白澤生，劉竹琴

（延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安716000）

設(shè)施農(nóng)業(yè)是指利用具有特定結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)施，通過調(diào)節(jié)和控制局部范圍內(nèi)的環(huán)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(huán)境，使作物處于最佳生長狀態(tài)，從而獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的一種高效農(nóng)業(yè)。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)擺脫了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中自然氣候條件的制約，克服了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)難以解決的限制因素，因此就必須利用環(huán)境監(jiān)測和控制技術(shù)，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(huán)境因素數(shù)據(jù)的采集獲取是最重要的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器是數(shù)據(jù)采集的主要器件，其性能優(yōu)劣是制約環(huán)境自動化檢測與控制的關(guān)鍵，因此傳感器的設(shè)計和選型至關(guān)重要。

目前國內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動化測控的系統(tǒng)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(tǒng)，但由于價格昂貴，不適合我國國情，難以推廣應(yīng)用。陜北地區(qū)自然條件惡劣，四季氣候差異很大，變化反復(fù)無常，經(jīng)濟水平較低，使用者文化知識層次不高，為此設(shè)計并研發(fā)一套性價比高、運行穩(wěn)定可靠、便于使用和推廣的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動化測控系統(tǒng)意義和價值重大。在深入調(diào)研和反復(fù)研究的基礎(chǔ)上，確定了傳感器的選擇原則和環(huán)境自動化測控系統(tǒng)的設(shè)計方案，制作了檢測溫度、濕度、土壤水分等參數(shù)的硬件電路，編寫了相應(yīng)數(shù)據(jù)采集檢測和控制軟件，經(jīng)實踐測試基本達到了設(shè)計要求，取得了滿意效果。

1 設(shè)施農(nóng)業(yè)對傳感器及自動化檢測系統(tǒng)的要求

由于陜北地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)中要控制的對象具有很高的分散性和復(fù)雜性，四季氣候環(huán)境差異很大，加之目前尚未真正應(yīng)用，使用對象經(jīng)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(tǒng)的性能必須符合以下要求：

1）穩(wěn)定性與耐用性要好設(shè)施農(nóng)業(yè)是一個連續(xù)性的生產(chǎn)過程，檢測系統(tǒng)使用環(huán)境比工業(yè)更惡劣，如高溫、高濕等，再加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員的科技素質(zhì)普遍較低，使用過程中容易誤操作，因此穩(wěn)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(shè)計穩(wěn)定性與耐用性好的傳感器和檢測系統(tǒng)。

2）適應(yīng)性與適用性要強設(shè)施農(nóng)業(yè)的實質(zhì)是調(diào)節(jié)和控制作物生長環(huán)境條件，是通過一個閉環(huán)系統(tǒng)來實現(xiàn)的。因此傳感器的性能都應(yīng)該與檢測系統(tǒng)相適應(yīng)，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(yīng)時間等，這樣才能使系統(tǒng)真正做到快速反應(yīng)和調(diào)控環(huán)境的高效工作。

3）性價比要高設(shè)施農(nóng)業(yè)面積大，對檢測系統(tǒng)的潛在用量巨大，但是我國特別是陜北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平較低，對農(nóng)業(yè)設(shè)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(yīng)當?shù)貙嶋H情況，否則難于推廣使用。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測因素及傳感器的選擇

設(shè)施農(nóng)業(yè)中需要檢測的環(huán)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(huán)境因素都有對應(yīng)的傳感器對其進行數(shù)據(jù)檢測。

2.1 溫度傳感器

溫度是作物生長發(fā)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(zhì)養(yǎng)分的吸收、蒸騰、酶活性和蛋白質(zhì)凝聚等。大多數(shù)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(nóng)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(yīng)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(nèi)外應(yīng)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(shè)施農(nóng)業(yè)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(shè)施農(nóng)業(yè)的檢測中，空氣濕度也是主要參數(shù)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(zhì)常數(shù)等發(fā)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(yīng)速度快、體積小、線性度好、性能穩(wěn)定等特點[2]，特別是近幾年出現(xiàn)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(yōu)點，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到快速而廣泛的應(yīng)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(nèi)CO2濃度，并根據(jù)植物生長發(fā)育進行CO2施肥，可有效提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。目前市場上CO2濃度傳感器有電化學(xué)型、熱導(dǎo)型、紅外光吸收型等，而最適應(yīng)于設(shè)施農(nóng)業(yè)的是紅外光吸收型，因其具有測量范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)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(shè)施農(nóng)業(yè)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(diào)節(jié)植物的生長發(fā)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(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)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(wěn)定性強、光照特性曲線為線性等許多優(yōu)點[3]，更適合在設(shè)施農(nóng)業(yè)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(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測的主要參數(shù)之一。目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)中根部溫度的檢測傳感器較多，但應(yīng)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(wěn)定、市場供應(yīng)便利、易于安裝、更換的特點，比較適合設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動，而且是構(gòu)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(nóng)業(yè)，節(jié)水灌溉，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(zhì)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(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動化檢測系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計方案

環(huán)境自動化檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案框圖如圖1所示，主要有單片機、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、報警裝置、執(zhí)行機構(gòu)、主控計算機等組成[5-6]。其核心是單片機芯片組，作為系統(tǒng)各種參數(shù)的處理和控制器，完成各種數(shù)據(jù)的處理和控制任務(wù)，同時將處理后的數(shù)據(jù)傳送給主機，實際應(yīng)用時可根據(jù)被測控參數(shù)點的個數(shù)和控制的要求來決定單片機的數(shù)目。環(huán)境因素數(shù)據(jù)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(huán)境因素模擬量并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大后送給A/D轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路包括A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換電路，完成模擬量和數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換。執(zhí)行機構(gòu)包括各種被控制的執(zhí)行設(shè)備，在系統(tǒng)的控制下進行升溫降溫、加濕換風、CO2濃度調(diào)控、光環(huán)境調(diào)控、土壤環(huán)境調(diào)控等操作。另外還有光電驅(qū)動隔離，其作用是有效地隔離控制部分和執(zhí)行部分，抑制大電流、大功率負載開啟產(chǎn)生的各種電磁輻射和電壓沖擊等干擾，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地工作。

圖1 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖Fig.1Hardware design block diagram of detection system

整個系統(tǒng)的工作原理是首先在單片機內(nèi)設(shè)定溫度、濕度、CO2濃度、光照度、土壤溫度、土壤水分等環(huán)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(shù)值送到單片機后與其設(shè)定值進行比較，判斷是否在設(shè)定的上下限值范圍內(nèi)，如在則表示環(huán)境可滿足作物正常生長，如不在則由單片機控制驅(qū)動相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)開始工作，如加熱、換風、噴水等，直到環(huán)境參數(shù)達到正常的范圍內(nèi)為止。當檢測到的參數(shù)值超出了設(shè)定的報警值時，主控機會控制報警裝置報警，系統(tǒng)可能有故障或環(huán)境參數(shù)嚴重不足的情況，提醒管理人員要采取相應(yīng)措施確保系統(tǒng)正常工作，使作物生長環(huán)境處于正常狀態(tài)。

3.2 軟件設(shè)計方案

檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計方案主程序流程圖如圖2所示[5-6]。工作過程是系統(tǒng)上電后首先對各部分進行初始化，通過鍵盤完成系統(tǒng)各個運行參數(shù)的設(shè)定，之后系統(tǒng)就進入正常工作狀態(tài)，主程序?qū)φ麄€系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，即系統(tǒng)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(huán)境因素的值，根據(jù)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(shè)定的各參數(shù)值進行比較，通過輸出控制處理程序決定是否啟動執(zhí)行機構(gòu)，同時由顯示模塊顯示被測控點的環(huán)境因素。當系統(tǒng)運行中出現(xiàn)了異常時，如傳感器、放大器等部件故障，環(huán)境參數(shù)超限報警等情況，系統(tǒng)將進入相應(yīng)的中斷處理程序。

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

4 結(jié)束語

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，人口眾多，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科技含量和生產(chǎn)水平低下。特別是陜北地區(qū)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(fā)展高效的設(shè)施農(nóng)業(yè)是必然趨勢。設(shè)計并研發(fā)一套適合當?shù)貙嶋H的設(shè)施農(nóng)業(yè)自動化檢測和管理系統(tǒng)，可極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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