農(nóng)業(yè)微環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

雷雨果 劉抗 楊森

摘 要：本文利用智能感知與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高效實(shí)用、易于部署的基于農(nóng)業(yè)微環(huán)境的智能農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程采集和農(nóng)業(yè)設(shè)施的智能控制，讓科技智能化技術(shù)與農(nóng)業(yè)過(guò)程深度融合。該系統(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)微環(huán)境;日照傳感器;智能監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）22-0008-03

Design of Intelligent Monitoring and Control System for

Agricultural Microenvironment

LEI Yuguo1，2 LIU Kang1，2 YANG Sen1，2

Abstract： In this paper， an efficient， practical and easy-to-deploy intelligent agricultural environment monitoring and control system based on agricultural micro-environment was designed by using intelligent perception and Internet of Things technology. It realizes remote collection of agricultural environmental information and intelligent control of agricultural facilities. It enables the deep integration of scientific and technological intelligence technology and agricultural process， and is widely used. At present， the system is widely used in Henan Modern Agricultural Demonstration Park project.

Keywords： agricultural micro-environment;sunshine sensor;intelligent monitoring

1 研究背景

我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平低，大部分地區(qū)仍采用簡(jiǎn)單粗放型的生產(chǎn)方式?？萍妓胶突A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的落后導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)業(yè)在作物產(chǎn)量、質(zhì)量、能源利用率等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍具有明顯差距。產(chǎn)出投入比只有2∶1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家的4.2∶1[1]。為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，近年來(lái)國(guó)家大力推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，如加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，大規(guī)模實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水工程，加大水肥一體化等農(nóng)藝節(jié)水推廣力度;實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)工程，推進(jìn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)示范和農(nóng)業(yè)裝備智能化;發(fā)展智慧氣象，提高氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警水平。

目前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)多數(shù)處于技術(shù)應(yīng)用的初級(jí)階段，尚未實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)深入挖掘與應(yīng)用，無(wú)法對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化、精準(zhǔn)化管理。根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重點(diǎn)建設(shè)方向?qū)⒁劳懈呔绒r(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的集成、分析、挖掘、利用，從而推動(dòng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全等體系的建設(shè)[2]。

為響應(yīng)國(guó)家農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策，針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)微環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。該項(xiàng)目包括了三個(gè)子產(chǎn)品，即一種高靈敏度日照傳感器、一種智能感知多傳感器終端和微環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與控制平臺(tái)，能夠針對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行獨(dú)立和集成式分布。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的精細(xì)化、精準(zhǔn)化管理，可以廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

2 一種高靈敏度日照傳感器

高靈敏度日照傳感器[3，4]如圖1所示。光電轉(zhuǎn)換電路包括設(shè)置于所述遮光板日照面的、用于感應(yīng)所述遮光板日照面光照輻射的第一光敏電阻，以及設(shè)置于所述遮光板背光面、用于感應(yīng)所述遮光板背光面光照輻射的第二光敏電阻。其中，所述遮光板的日照面指太陽(yáng)光可直接照射的一面;背光面為遮光面，與外界光隔離。

注：101.遮光板的日照面;102.遮光板背光面;201.第一光敏電阻;202.第二光敏電阻。

日照傳感器由光敏電阻輸出的電壓信號(hào)來(lái)表征光照強(qiáng)度，由設(shè)置于遮光板日照面的第一光敏電阻輸出的電壓信號(hào)表征日照面光照強(qiáng)度;由設(shè)置于遮光板背光面的第二光敏電阻輸出的電壓信號(hào)表征背光面光照強(qiáng)度。

日照傳感器件檢測(cè)日照的方法為：計(jì)算第一光敏電阻的輸出電壓信號(hào)和第二光敏電阻的輸出電壓信號(hào)的差值[ΔV]，將該差值[ΔV]與預(yù)設(shè)值[ΔVref]比較，所述預(yù)設(shè)值[ΔVref]為當(dāng)日照光輻射強(qiáng)度達(dá)到120W/m2時(shí)該光電轉(zhuǎn)換電路中產(chǎn)生的電壓差值，當(dāng)[ΔV]>[ΔVref]，判斷為有日照;當(dāng)[ΔV]<[ΔVref]，判斷為無(wú)日照。當(dāng)外界日照越強(qiáng)，日照面和背光面的光照強(qiáng)度差值就越大，因而[ΔV]越大;外界日照越弱，日照面和背光面的光照強(qiáng)度差值就越小，因而[ΔV]越小。

第一光敏元件的個(gè)數(shù)可為兩個(gè)或者兩個(gè)以上。在檢測(cè)日照面光照強(qiáng)度時(shí)，對(duì)多個(gè)第一光敏電阻的輸出電壓信號(hào)作加權(quán)平均計(jì)算，得到日照面光敏電阻輸出電壓信號(hào)的平均值[Vtop]。設(shè)置于遮光板背光面的第二光敏元件的個(gè)數(shù)可為兩個(gè)或者兩個(gè)以上。在檢測(cè)背光面光照強(qiáng)度時(shí)，對(duì)多個(gè)第二光敏電阻的輸出電壓信號(hào)作加權(quán)平均計(jì)算，得到背光面光敏電阻的輸出電壓信號(hào)的平均值[Vbottom]。由此可得光電轉(zhuǎn)換電路的電壓差值為：

[ΔV=Vtop-Vbottom] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

將[ΔV]與預(yù)設(shè)值[ΔVref]比較，得到日照檢測(cè)結(jié)果。一般采用多個(gè)第一光敏電阻和多個(gè)第二光敏電阻，取其輸出電壓信號(hào)的平均值計(jì)算電壓差值，可提高對(duì)光照強(qiáng)度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

遮光板的日照面可為球面，也可以是半圓柱側(cè)面，第一光敏電阻在日照面上均勻分布，可呈對(duì)稱(chēng)分布;背光面為平面，背光面連接于日照面101的底端。在日照傳感器檢測(cè)日照時(shí)，可隨太陽(yáng)位置和日照方向變化來(lái)調(diào)整遮光板的法線方向，使遮光板法線方向與日照方向一致。

日照傳感器光電轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。從圖2可知，光電轉(zhuǎn)換電路還包括與第一光敏電阻分別一一對(duì)應(yīng)串聯(lián)的分壓電阻，以及與第二光敏電阻分別一一對(duì)應(yīng)串聯(lián)的分壓電阻。光電轉(zhuǎn)換電路在光敏電阻和分壓電阻的兩端施加一恒定電壓，由光敏電阻輸出電壓信號(hào)。

參考圖1和圖2，日照傳感器的一種具體實(shí)施方式中，在遮光板的日照面上設(shè)置5個(gè)第一光敏電阻，用于測(cè)量日照面的光照輻射強(qiáng)度，在遮光板的背光面上設(shè)置2個(gè)第二光敏電阻，用于測(cè)量背光面的光照輻射強(qiáng)度。圖2中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7為光敏電阻，其中光敏電阻之間并聯(lián)連接，對(duì)應(yīng)每一光敏電阻都串聯(lián)有分壓電阻R，在每一光敏電阻和分壓電阻R之間接出輸出端輸出電壓信號(hào)。

日照測(cè)量裝置如圖3所示。

在圖3中，日照傳感器采用如上所描述的日照傳感器，數(shù)據(jù)處理器與日照傳感器相連，用于獲取日照傳感器第一光敏電阻的輸出電壓信號(hào)和第二光敏電阻的輸出電壓信號(hào)，通過(guò)將第一光敏電阻的輸出電壓信號(hào)和第二光敏電阻的輸出電壓信號(hào)的差值與預(yù)設(shè)值比較，得到日照強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果。

具體過(guò)程如下，數(shù)據(jù)處理器根據(jù)第一光敏電阻的輸出電壓信號(hào)、第二光敏電阻的輸出電壓信號(hào)，按照式（1）計(jì)算日照面電壓信號(hào)[Vtop]和背光面電壓信號(hào)[Vbottom]的差值[ΔV]，將電壓差值[ΔV]與預(yù)設(shè)值[ΔVref]比較，得到對(duì)當(dāng)前日照強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)[ΔV]>[ΔVref]，判斷有日照;當(dāng)[ΔV]<[ΔVref]，判斷無(wú)日照，并記錄日照強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果。

日照傳感器的第一光敏電阻和第二光敏電阻設(shè)置為兩個(gè)或者兩個(gè)以上。數(shù)據(jù)處理器對(duì)多個(gè)第一光敏電阻的輸出電壓信號(hào)作加權(quán)平均計(jì)算，得到日照面光敏電阻電壓信號(hào)的平均值[Vtop]，對(duì)多個(gè)第二光敏電阻的輸出電壓信號(hào)作加權(quán)平均計(jì)算，得到背光面光敏電阻電壓信號(hào)的平均值[Vbottom]，按照式（1）計(jì)算日照面電壓信號(hào)和背光面電壓信號(hào)的差值[ΔV]，將該電壓差值[ΔV]與預(yù)設(shè)值[ΔVref]比較，得到對(duì)日照強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)判斷[ΔV]>[ΔVref]時(shí)，判定有日照，當(dāng)[ΔV]<[ΔVref]，判定無(wú)日照。

數(shù)據(jù)處理器可采用含12位ADC的MSP430單片機(jī)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路模塊輸出的信號(hào)由數(shù)據(jù)處理器的ADC引腳輸入。數(shù)據(jù)處理器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和相關(guān)運(yùn)算，并進(jìn)行日照判斷，得到日照強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果。

除此之外，日照測(cè)量裝置還包括與數(shù)據(jù)處理器相連的時(shí)鐘模塊，時(shí)鐘模塊為數(shù)據(jù)處理器提供實(shí)時(shí)時(shí)間，數(shù)據(jù)處理器將當(dāng)前時(shí)間以時(shí)間戳的方式記錄到日照檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)幀中，以便根據(jù)日照檢測(cè)結(jié)果及記錄的時(shí)間統(tǒng)計(jì)日照時(shí)數(shù)。在一天中，太陽(yáng)位置動(dòng)態(tài)變化。本實(shí)施例所述日照測(cè)量裝置可根據(jù)太陽(yáng)位置及日照方向來(lái)調(diào)整日照傳感器接收日照的方向。數(shù)據(jù)處理器通過(guò)GPS模塊獲取日照測(cè)量裝置所處位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)鐘模塊獲取實(shí)時(shí)時(shí)間，并根據(jù)獲取的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)時(shí)間判斷當(dāng)前太陽(yáng)位置和日照方向，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)日照傳感器遮光板，使日照傳感器日照面的法線方向與日照方向一致，以有效感應(yīng)和接收日照輻射，從而提高對(duì)日照強(qiáng)度檢測(cè)以及日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度和測(cè)量精度。

3 一種智能感知多傳感器終端

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中前端傳感器種類(lèi)多、集成度低，其變更、增減、布線工作量大，接入方式、組網(wǎng)復(fù)雜，項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)維成本高。為此，創(chuàng)新性地研發(fā)一種智能感知多傳感器終端，終端由前端傳感器、多傳感器采集/識(shí)別模塊、太陽(yáng)能光伏電池和蓄電池管理模塊四部分組成。

該終端具有完成微環(huán)境下不同參數(shù)的集成化采集、傳輸、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和終端電力供應(yīng)等功能，且能實(shí)現(xiàn)前端傳感器的集成化應(yīng)用，簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程，把成本降低15%。

4 微環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與控制平臺(tái)

設(shè)計(jì)的微環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與控制平臺(tái)，采用多源傳感器數(shù)據(jù)的融合和預(yù)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息在數(shù)據(jù)層的集成和趨勢(shì)預(yù)測(cè)與分析。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，在數(shù)據(jù)集成基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)豫科物理信息管理子系統(tǒng)和水肥一體化智能控制子系統(tǒng)。

以農(nóng)業(yè)微環(huán)境為研究背景，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，研發(fā)農(nóng)業(yè)微環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)微環(huán)境下農(nóng)作物生產(chǎn)的智能化、精準(zhǔn)化管理。

5 產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用

目前，灌溉與施肥控制系統(tǒng)已在中牟及滎陽(yáng)3個(gè)園區(qū)安裝調(diào)試完成，正在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用并測(cè)試中。與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)微環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制軟件平臺(tái)也已設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，其中包括兩項(xiàng)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的平臺(tái)級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)：信息管理發(fā)布系統(tǒng)和水肥一體化智能灌溉管理系統(tǒng)。平臺(tái)支持Web方式和APP方式訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)傳感器的數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)可視化。上位機(jī)Web頁(yè)面操作平臺(tái)和手機(jī)端APP軟件均已開(kāi)發(fā)完成，正在實(shí)地使用并測(cè)試中。

實(shí)際應(yīng)用證明，項(xiàng)目研發(fā)的高靈敏度的日照傳感器提高了日照監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，與水肥一體化控制系統(tǒng)結(jié)合，制定管控策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施肥灌溉的精準(zhǔn)控制;智能感知多傳感器終端，實(shí)現(xiàn)了傳感器的即插即用，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中繼通信，系統(tǒng)的建立簡(jiǎn)單、快捷，無(wú)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行預(yù)制，應(yīng)用方便，擴(kuò)展性良好;微環(huán)境智能監(jiān)測(cè)與控制平臺(tái)，對(duì)多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和預(yù)測(cè)處理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的集成、挖掘和利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)微環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的管理、發(fā)布、溯源、預(yù)警。

本系統(tǒng)完全滿足農(nóng)業(yè)微環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)及控制系統(tǒng)的需求，能滿足國(guó)內(nèi)中小型農(nóng)場(chǎng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用與推廣，有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效、惠農(nóng)利農(nóng)的目標(biāo)。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)智能化程度高，設(shè)計(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，實(shí)用性強(qiáng)，提高了農(nóng)業(yè)微環(huán)境監(jiān)控技術(shù)水平和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)與產(chǎn)量，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水、肥、用工的成本，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊[3]。

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