设施农业环境自动化检测方案的设计

摘要：针对陕北地区特殊的农作物生长生态条件，介绍了发展设施农业自动化检测和管理的各种环境因素，对相关传感器进行了分析，提出了选择标准，给出了设施农业环境自动化检测和管理的硬件和软件设计方案。实践证明该设计方案思路清楚，原理清晰，具有控制合理，结构简单，操作方便，价格低廉等特点。
关键词：设施农业；传感器；自动化检测；设计方案

    设施农业是指利用具有特定结构和性能的设施，通过调节和控制局部范围内的环境因素，为作物生长提供最适宜的温度、湿度、光照、水和肥等生长环境，使作物处于最佳生长状态，从而获得高产、优质的一种高效农业。由于设施农业摆脱了传统农业生产中自然气候条件的制约，克服了传统农业难以解决的限制因素，因此就必须利用环境监测和控制技术，对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等因素进行测控。作物生长环境因素数据的采集获取是最重要的关键技术，传感器是数据采集的主要器件，其性能优劣是制约环境自动化检测与控制的关键，因此传感器的设计和选型至关重要。
    目前国内能够实现设施农业环境自动化测控的系统还不多，有些地方引进了国外多功能的大型连栋温室控制系统，但由于价格昂贵，不适合我国国情，难以推广应用。陕北地区自然条件恶劣，四季气候差异很大，变化反复无常，经济水平较低，使用者文化知识层次不高，为此设计并研发一套性价比高、运行稳定可靠、便于使用和推广的设施农业环境自动化测控系统意义和价值重大。在深入调研和反复研究的基础上，确定了传感器的选择原则和环境自动化测控系统的设计方案，制作了检测温度、湿度、土壤水分等参数的硬件电路，编写了相应数据采集检测和控制软件，经实践测试基本达到了设计要求，取得了满意效果。

1 设施农业对传感器及自动化检测系统的要求
    由于陕北地区设施农业中要控制的对象具有很高的分散性和复杂性，四季气候环境差异很大，加之目前尚未真正应用，使用对象经济承受能力不高，文化程度和使用维护水平较低，因此必须在满足性能要求的前提下尽量降低成本，以提高性价比。所以传感器和自动化检测系统的性能必须符合以下要求；
    1)稳定性与耐用性要好  设施农业是一个连续性的生产过程，检测系统使用环境比工业更恶劣，如高温、高湿等，再加上农业生产人员的科技素质普遍较低，使用过程中容易误操作，因此稳定性好、耐用性强的传感器才不容易出故障。因此一定要选择和设计稳定性与耐用性好的传感器和检测系统。
    2)适应性与适用性要强  设施农业的实质是调节和控制作物生长环境条件，是通过一个闭环系统来实现的。因此传感器的性能都应该与检测系统相适应，尤其是传感器的长距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等，这样才能使系统真正做到快速反应和调控环境的高效工作。
    3)性价比要高  设施农业面积大，对检测系统的潜在用量巨大，但是我国特别是陕北地区农业生产力水平较低，对农业设施的投入非常有限，因此必须在保证性能的同时尽量降低成本，以适应当地实际情况，否则难于推广使用。

2 设施农业环境检测因素及传感器的选择
    设施农业中需要检测的环境因素主要有温度、湿度、CO2浓度、光照度、土壤温度和含水量等，每一种环境因素都有对应的传感器对其进行数据检测。
2. 1 温度传感器
    温度是作物生长发育最重要的因素之一，直接影响作物光合作用、呼吸作用、细胞璧渗透性、水分和矿物质养分的吸收、蒸腾、酶活性和蛋白质凝聚等。大多数作物生长的温度变幅较窄，一般介于15～40℃，低于或高于这个限度，农作物生长速率减缓。目前用于检测温度的有模拟温度传感器、智能温度传感器、虚拟温度传感器等。由于模拟温度传感器功能单一(仅测量温度)、测量误差小、响应速度和传输速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单，是目前在国内外应用最为普遍的一种集成温度传感器。另外模拟温度传感器价格低廉，使用简单，特别适合在温室大棚等设施农业中使用。较常用的有ADS90、DS18B20、LM35系列等。
2．2 湿度传感器
    湿度也是影响作物生长的主要因素，因此目前设施农业的检测中，空气湿度也是主要参数之一。目前使用的湿度传感器，主要有电阻式和电容式两种。其基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜，空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数等发生很大的变化，从而对湿度进行检测。电容式湿敏元件具有响应速度快、体积小、线性度好、性能稳定等特点，特别是近几年出现的集成湿度传感器因其具有精度高、线性好、互换性强等诸多优点，在设施农业中得到快速而广泛的应用，如集成湿度传感器IH3605等。
2. 3 CO2浓度传感器
    二氧化碳是作物光合作用的主要原料，其含量直接影响作物的生长。利用传感器实时检测室内CO2浓度，并根据植物生长发育进行CO2施肥，可有效提高设施农业生产效率。目前市场上CO2浓度传感器有电化学型、热导型、红外光吸收型等，而量适应于设施农业的是红外光吸收型，因其具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点，如8002W、CS-160、MG811、VC1008T系列。
2．4 光照度传感器
    光照是植物进行光合作用不可缺少的条件，在设施农业中采用光照传感器来检测光照度，进而控制光照强度和光照时间，可以调节植物的生长发育过程。光照传感器有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏晶体管、光电池等，目前设施农业温室大棚环境检测用的光照度传感器大多为硅光电池和光敏二极管，而光敏二极管较硅光电池有工作稳定性强、光照特性曲线为线性等许多优点，更适合在设施农业中使用。
2．5 土壤温度传感器
    土壤温度对作物根系的生长有重要的作用，因此也是设施农业环境检测的主要参数之一。目前，设施农业中根部温度的检测传感器较多，但应用广泛的是具有耐腐蚀和防潮性能较好的电阻式温度传感器，如PTWD-3A、ST-22等。另外该类传感器具有价格低廉、性能稳定、市场供应便利、易于安装，更换的特点，比较适合设施农业生产。
2．6 土壤水分传感器
    水分是天然土壤的一个重要组成部分，它不仅影响到土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，而且是构成土壤肥力的一个重要因素，更是一切植物赖以生存的基本条件。因此测定土壤含水量，对实施精准农业，节水灌溉，提高农业生产效率有重要的意义。目前采用的传感器多种多样，有陶瓷水分传感器、电解质水分传感器、高分子传感器，压阻水分传感器、光敏水分传感器、微波法水分传感器、电容式水分传感器、电阻式土壤含水量传感器等。使用较多的是压阻水分传感器和电阻式土壤含水量传感器，如3．2MPX系列，sintek-4等。

3 设施农业环境自动化检测系统方案设计
3．1 硬件设计方案
    环境自动化检测系统的硬件设计方案框图如图1所示，主要有单片机、数据采集模块、数据转换电路、报警装置、执行机构、主控计算机等组成。其核心是单片机芯片组，作为系统各种参数的处理和控制器，完成各种数据的处理和控制任务，同时将处理后的数据传送给主机，实际应用时可根据被测控参数点的个数和控制的要求来决定单片机的数目。环境因素数据采集模块由温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器等组成，分别实时采集各测控点的温度、湿度、CO2浓度、光照度、土壤温度、土壤水分等环境因素模拟量并转换为电信号，经前置放大后送给A／D转换芯片。数据转换电路包括A／D转换和D／A转换电路，完成模拟量和数字量之间的相互转换。执行机构包括各种被控制的执行设备，在系统的控制下进行升温降温、加湿换风、CO2浓度调控、光环境调控、土壤环境调控等操作。另外还有光电驱动隔离，其作用是有效地隔离控制部分和执行部分，抑制大电流、大功率负载开启产生的各种电磁辐射和电压冲击等干扰，保证系统可靠稳定地工作。

    整个系统的工作原理是首先在单片机内设定温度、湿度、CO2浓度、光照度、土壤温度、土壤水分等环境因素的上下限值和报警值并予以保存，各种传感器实时检测到的参数值送到单片机后与其设定值进行比较，判断是否在设定的上下限值范围内，如在则表示环境可满足作物正常生长，如不在则由单片机控制驱动相关执行机构开始工作，如加热、换风、喷水等，直到环境参数达刭正常的范围内为止。当检测到的参数值超出了设定的报警值时，主控机会控制报警装置报警，系统可能有故障或环境参数严重不足的情况，提醒管理人员要采取相应措施确保系统芷常工作，使作物生长环境处于正常状态。
3．2 软件设计方案
    检测系统软件设计方案主程序流程图如图2所示。工作过程是系统上电后首先对各部分进行初始化，通过健盘完成系统各个运行参数的设定，之后系统就进入正常工作状态，主程序对整个系统进行实时监控，即系统自动采集来自各测控点温度、湿度；CO2浓度、光照度、土壤温度、土壤水分等环境因素的值，根据传感器的特性由单片机控制多路采集信号的分时切入，将其值与设定的各参数值进行比较，通过输出控制处理程序决定是否启动执行机构，同时由显示模块显示被测控点的环境因素。当系统运行中出现了异常时，如传感器、放大器等部件故障，环境参数超限报警等情况，系统将进入相应的中断处理程序。

4 结束语
    我国是一个农业大国，人口众多，但农业生产科技含量和生产水平低下。特别是陕北地区自然条件恶劣，土地贫瘠，随着退耕还林政策的进一步落实，十分有限的耕地面积会更加少，因此发展高效的设施农业是必然趋势。设计并研发一套适合当地实际的设施农业自动化检测和管理系统，可极大地提高农业生产效率，具有十分广阔的应用前景。