農業微環境智能監測與控制系統的設計

雷雨果 劉抗 楊森

摘 要：本文利用智能感知與物聯網技術，設計了一種高效實用、易于部署的基于農業微環境的智能農業環境監測與控制系統，實現了農業環境信息的遠程采集和農業設施的智能控制，讓科技智能化技術與農業過程深度融合。該系統目前被廣泛應用于河南省現代農業示范園項目。

關鍵詞：農業微環境;日照傳感器;智能監測

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0008-03

Design of Intelligent Monitoring and Control System for

Agricultural Microenvironment

LEI Yuguo1，2 LIU Kang1，2 YANG Sen1，2

Abstract： In this paper， an efficient， practical and easy-to-deploy intelligent agricultural environment monitoring and control system based on agricultural micro-environment was designed by using intelligent perception and Internet of Things technology. It realizes remote collection of agricultural environmental information and intelligent control of agricultural facilities. It enables the deep integration of scientific and technological intelligence technology and agricultural process， and is widely used. At present， the system is widely used in Henan Modern Agricultural Demonstration Park project.

Keywords： agricultural micro-environment;sunshine sensor;intelligent monitoring

1 研究背景

我國農業發展水平低，大部分地區仍采用簡單粗放型的生產方式。科技水平和基礎設施建設的落后導致我國農業在作物產量、質量、能源利用率等方面與發達國家相比仍具有明顯差距。產出投入比只有2∶1，遠遠落后于發達國家的4.2∶1[1]。為提高農業生產效率，近年來國家大力推動現代農業的發展，如加強物聯網技術在農業領域的應用，大規模實施農業節水工程，加大水肥一體化等農藝節水推廣力度;實施智慧農業工程，推進農業物聯網試驗示范和農業裝備智能化;發展智慧氣象，提高氣象災害監測預報預警水平。

目前，農業物聯網建設多數處于技術應用的初級階段，尚未實現農業數據深入挖掘與應用，無法對農業生產過程進行精細化、精準化管理。根據現代農業的發展需要，農業物聯網的重點建設方向將依托高精度農業傳感網絡，結合大數據、云計算技術實現農業數據的集成、分析、挖掘、利用，從而推動精準農業、農業產業鏈、農產品質量安全等體系的建設[2]。

為響應國家農業物聯網相關政策，針對我國農業物聯網現狀，本項目設計了農業微環境智能監測與控制系統。該項目包括了三個子產品，即一種高靈敏度日照傳感器、一種智能感知多傳感器終端和微環境智能監測與控制平臺，能夠針對不同場景進行獨立和集成式分布。該系統能實現農業生產過程的精細化、精準化管理，可以廣泛應用于智慧農業領域。

2 一種高靈敏度日照傳感器

高靈敏度日照傳感器[3，4]如圖1所示。光電轉換電路包括設置于所述遮光板日照面的、用于感應所述遮光板日照面光照輻射的第一光敏電阻，以及設置于所述遮光板背光面、用于感應所述遮光板背光面光照輻射的第二光敏電阻。其中，所述遮光板的日照面指太陽光可直接照射的一面;背光面為遮光面，與外界光隔離。

注：101.遮光板的日照面;102.遮光板背光面;201.第一光敏電阻;202.第二光敏電阻。

日照傳感器由光敏電阻輸出的電壓信號來表征光照強度，由設置于遮光板日照面的第一光敏電阻輸出的電壓信號表征日照面光照強度;由設置于遮光板背光面的第二光敏電阻輸出的電壓信號表征背光面光照強度。

日照傳感器件檢測日照的方法為：計算第一光敏電阻的輸出電壓信號和第二光敏電阻的輸出電壓信號的差值[ΔV]，將該差值[ΔV]與預設值[ΔVref]比較，所述預設值[ΔVref]為當日照光輻射強度達到120W/m2時該光電轉換電路中產生的電壓差值，當[ΔV]>[ΔVref]，判斷為有日照;當[ΔV]<[ΔVref]，判斷為無日照。當外界日照越強，日照面和背光面的光照強度差值就越大，因而[ΔV]越大;外界日照越弱，日照面和背光面的光照強度差值就越小，因而[ΔV]越小。

第一光敏元件的個數可為兩個或者兩個以上。在檢測日照面光照強度時，對多個第一光敏電阻的輸出電壓信號作加權平均計算，得到日照面光敏電阻輸出電壓信號的平均值[Vtop]。設置于遮光板背光面的第二光敏元件的個數可為兩個或者兩個以上。在檢測背光面光照強度時，對多個第二光敏電阻的輸出電壓信號作加權平均計算，得到背光面光敏電阻的輸出電壓信號的平均值[Vbottom]。由此可得光電轉換電路的電壓差值為：

[ΔV=Vtop-Vbottom] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

將[ΔV]與預設值[ΔVref]比較，得到日照檢測結果。一般采用多個第一光敏電阻和多個第二光敏電阻，取其輸出電壓信號的平均值計算電壓差值，可提高對光照強度測量的準確性。

遮光板的日照面可為球面，也可以是半圓柱側面，第一光敏電阻在日照面上均勻分布，可呈對稱分布;背光面為平面，背光面連接于日照面101的底端。在日照傳感器檢測日照時，可隨太陽位置和日照方向變化來調整遮光板的法線方向，使遮光板法線方向與日照方向一致。

日照傳感器光電轉換電路如圖2所示。從圖2可知，光電轉換電路還包括與第一光敏電阻分別一一對應串聯的分壓電阻，以及與第二光敏電阻分別一一對應串聯的分壓電阻。光電轉換電路在光敏電阻和分壓電阻的兩端施加一恒定電壓，由光敏電阻輸出電壓信號。

參考圖1和圖2，日照傳感器的一種具體實施方式中，在遮光板的日照面上設置5個第一光敏電阻，用于測量日照面的光照輻射強度，在遮光板的背光面上設置2個第二光敏電阻，用于測量背光面的光照輻射強度。圖2中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7為光敏電阻，其中光敏電阻之間并聯連接，對應每一光敏電阻都串聯有分壓電阻R，在每一光敏電阻和分壓電阻R之間接出輸出端輸出電壓信號。

日照測量裝置如圖3所示。

在圖3中，日照傳感器采用如上所描述的日照傳感器，數據處理器與日照傳感器相連，用于獲取日照傳感器第一光敏電阻的輸出電壓信號和第二光敏電阻的輸出電壓信號，通過將第一光敏電阻的輸出電壓信號和第二光敏電阻的輸出電壓信號的差值與預設值比較，得到日照強度檢測結果。

具體過程如下，數據處理器根據第一光敏電阻的輸出電壓信號、第二光敏電阻的輸出電壓信號，按照式（1）計算日照面電壓信號[Vtop]和背光面電壓信號[Vbottom]的差值[ΔV]，將電壓差值[ΔV]與預設值[ΔVref]比較，得到對當前日照強度的檢測結果，當[ΔV]>[ΔVref]，判斷有日照;當[ΔV]<[ΔVref]，判斷無日照，并記錄日照強度檢測結果。

日照傳感器的第一光敏電阻和第二光敏電阻設置為兩個或者兩個以上。數據處理器對多個第一光敏電阻的輸出電壓信號作加權平均計算，得到日照面光敏電阻電壓信號的平均值[Vtop]，對多個第二光敏電阻的輸出電壓信號作加權平均計算，得到背光面光敏電阻電壓信號的平均值[Vbottom]，按照式（1）計算日照面電壓信號和背光面電壓信號的差值[ΔV]，將該電壓差值[ΔV]與預設值[ΔVref]比較，得到對日照強度的檢測結果，當判斷[ΔV]>[ΔVref]時，判定有日照，當[ΔV]<[ΔVref]，判定無日照。

數據處理器可采用含12位ADC的MSP430單片機，經信號調理電路模塊輸出的信號由數據處理器的ADC引腳輸入。數據處理器對輸入信號進行AD轉換和相關運算，并進行日照判斷，得到日照強度檢測結果。

除此之外，日照測量裝置還包括與數據處理器相連的時鐘模塊，時鐘模塊為數據處理器提供實時時間，數據處理器將當前時間以時間戳的方式記錄到日照檢測結果數據幀中，以便根據日照檢測結果及記錄的時間統計日照時數。在一天中，太陽位置動態變化。本實施例所述日照測量裝置可根據太陽位置及日照方向來調整日照傳感器接收日照的方向。數據處理器通過GPS模塊獲取日照測量裝置所處位置的經緯度數據，通過時鐘模塊獲取實時時間，并根據獲取的經緯度數據和實時時間判斷當前太陽位置和日照方向，通過驅動電機控制轉動日照傳感器遮光板，使日照傳感器日照面的法線方向與日照方向一致，以有效感應和接收日照輻射，從而提高對日照強度檢測以及日照時數統計的準確度和測量精度。

3 一種智能感知多傳感器終端

當前，農業物聯網建設中前端傳感器種類多、集成度低，其變更、增減、布線工作量大，接入方式、組網復雜，項目建設和運維成本高。為此，創新性地研發一種智能感知多傳感器終端，終端由前端傳感器、多傳感器采集/識別模塊、太陽能光伏電池和蓄電池管理模塊四部分組成。

該終端具有完成微環境下不同參數的集成化采集、傳輸、設備狀態監控和終端電力供應等功能，且能實現前端傳感器的集成化應用，簡化物聯網基礎設施建設過程，把成本降低15%。

4 微環境智能監測與控制平臺

設計的微環境智能監測與控制平臺，采用多源傳感器數據的融合和預測技術，實現監測信息在數據層的集成和趨勢預測與分析。根據不同應用場景，在數據集成基礎上開發豫科物理信息管理子系統和水肥一體化智能控制子系統。

以農業微環境為研究背景，結合無線網絡技術、傳感器技術和大數據技術，研發農業微環境智能監測與控制平臺，實現微環境下農作物生產的智能化、精準化管理。

5 產品的實際應用

目前，灌溉與施肥控制系統已在中牟及滎陽3個園區安裝調試完成，正在現場應用并測試中。與此同時，農業微環境監測與控制軟件平臺也已設計開發，其中包括兩項獨立開發的平臺級應用系統：信息管理發布系統和水肥一體化智能灌溉管理系統。平臺支持Web方式和APP方式訪問，實現了多源異構傳感器的數據集成與數據可視化。上位機Web頁面操作平臺和手機端APP軟件均已開發完成，正在實地使用并測試中。

實際應用證明，項目研發的高靈敏度的日照傳感器提高了日照監測數據的準確性，與水肥一體化控制系統結合，制定管控策略，實現了對施肥灌溉的精準控制;智能感知多傳感器終端，實現了傳感器的即插即用，利用無線網絡進行中繼通信，系統的建立簡單、快捷，無需對網絡設施進行預制，應用方便，擴展性良好;微環境智能監測與控制平臺，對多源異構傳感器數據進行數據融合和預測處理，實現監測信息的集成、挖掘和利用，實現對農業微環境監測信息的管理、發布、溯源、預警。

本系統完全滿足農業微環境對監測及控制系統的需求，能滿足國內中小型農場產業化應用與推廣，有利于實現節能高效、惠農利農的目標。

6 結論

本文設計的系統智能化程度高，設計合理，技術先進，實用性強，提高了農業微環境監控技術水平和農產品的品質與產量，降低了農業生產中水、肥、用工的成本，社會經濟效益顯著，推廣應用前景廣闊[3]。

參考文獻：

[1]彭靖.對我國農業廢棄物資源化利用的思考[J].生態環境學報2009（2）：749-798.

[2]程曼，王讓會.物聯網技術的研究與應用[J].地理信息世界，2010（5）：22-28.

[3]石京川，劉鈞，王建佳.一種新型日照傳感器的數據分析[J].氣象水文海洋儀器，2015（1）：39-45.

[4]王立柱，馬尚昌，張素娟.基于光電原理的日照傳感器初步研究[J].氣象水文海洋儀器，2012（1）：11-14.