設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)化檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)陜北地區(qū)特殊的農(nóng)作物生長(zhǎng)生態(tài)條件，介紹了發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)和管理的各種環(huán)境因素，對(duì)相關(guān)傳感器進(jìn)行了分析，提出了選擇標(biāo)準(zhǔn)，給出了設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)化檢測(cè)和管理的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)方案思路清楚，原理清晰，具有控制合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；傳感器；自動(dòng)化檢測(cè)；設(shè)計(jì)方案

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(zhǎng)提供最適宜的溫度、濕度、光照、水和肥等生長(zhǎng)環(huán)境，使作物處于最佳生長(zhǎng)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(cè)和控制技術(shù)，對(duì)溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等因素進(jìn)行測(cè)控。作物生長(zhǎng)環(huán)境因素?cái)?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(dòng)化檢測(cè)與控制的關(guān)鍵，因此傳感器的設(shè)計(jì)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(dòng)化測(cè)控的系統(tǒng)還不多，有些地方引進(jìn)了國外多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)，但由于價(jià)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(jì)水平較低，使用者文化知識(shí)層次不高，為此設(shè)計(jì)并研發(fā)一套性價(jià)比高、運(yùn)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(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)意義和價(jià)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(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，制作了檢測(cè)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(cè)和控制軟件，經(jīng)實(shí)踐測(cè)試基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取得了滿意效果。

1 設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)傳感器及自動(dòng)化檢測(cè)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(duì)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(duì)象經(jīng)濟(jì)承受能力不高，文化程度和使用維護(hù)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(jià)比。所以傳感器和自動(dòng)化檢測(cè)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(gè)連續(xù)性的生產(chǎn)過程，檢測(cè)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(qiáng)的傳感器才不容易出故障。因此一定要選擇和設(shè)計(jì)穩(wěn)定性與耐用性好的傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)。
2)適應(yīng)性與適用性要強(qiáng) 設(shè)施農(nóng)業(yè)的實(shí)質(zhì)是調(diào)節(jié)和控制作物生長(zhǎng)環(huán)境條件，是通過一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。因此傳感器的性能都應(yīng)該與檢測(cè)系統(tǒng)相適應(yīng)，尤其是傳感器的長(zhǎng)距離布點(diǎn)、傳感器靈敏度的一致性、傳感器的響應(yīng)時(shí)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(jià)比要高 設(shè)施農(nóng)業(yè)面積大，對(duì)檢測(cè)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(duì)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(shí)盡量降低成本，以適應(yīng)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，否則難于推廣使用。

2 設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)因素及傳感器的選擇
設(shè)施農(nóng)業(yè)中需要檢測(cè)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(duì)應(yīng)的傳感器對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。
2. 1 溫度傳感器
溫度是作物生長(zhǎng)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(xì)胞璧滲透性、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(zhǎng)的溫度變幅較窄，一般介于15～40℃，低于或高于這個(gè)限度，農(nóng)作物生長(zhǎng)速率減緩。目前用于檢測(cè)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(cè)量溫度)、測(cè)量誤差小、響應(yīng)速度和傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)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(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)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ADS90、DS18B20、LM35系列等。
2．2 濕度傳感器
濕度也是影響作物生長(zhǎng)的主要因素，因此目前設(shè)施農(nóng)業(yè)的檢測(cè)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(duì)濕度進(jìn)行檢測(cè)。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(diǎn)，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(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(zhǎng)。利用傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)CO2濃度，并根據(jù)植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)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(chǎng)上CO2濃度傳感器有電化學(xué)型、熱導(dǎo)型、紅外光吸收型等，而量適應(yīng)于設(shè)施農(nóng)業(yè)的是紅外光吸收型，因其具有測(cè)量范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、選擇性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，如8002W、CS-160、MG811、VC1008T系列。
2．4 光照度傳感器
光照是植物進(jìn)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(cè)光照度，進(jìn)而控制光照強(qiáng)度和光照時(shí)間，可以調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)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(cè)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(qiáng)、光照特性曲線為線性等許多優(yōu)點(diǎn)，更適合在設(shè)施農(nóng)業(yè)中使用。