張世杰，趙化啟，溫達志，向長勇，徐乾勇，羅 宏 （佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江佳木斯 154007）

隨著國際上有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展和環(huán)境保護意識的增強，綠色消費觀念深入人心，有機食品的市場需求與日俱增［1－2］，因此在冬季用蔬菜大棚生產(chǎn)綠色食品顯得尤為重要。但由于近年來全球氣候變化，各種自然災害頻繁發(fā)生，雪災是其中之一，嚴重的雪災會給農(nóng)林畜牧業(yè)、交通、通訊、建筑等行業(yè)造成極大的危害。在農(nóng)業(yè)上降雪對蔬菜大棚的影響是不可忽視的，目前的農(nóng)戶只能在降雪過后對大棚上的積雪進行處理，不能夠?qū)崟r地對降雪量進行檢測，這樣如果降雪量很大就會很難控制清理積雪的時間，處理時間不當大棚會被積雪壓垮，造成很嚴重的損失，而且影響蔬菜的正常生長，造成一定的經(jīng)濟損失［3－4］。因此在大棚的周邊設置大棚雪情實時檢測系統(tǒng)是很有必要的，此系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)實時發(fā)送給農(nóng)戶，用戶根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)，采取相應的應急措施，防止大棚被積雪壓垮。目前國內(nèi)測量積雪厚度的主要方法就是工作人員用量雪尺進行人工測量［5］，不僅麻煩而且不能達到實時監(jiān)測，因此設計一款能實時測量大棚積雪厚度的裝置是很有必要的。

1 大棚雪情檢測系統(tǒng)設計

如圖1所示，大棚雪情檢測系統(tǒng)共有4個模塊，分別為電源模塊、供熱模塊、發(fā)射模塊、接收模塊。其中電源模塊主要由太陽能電池板和調(diào)壓模塊組成，供電模塊主要為CPU供電，其次還提供給供熱模塊，使整個系統(tǒng)都做到環(huán)保節(jié)能。發(fā)射模塊由單片機系統(tǒng)Ⅰ、超聲波傳感器和無線發(fā)射器組成，單片機Ⅰ將超聲波傳感器檢測到的數(shù)據(jù)處理之后利用無線裝置發(fā)射。接收模塊由單片機系統(tǒng)Ⅱ和無線接收器組成，無線接收器將接收到的數(shù)據(jù)送到單片機系統(tǒng)Ⅱ，單片機系統(tǒng)Ⅱ利用一定的算法計算出精確的值并將這個值送到上位機顯示。

1．1 硬件系統(tǒng)設計

1．1．1 最小控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STC公司的STC89c52單片機作為控制器，它擁有8位CPU和可編程Flash儲存器，以及低功耗的空閑和掉電模式，極大地降低了電路的功耗，還包含了定時器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等硬件，其硬件能符合整個控制系統(tǒng)的要求，不需要外接其他存儲器芯片和定時器件，方便地構成一個最小系統(tǒng)［6］。整個系統(tǒng)結構緊湊，抗干擾能力強，性價比高。硬件原理如圖2所示。圖中主要包括單片機最小系統(tǒng);3．3～5．0 V穩(wěn)壓模塊作為無線模塊的電源;時鐘振蕩電路用于產(chǎn)生單片機正常工作時所需要的時鐘信號，電路由2個30 pF的瓷片電容和一個12 MHz的晶振組成，并接入到單片機的XTAL1和XTAL2引腳處，使單片機工作于內(nèi)部振蕩模式。此電路在加電后延遲大約10 ms振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3 V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率決定。電路中2個電容C1、C2的作用使電路快速起振，提高電路的運行速度。

1．1．2 無線模塊。無線模塊采用nRF24L01，nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片;它具有極低的電流消耗，當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為－6 dBm時電流消耗為9．0 mA接收模式時為12．3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低;工作的環(huán)境溫度可以達到－40℃，滿足冬季寒冷惡劣的條件;傳輸距離最多能達到110 m。工作電壓1．9～3．6 V，原理圖中的穩(wěn)壓模塊就是為nRF24L01設計的，可以達到其正常工作電壓，從而正常工作［7］。

1．1．3 超聲波模塊。將超聲波測雪系統(tǒng)安放在大棚的周邊，超聲波探頭與基準板間的距離為H，當下雪的時候，超聲波模塊檢測到信號，開始進行測量，超聲波遇到積雪表面產(chǎn)生反射，超聲波接收探頭接收到回波信號，由超聲波模塊工作原理（圖3）可知:

式中，h為積雪的厚度;S為兩探頭之間中心距離的1/2;v為超聲波在當時溫度下的傳播速度。由于溫度對超聲波的傳播速度有一定的影響，考慮到超聲波自帶溫度補償功能，所以有:

式中，T為當時的環(huán)境溫度;t表示超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間。

1．2 系統(tǒng)軟件設計 軟件部分采用C語言編程，C語言既有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點;而且C語言容易植入和更改，適用性強。首先系統(tǒng)上各模塊初始化，然后超聲波模塊開始工作，對采集到的數(shù)據(jù)判斷，如果數(shù)據(jù)沒有變化，系統(tǒng)進入待機模式并延時1 min再次對數(shù)據(jù)進行判斷;若有雪降落就會將數(shù)據(jù)發(fā)送到主單片機上，為了提高測量精度，主單片機每隔1 min向上位機發(fā)送一次數(shù)據(jù)并在這1 min內(nèi)對測到的數(shù)據(jù)進行取平均，整個流程圖思路清晰，有條理且容易調(diào)試和修改。該研究設計的系統(tǒng)主流程見圖4。

2 系統(tǒng)應用研究

表1為2015年3月11日14:49～17:19的一次降雪的測量，通過每隔10 min去大棚周邊進行人工測量的數(shù)據(jù)與大棚雪情檢測系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)進行對比，得出在這段時間內(nèi)的16組數(shù)據(jù)。絕對誤差表示實際值與測量值之間誤差的絕對值，很適合表示測量值的準確度。

表1 大棚雪情檢測數(shù)據(jù)分析 mm

根據(jù)表1測量結果得到實際值與測量值之間的變化曲線（圖5）。由圖5可知，測量值始終在實際值的上下變化，在冬季惡劣的環(huán)境下，風速和風向都會有所不同，會對浮雪有影響，導致實際值曲線上下波動;同時，溫度和濕度再加上風等還會對測量值有一定的影響，導致測量值的曲線波動。系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)誤差不超過3 mm，可見系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)很準確。

3 結論

該研究介紹的大棚雪情實時檢測系統(tǒng)，通過超聲波模塊和無線傳輸模塊實現(xiàn)了積雪厚度的實時監(jiān)測與傳輸，并經(jīng)過多次試驗和數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)準確可靠，且能夠在惡劣的環(huán)境下工作，為農(nóng)戶能夠及時掌握大棚降雪情況提供了一種有效的解決辦法，具有較好的應用前景。

［1］李曉燕．綠色食品國際市場分析及前景展望［J］．農(nóng)機化研究，2005（1）:6－11．

［2］李一唯．中國綠色食品產(chǎn)業(yè)國際競爭力實證分析［J］．對外經(jīng)貿(mào)，2015（1）:23 －26．

［3］蔣興榮．大棚雪壓的危害及預防［J］．農(nóng)業(yè)科學實驗，1988（1）:28－29．

［4］王玉堂．大棚種菜嚴防雪害［J］．農(nóng)家參謀，2012（2）:11．

［5］王道遠，陳方興．SXH1－1型超聲雪深測量儀在冬季測雪中的應用［J］．黑龍江科技信息，2012（18）:73

［6］郭天祥．51單片機C語言教程［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2009．

［7］劉志平，趙國良．基于nRF24L01的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸［J］．應用科技，2008，35（3）:55 －58．