動化測控系統意義和價值重大。在深入調研和反復研究的基礎上，確定了傳感器的選擇原則和環境自動化測控系統的設計方案，制作了檢測溫度、濕度、土壤水分等參數的硬件電路，編寫了相應數據采集檢測和控制軟件，經實踐測試基本達到了設計要求，取得了滿意效果。

1 設施農業對傳感器及自動化檢測系統的要求

由于陜北地區設施農業中要控制的對象具有很高的分散性和復雜性，四季氣候環境差異很大，加之目前尚未真正應用，使用對象經濟承受能力不高，文化程度和使用維護水平較低，因此必須在滿足性能要求的前提下盡量降低成本，以提高性價比。所以傳感器和自動化檢測系統的性能必須符合以下要求：

1）穩定性與耐用性要好設施農業是一個連續性的生產過程，檢測系統使用環境比工業更惡劣，如高溫、高濕等，再加上農業生產人員的科技素質普遍較低，使用過程中容易誤操作，因此穩定性好、耐用性強的傳感器才不容易出故障。因此一定要選擇和設計穩定性與耐用性好的傳感器和檢測系統。

2）適應性與適用性要強設施農業的實質是調節和控制作物生長環境條件，是通過一個閉環系統來實現的。因此傳感器的性能都應該與檢測系統相適應，尤其是傳感器的長距離布點、傳感器靈敏度的一致性、傳感器的響應時間等，這樣才能使系統真正做到快速反應和調控環境的高效工作。

3）性價比要高設施農業面積大，對檢測系統的潛在用量巨大，但是我國特別是陜北地區農業生產力水平較低，對農業設施的投入非常有限，因此必須在保證性能的同時盡量降低成本，以適應當地實際情況，否則難于推廣使用。

2 設施農業環境檢測因素及傳感器的選擇

設施農業中需要檢測的環境因素主要有溫度、濕度、CO2濃度、光照度、土壤溫度和含水量等，每一種環境因素都有對應的傳感器對其進行數據檢測。

2.1 溫度傳感器

溫度是作物生長發育最重要的因素之一，直接影響作物光合作用、呼吸作用、細胞壁滲透性、水分和礦物質養分的吸收、蒸騰、酶活性和蛋白質凝聚等。大多數作物生長的溫度變幅較窄，一般介于15～40℃，低于或高于這個限度，農作物生長速率減緩。目前用于檢測溫度的有模擬溫度傳感器、智能溫度傳感器、虛擬溫度傳感器等。由于模擬溫度傳感器功能單一（僅測量溫度）、測量誤差小、響應速度和傳輸速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單，是目前在國內外應用最為普遍的一種集成溫度傳感器。另外模擬溫度傳感器價格低廉，使用簡單，特別適合在溫室大棚等設施農業中使用。較常用的有AD590、DS18B20、LM35系列[1]等。

2.2 濕度傳感器

濕度也是影響作物生長的主要因素，因此目前設施農業的檢測中，空氣濕度也是主要參數之一。目前使用的濕度傳感器，主要有電阻式和電容式兩種。其基本形式都是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜，空氣中的水蒸汽吸附于感濕材料后，元件的阻抗、介質常數等發生很大的變化，從而對濕度進行檢測。電容式濕敏元件具有響應速度快、體積小、線性度好、性能穩定等特點[2]，特別是近幾年出現的集成濕度傳感器因其具有精度高、線性好、互換性強等諸多優點，在設施農業中得到快速而廣泛的應用，如集成濕度傳感器IH3605等。

2.3 CO2濃度傳感器

二氧化碳是作物光合作用的主要原料，其含量直接影響作物的生長。利用傳感器實時檢測室內CO2濃度，并根據植物生長發育進行CO2施肥，可有效提高設施農業生產效率。目前市場上CO2濃度傳感器有電化學型、熱導型、紅外光吸收型等，而最適應于設施農業的是紅外光吸收型，因其具有測量范圍寬、靈敏度高、響應時間快、選擇性好、抗干擾能力強等特點，如8002W、GS-160、MG811、VC1008T系列。

2.4 光照度傳感器

光照是植物進行光合作用不可缺少的條件，在設施農業中采用光照傳感器來檢測光照度，進而控制光照強度和光照時間，可以調節植物的生長發育過程。光照傳感器有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏晶體管、光電池等，目前設施農業溫室大棚環境檢測用的光照度傳感器大多為硅光電池和光敏二極管，而光敏二極管較硅光電池有工作穩定性強、光照特性曲線為線性等許多優點[3]，更適合在設施農業中使用。

2.5 土壤溫度傳感器

土壤溫度對作物根系的生長有重要的作用，因此也是設施農業環境檢測的主要參數之一。目前，設施農業中根部溫度的檢測傳感器較多，但應用廣泛的是具有耐腐蝕和防潮性能較好的電阻式溫度傳感器，如PTWD-3A、ST-22等。另外該類傳感器具有價格低廉、性能穩定、市場供應便利、易于安裝、更換的特點，比較適合設施農業生產。

2.6 土壤水分傳感器[4]

水分是天然土壤的一個重要組成部分，它不僅影響到土壤的物理性質，制約著土壤中養分的溶解、轉移和微生物的活動，而且是構成土壤肥力的一個重要因素，更是一切植物賴以生存的基本條件。因此測定土壤含水量，對實施精準農業，節水灌溉，提高農業生產效率有重要的意義。目前采用的傳感器多種多樣，有陶瓷水分傳感器、電解質水分傳感器、高分子傳感器、壓阻水分傳感器、光敏水分傳感器、微波法水分傳感器、電容式水分傳感器、電阻式土壤含水量傳感器等。使用較多的是壓阻水分傳感器和電阻式土壤含水量傳感器，如3.2MPX系列，sintek-4等。

3 設施農業環境自動化檢測系統方案設計

3.1 硬件設計方案

環境自動化檢測系統的硬件設計方案框圖如圖1所示，主要有單片機、數據采集模塊、數據轉換電路、報警裝置、執行機構、主控計算機等組成[5-6]。其核心是單片機芯片組，作為系統各種參數的處理和控制器，完成各種數據的處理和控制任務，同時將處理后的數據傳送給主機，實際應用時可根據被測控參數點的個數和控制的要求來決定單片機的數目。環境因素數據采集模塊由溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器等組成，分別實時采集各測控點的溫度、濕度、CO2濃度、光照度、土壤溫度、土壤水分等環境因素模擬量并轉換為電信號，經前置放大后送給A/D轉換芯片。數據轉換電路包括A/D轉換和D/A轉換電路，完成模擬量和數字量之間的相互轉換。執行機構包括各種被控制的執行設備，在系統的控制下進行升溫降溫、加濕換風、CO2濃度調控、光環境調控、土壤環境調控等操作。另外還有光電驅動隔離，其作用是有效地隔離控制部分和執行部分，抑制大電流、大功率負載開啟產生的各種電磁輻射和電壓沖擊等干擾，保證系統可靠穩定地工作。

圖1 檢測系統硬件設計框圖Fig.1Hardware design block diagram of detection system

整個系統的工作原理是首先在單片機內設定溫度、濕度、CO2濃度、光照度、土壤溫度、土壤水分等環境因素的上下限值和報警值并予以保存，各種傳感器實時檢測到的參數值送到單片機后與其設定值進行比較，判斷是否在設定的上下限值范圍內，如在則表示環境可滿足作物正常生長，如不在則由單片機控制驅動相關執行機構開始工作，如加熱、換風、噴水等，直到環境參數達到正常的范圍內為止。當檢測到的參數值超出了設定的報警值時，主控機會控制報警裝置報警，系統可能有故障或環境參數嚴重不足的情況，提醒管理人員要采取相應措施確保系統正常工作，使作物生長環境處于正常狀態。

3.2 軟件設計方案

檢測系統軟件設計方案主程序流程圖如圖2所示[5-6]。工作過程是系統上電后首先對各部分進行初始化，通過鍵盤完成系統各個運行參數的設定，之后系統就進入正常工作狀態，主程序對整個系統進行實時監控，即系統自動采集來自各測控點溫度、濕度、CO2濃度、光照度、土壤溫度、土壤水分等環境因素的值，根據傳感器的特性由單片機控制多路采集信號的分時切入，將其值與設定的各參數值進行比較，通過輸出控制處理程序決定是否啟動執行機構，同時由顯示模塊顯示被測控點的環境因素。當系統運行中出現了異常時，如傳感器、放大器等部件故障，環境參數超限報警等情況，系統將進入相應的中斷處理程序。

圖2 主程序流程圖Fig.2Flow chart of main program

4 結束語

我國是一個農業大國，人口眾多，但農業生產科技含量和生產水平低下。特別是陜北地區自然條件惡劣，土地貧瘠，隨著退耕還林政策的進一步落實，十分有限的耕地面積會更加少，因此發展高效的設施農業是必然趨勢。設計并研發一套適合當地實際的設施農業自動化檢測和管理系統，可極大地提高農業生產效率，具有十分廣闊的應用前景。

[1]沙占友.中外集成傳感器實用手冊[M].北京：電子工業出版社，2005：13-233.

[2]孫良彥.國外濕度傳感器發展動態[J].傳感器技術，1996（2）：1-4.SUN Liang-yan.Foreign humidity sensor developments[J].Sensor Technology，1996（2）：1-4.

[3]白澤生，白宗文.一種簡易光照度檢測電路的設計[J].現代電子技術，2006（11）：91-92.BAI Ze-sheng，BAI Zong-wen.A simple illuminance detecting circuit[J].Modern electronic technology，2006（11）：91-92.

[4]白澤生.土壤水分檢測轉換電路的設計[J].傳感器與微系統，2006（9）：64-65.BAI Ze-sheng.Soil moisture detection conversion circuit[J].Sensors and Actuators，2006（9）：64-65.

[5]陳茂軍，熊四昌.基于P89LPC932微處理器的大棚溫濕、度測控制系統[J].計算機技術與自動化，2004（2）：19-21.CHEN Mao-jun，XIONG Si-chang.Microprocessor-based P89LPC932 greenhouse temperature and humidity，degree of measurement control system[J].Computer Technology and Automation，2004（2）：19-21.

[6]彭其圣，劉松齡.單片機溫室大棚種植參數監控系統[J].中南民族大學學報：自然科學版，2004（2）：52-54.PENG Qi-sheng，LIU Song-ling.Microcontroller monitoring system Greenhouse Farming[J].Central University for Nationalities：Natural Science，2004（2）：52-54.