陽光直射條件下3種溫室空氣溫度傳感器對(duì)比試驗(yàn)

關(guān)鍵詞：溫室；陽光直射；空氣溫度；干濕球；熱電偶；溫濕度傳感器

0 引言

日光溫室作為具有典型中國特色、規(guī)模巨大的設(shè)施類型，是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1-3]。根據(jù)全國農(nóng)業(yè)機(jī)械化統(tǒng)計(jì)年報(bào)數(shù)據(jù)，截至2020年我國日光溫室面積達(dá)55萬hm2，占全國設(shè)施總面積的30%[4]。

隨著人口的增長和社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求已由僅追求產(chǎn)量向同時(shí)追求產(chǎn)量和品質(zhì)轉(zhuǎn)變[5]。影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的環(huán)境因素有很多，如溫度、光照、濕度和二氧化碳濃度等，其中室內(nèi)空氣溫度作為作物生長過程中的重要環(huán)境因子，對(duì)作物的新陳代謝活動(dòng)及作物的產(chǎn)量和品質(zhì)都有著直接的影響[6]。如喜溫作物番茄，長期在低于5°C環(huán)境下能夠引起凍害，但室內(nèi)空氣溫度超過40°C，也將不利于其生長[7-10]。因此，將溫室空氣溫度控制在適宜作物生長的范圍之內(nèi)對(duì)作物的產(chǎn)量及品質(zhì)具有重要的意義。

溫室環(huán)境控制系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)各溫室環(huán)境控制設(shè)備（加熱設(shè)備、降溫設(shè)備、通風(fēng)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)等），使空氣溫度等溫室內(nèi)微氣候達(dá)到適宜作物生長的狀態(tài)[11]。溫室環(huán)境控制系統(tǒng)包括硬件設(shè)備和溫室環(huán)境控制策略兩部分，其核心為溫室環(huán)境控制策略。空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)是溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)制定控制策略的依據(jù)，同時(shí)也作為控制反饋輸入到環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)以修正環(huán)境調(diào)控策略，因此空氣溫度數(shù)據(jù)測(cè)量精度決定著溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控質(zhì)量。假設(shè)傳感器測(cè)量溫度高于實(shí)際溫度，如實(shí)際溫度lt;5°C，而由于測(cè)量誤差，傳感器測(cè)量溫度gt;5°C，則將使控制系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的控制策略而不進(jìn)行加熱，導(dǎo)致番茄等喜溫作物產(chǎn)生凍害。如果測(cè)量溫度低于實(shí)際溫度，則系統(tǒng)可能在不需要加熱的環(huán)境情況下，控制加熱系統(tǒng)工作，從而增加了溫室的運(yùn)行成本。

近年來很多研究人員開展了溫室建模方面的研究工作，室內(nèi)空氣溫度在溫室建模領(lǐng)域扮演著重要的角色[12]。

目前溫室模型總體上分為機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型兩種類型[13-16]。對(duì)于溫室機(jī)理模型來說，室內(nèi)空氣溫度為溫室機(jī)理模型的狀態(tài)變量，如果空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，將會(huì)影響溫室機(jī)理模型的驗(yàn)證效果。對(duì)于溫室數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型來說，在構(gòu)建模型前需構(gòu)建用于模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集變量包括特征輸入和輸出變量，特征輸入變量一般為室外氣象數(shù)據(jù)等易獲取的數(shù)據(jù)變量，特征輸出變量為室內(nèi)空氣溫度，如果空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的話，將嚴(yán)重降低數(shù)據(jù)集質(zhì)量，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的預(yù)測(cè)精度。

目前在溫室中應(yīng)用的溫度傳感器大多是從工業(yè)傳感器直接過渡過來的，未考慮溫室內(nèi)陽光直射的環(huán)境特性而導(dǎo)致測(cè)量誤差增大的問題[12]。為了避免陽光直射影響空氣溫度測(cè)量精度，很多種植者將溫度傳感器放置于百葉箱中，由于太陽光照射到百葉箱表面間接使百葉箱內(nèi)部溫度升高且百葉箱內(nèi)空氣與外界空氣流通較慢，導(dǎo)致百葉箱內(nèi)溫度與空氣溫度仍有較大偏差。此外，用戶在選擇傳感器時(shí)優(yōu)先考慮價(jià)格因素，而對(duì)傳感器的測(cè)量精度沒有足夠的重視。

國外溫室類型主要是連棟溫室，空氣溫度數(shù)據(jù)采集主要使用豪根道（Hoogendoorn）、普瑞瓦（Priva）和騎士（Ridder）等公司研制的溫濕度傳感器，傳感器采用干濕球原理測(cè)量數(shù)據(jù)，具有測(cè)量范圍大、精度高的特點(diǎn)。但是傳感器價(jià)格昂貴，并且數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不開放，僅能與以上公司開發(fā)的環(huán)境控制系統(tǒng)配合使用[12]。

針對(duì)陽光直射導(dǎo)致空氣溫度測(cè)量偏差較大的問題，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所研發(fā)了一種干濕球原理專用溫濕度傳感器（以下簡稱干濕球傳感器），使用隔熱材料避免陽光直接照射到干濕球傳感器。此外，干濕球傳感器內(nèi)部設(shè)置有風(fēng)道，將其設(shè)置在風(fēng)道內(nèi)部，通過強(qiáng)制通風(fēng)促使風(fēng)道內(nèi)部溫濕度環(huán)境與外部空氣溫濕度環(huán)境相同，解決了太陽直射導(dǎo)致的常規(guī)溫室空氣溫度傳感器測(cè)量誤差問題。基于以上技術(shù)措施，干濕球傳感器測(cè)量的空氣溫度數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值。

本研究將干濕球傳感器與另外兩種應(yīng)用比較廣泛的空氣溫度測(cè)量方式，即熱電偶傳感器和SHT35型溫濕度傳感器（以下簡稱SHT35型傳感器）的空氣溫度數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，以探索陽光直射條件下干濕球傳感器采取隔熱材料防陽光直射等措施后的空氣溫度測(cè)量效果及量化常規(guī)溫室空氣溫度傳感器測(cè)量偏差，為溫室空氣溫度傳感器選型提供一定的參考依據(jù)。

1 基本原理

1.1 熱電偶傳感器

熱電偶傳感器是一種應(yīng)用非常普遍的接觸式溫度傳感器，具有響應(yīng)速度快、裝配簡單、使用方便、不易損壞和體積小等優(yōu)點(diǎn)，由兩根不同的金屬導(dǎo)體組成[17-19]。兩根金屬導(dǎo)體一端連接在一起形成測(cè)量端，也稱為熱端，一般放置于需要測(cè)量溫度的介質(zhì)中。兩根金屬導(dǎo)體的另外一端被稱為冷端，連接PLC等測(cè)量儀器或者儀表以讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。

熱電偶傳感器基于熱平衡機(jī)理實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，其利用熱端和冷端的溫度差引起金屬導(dǎo)體內(nèi)電子遷移程度的差異而導(dǎo)致冷端產(chǎn)生電勢(shì)差，通過測(cè)量電勢(shì)差得到溫度差，進(jìn)而得到測(cè)量介質(zhì)的溫度[20-21]。本研究選擇的熱電偶傳感器為K型熱電偶傳感器，精度±0.3°C、測(cè)量范圍–50～100°C。

1.2 干濕球傳感器

干濕球傳感器由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所研發(fā)，其測(cè)量精度為相對(duì)濕度±3%、溫度±0.1°C，溫度測(cè)量范圍0～50°C，支持485或4G信號(hào)輸出，具有實(shí)時(shí)液位檢測(cè)功能。干濕球傳感器主要由控制器、殼體、引水棉、干球溫度計(jì)、濕球溫度計(jì)、風(fēng)道、風(fēng)扇和儲(chǔ)水盒組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)道在殼體內(nèi)部，為兩端貫通狀，兩端均敞口且為中空結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)設(shè)置于風(fēng)道內(nèi)部，干球溫度計(jì)和濕球溫度計(jì)分別插入風(fēng)道內(nèi)部，濕球溫度計(jì)與引水棉連接。

在風(fēng)道內(nèi)部風(fēng)機(jī)作用下，氣流從風(fēng)道一端進(jìn)入，沿風(fēng)道移動(dòng)后從另外一端流出，保持風(fēng)道內(nèi)空氣與溫室空氣循環(huán)，從而使風(fēng)道內(nèi)的空氣溫度與溫室內(nèi)空氣溫度相同。風(fēng)道設(shè)置在殼體內(nèi)部，殼體對(duì)風(fēng)道起到隔熱作用，另外，也可避免風(fēng)道接受陽光直射影響干濕球傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性。濕球溫度計(jì)測(cè)量濕球溫度，與干球溫度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合計(jì)算相對(duì)濕度，其詳細(xì)技術(shù)原理參考文獻(xiàn)[22]。

1.3 SHT35型傳感器

SHT35型傳感器是瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的一種能夠同時(shí)測(cè)量空氣溫度和濕度的傳感器，具有較高的測(cè)量精度和數(shù)據(jù)可靠性。SHT35型傳感器功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括溫度傳感器、濕度傳感器、ADC、數(shù)據(jù)處理模塊和校準(zhǔn)記憶模塊等，數(shù)據(jù)接口采用IIC總線協(xié)議，測(cè)量精度為相對(duì)濕度±1.5%、溫度±0.1°C。

2 平臺(tái)搭建和數(shù)據(jù)獲取

2.1 試驗(yàn)溫室

試驗(yàn)溫室位于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院永清精準(zhǔn)試驗(yàn)基地（39.32°N、116.49°E），溫室類型為日光溫室，溫室長度60m、寬度10m、脊高5.32m、前屋面投影30°和后屋面仰角46°，溫室詳細(xì)建筑參數(shù)參考文獻(xiàn)[23]。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

為了對(duì)溫室空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，本研究構(gòu)建了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集和存儲(chǔ)了3種空氣溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括環(huán)境感知層、傳輸層和應(yīng)用層，如圖3所示。

環(huán)境感知層由太陽輻射傳感器、SHT35型傳感器、熱電偶傳感器、干濕球傳感器及CPU等組成，其中SHT35型傳感器與熱電偶傳感器分別放置于百葉箱中，以避免太陽輻射對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響[24]。熱電偶傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過M2101數(shù)據(jù)采集卡處理之后，通過Modbus協(xié)議傳輸給CPU，SHT35型傳感器采用IIC總線協(xié)議與CPU通信。太陽輻射傳感器與干濕球傳感器通過Modbus協(xié)議與CPU通信，本研究選擇的太陽輻射傳感器型號(hào)為HQTBQ，傳感器測(cè)量精度1W/m2，測(cè)量范圍0～2000W/m2。CPU選擇STM32F407，主要作用為通過Modbus、IIC等數(shù)據(jù)通訊協(xié)議讀取各傳感器的數(shù)據(jù)，并將讀取數(shù)據(jù)處理后通過485總線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)[25]。

傳輸層由網(wǎng)關(guān)和基站構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)接收來自現(xiàn)場發(fā)送的數(shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到基站，基站再將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

應(yīng)用層包括服務(wù)器及運(yùn)行在服務(wù)器上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集云平臺(tái)，平臺(tái)包括首頁、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)曲線4個(gè)功能模塊，如圖4所示。通過云平臺(tái)可遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理和下載。云平臺(tái)前臺(tái)界面采用html+css架構(gòu)開發(fā)，后臺(tái)開發(fā)語言采用C#，腳本語言選擇JavaScript；平臺(tái)將接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SQLServer數(shù)據(jù)庫，用戶可通過計(jì)算機(jī)及移動(dòng)終端訪問試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集云平臺(tái)。

3 結(jié)果與討論

本研究于2023年選擇了4個(gè)典型時(shí)間階段：3月27—31日、5月26—30日、6月6—10日和9月6—10日，分析了3種溫室空氣溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果。由圖5可知，3月27—31日天氣全部為晴天，太陽輻射最大值分別為848、732、801、760和836W/m2；5月26—30日以多云天氣為主，太陽輻射波動(dòng)較大，太陽輻射最大值分別為901、618、1170、1201和428W/m2；6月6—10日天氣全部為晴天，太陽輻射最大值分別為1007、1111、1084、1124和1042W/m2；9月6日為晴天、9月7日和9月10日為多云天氣、9月8日和9月9日為陰天，太陽輻射水平較低，9月6—10日太陽輻射最大值分別為831、831、419、194和850W/m2。本研究所分析的4個(gè)時(shí)間段包括了太陽輻射較強(qiáng)的天氣情況，也包括了多云、陰天等太陽輻射較弱的情況，以對(duì)比分析不同太陽輻射情況對(duì)3種空氣溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果的影響。

4個(gè)時(shí)間段3種溫室空氣溫度傳感器測(cè)量結(jié)果對(duì)比曲線如圖6所示，夜間及太陽輻射強(qiáng)度較低的情況下，3種空氣溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果偏差較小。中午太陽輻射強(qiáng)度較高的情況下，使用熱電偶和SHT35型傳感器測(cè)量的空氣溫度數(shù)據(jù)明顯高于使用干濕球傳感器所測(cè)量的空氣溫度數(shù)據(jù)。

表1為4個(gè)典型時(shí)間段每天9：00—16：00熱電偶傳感器、SHT35型傳感器與干濕球傳感器空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差和平均偏差統(tǒng)計(jì)。由表1可知，熱電偶傳感器、SHT35型傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)明顯大于干濕球傳感器所測(cè)量的數(shù)據(jù)。3月27—31日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器室內(nèi)空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差3.90°C，平均偏差最大值1.49°C；SHT35型傳感器與干濕球傳感器室內(nèi)空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差5.35°C，平均偏差最大值3.18°C。5月26—30日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器室內(nèi)空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差5.20°C，平均偏差最大值2.75°C；SHT35型傳感器與干濕球傳感器室內(nèi)空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差6.10°C，平均偏差最大值3.50°C。6月6—10日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器室內(nèi)空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差8.17°C，平均偏差最大值4.52°C；SHT35型傳感器與干濕球傳感器室內(nèi)空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差8.59°C，平均偏差最大值5.12°C。9月6—10日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差7.78°C，平均偏差最大值4.79°C；SHT35型傳感器與干濕球傳感器室內(nèi)空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)最大偏差5.58°C，平均偏差最大值3.66°C。

4個(gè)時(shí)間段中有4d的太陽輻射水平相對(duì)較低，分別為2023年5月27日、5月30日、9月8日和9月9日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的平均偏差分別為1.28、0.90、1.18和0.89°C，SHT35型傳感器與干濕球傳感器空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的平均偏差分別為1.56、1.09、1.08和0.46°C。結(jié)果表明，在多云、陰天等太陽輻射水平較低的天氣狀況下，熱電偶傳感器和SHT35型傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)與干濕球傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)偏差小于晴天等太陽輻射強(qiáng)度水平較高的天氣狀況。通過以上分析結(jié)果能夠得出太陽輻射強(qiáng)度越大，熱電偶傳感器和SHT35型傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)相比干濕球傳感器測(cè)量結(jié)果偏差越大。

4 結(jié)束語

在陽光直射條件下常規(guī)空氣溫度測(cè)量方式測(cè)量數(shù)據(jù)偏大。干濕球傳感器通過采用隔熱材料避免陽光直射及強(qiáng)制通風(fēng)等措施所獲取的空氣溫度測(cè)量數(shù)據(jù)更接近真實(shí)數(shù)據(jù)。為了探索陽光直射條件下干濕球傳感器采取隔熱材料防陽光直射等措施后的空氣溫度測(cè)量效果及量化常規(guī)溫室空氣溫度傳感器測(cè)量偏差，本研究對(duì)3種溫室空氣溫度傳感器：干濕球原理專用溫濕度傳感器（干濕球傳感器）、熱電偶傳感器和SHT35型溫濕度傳感器（SHT35型傳感器）空氣溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

（1）在陽光直射條件下，2種典型溫室空氣溫度傳感器測(cè)量結(jié)果明顯高于干濕球傳感器。SHT35型傳感器與干濕球傳感器測(cè)量最大偏差達(dá)8.59°C，最小偏差1.19°C，每日平均偏差最大5.12°C，最小0.46°C。熱電偶傳感器與干濕球傳感器最大偏差達(dá)8.17°C，最小偏差1.84°C，每日平均偏差最大值4.79°C，最小值0.89°C。

（2）室外太陽輻射強(qiáng)度越大，2種典型溫室空氣溫度傳感器與干濕球傳感器的測(cè)量結(jié)果偏差越大，反之，則偏差越小。

本研究通過試驗(yàn)探索了陽光直射條件下干濕球傳感器采取隔熱材料防陽光直射等措施后的數(shù)據(jù)測(cè)量效果，量化了常規(guī)溫室空氣溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差，為溫室空氣溫度傳感器選型提供了參考依據(jù)。