設施農業(yè)環(huán)境自動(dòng)化檢測方案的設計

摘要：針對陜北地區特殊的農作物生長(cháng)生態(tài)條件，介紹了發(fā)展設施農業(yè)自動(dòng)化檢測和管理的各種環(huán)境因素，對相關(guān)傳感器進(jìn)行了分析，提出了選擇標準，給出了設施農業(yè)環(huán)境自動(dòng)化檢測和管理的硬件和軟件設計方案。實(shí)踐證明該設計方案思路清楚，原理清晰，具有控制合理，結構簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：設施農業(yè)；傳感器；自動(dòng)化檢測；設計方案

設施農業(yè)是指利用具有特定結構和性能的設施，通過(guò)調節和控制局部范圍內的環(huán)境因素，為作物生長(cháng)提供最適宜的溫度、濕度、光照、水和肥等生長(cháng)環(huán)境，使作物處于最佳生長(cháng)狀態(tài)，從而獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的一種高效農業(yè)。由于設施農業(yè)擺脫了傳統農業(yè)生產(chǎn)中自然氣候條件的制約，克服了傳統農業(yè)難以解決的限制因素，因此就必須利用環(huán)境監測和控制技術(shù)，對溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等因素進(jìn)行測控。作物生長(cháng)環(huán)境因素數據的采集獲取是最重要的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器是數據采集的主要器件，其性能優(yōu)劣是制約環(huán)境自動(dòng)化檢測與控制的關(guān)鍵，因此傳感器的設計和選型至關(guān)重要。
目前國內能夠實(shí)現設施農業(yè)環(huán)境自動(dòng)化測控的系統還不多，有些地方引進(jìn)了國外多功能的大型連棟溫室控制系統，但由于價(jià)格昂貴，不適合我國國情，難以推廣應用。陜北地區自然條件惡劣，四季氣候差異很大，變化反復無(wú)常，經(jīng)濟水平較低，使用者文化知識層次不高，為此設計并研發(fā)一套性?xún)r(jià)比高、運行穩定可靠、便于使用和推廣的設施農業(yè)環(huán)境自動(dòng)化測控系統意義和價(jià)值重大。在深入調研和反復研究的基礎上，確定了傳感器的選擇原則和環(huán)境自動(dòng)化測控系統的設計方案，制作了檢測溫度、濕度、土壤水分等參數的硬件電路，編寫(xiě)了相應數據采集檢測和控制軟件，經(jīng)實(shí)踐測試基本達到了設計要求，取得了滿(mǎn)意效果。

1 設施農業(yè)對傳感器及自動(dòng)化檢測系統的要求
由于陜北地區設施農業(yè)中要控制的對象具有很高的分散性和復雜性，四季氣候環(huán)境差異很大，加之目前尚未真正應用，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(mǎn)足性能要求的前提下盡量降低成本，以提高性?xún)r(jià)比。所以傳感器和自動(dòng)化檢測系統的性能必須符合以下要求；
1)穩定性與耐用性要好 設施農業(yè)是一個(gè)連續性的生產(chǎn)過(guò)程，檢測系統使用環(huán)境比工業(yè)更惡劣，如高溫、高濕等，再加上農業(yè)生產(chǎn)人員的科技素質(zhì)普遍較低，使用過(guò)程中容易誤操作，因此穩定性好、耐用性強的傳感器才不容易出故障。因此一定要選擇和設計穩定性與耐用性好的傳感器和檢測系統。
2)適應性與適用性要強 設施農業(yè)的實(shí)質(zhì)是調節和控制作物生長(cháng)環(huán)境條件，是通過(guò)一個(gè)閉環(huán)系統來(lái)實(shí)現的。因此傳感器的性能都應該與檢測系統相適應，尤其是傳感器的長(cháng)距離布點(diǎn)、傳感器靈敏度的一致性、傳感器的響應時(shí)間等，這樣才能使系統真正做到快速反應和調控環(huán)境的高效工作。
3)性?xún)r(jià)比要高 設施農業(yè)面積大，對檢測系統的潛在用量巨大，但是我國特別是陜北地區農業(yè)生產(chǎn)力水平較低，對農業(yè)設施的投入非常有限，因此必須在保證性能的同時(shí)盡量降低成本，以適應當地實(shí)際情況，否則難于推廣使用。

2 設施農業(yè)環(huán)境檢測因素及傳感器的選擇
設施農業(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)境因素都有對應的傳感器對其進(jìn)行數據檢測。
2. 1 溫度傳感器
溫度是作物生長(cháng)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、細胞璧滲透性、水分和礦物質(zhì)養分的吸收、蒸騰、酶活性和蛋白質(zhì)凝聚等。大多數作物生長(cháng)的溫度變幅較窄，一般介于15～40℃，低于或高于這個(gè)限度，農作物生長(cháng)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(jìn)行非線(xiàn)性校準，外圍電路簡(jiǎn)單，是目前在國內外應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施農業(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(cháng)的主要因素，因此目前設施農業(yè)的檢測中，空氣濕度也是主要參數之一。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)常數等發(fā)生很大的變化，從而對濕度進(jìn)行檢測。電容式濕敏元件具有響應速度快、體積小、線(xiàn)性度好、性能穩定等特點(diǎn)，特別是近幾年出現的集成濕度傳感器因其具有精度高、線(xiàn)性好、互換性強等諸多優(yōu)點(diǎn)，在設施農業(yè)中得到快速而廣泛的應用，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(cháng)。利用傳感器實(shí)時(shí)檢測室內CO2濃度，并根據植物生長(cháng)發(fā)育進(jìn)行CO2施肥，可有效提高設施農業(yè)生產(chǎn)效率。目前市場(chǎng)上CO2濃度傳感器有電化學(xué)型、熱導型、紅外光吸收型等，而量適應于設施農業(yè)的是紅外光吸收型，因其具有測量范圍寬、靈敏度高、響應時(shí)間快、選擇性好、抗干擾能力強等特點(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，在設施農業(yè)中采用光照傳感器來(lái)檢測光照度，進(jìn)而控制光照強度和光照時(shí)間，可以調節植物的生長(cháng)發(fā)育過(guò)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，目前設施農業(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定性強、光照特性曲線(xiàn)為線(xiàn)性等許多優(yōu)點(diǎn)，更適合在設施農業(yè)中使用。