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(guò)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(guó)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(guó)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(guó)國(guó)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(wú)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?xún)r(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(xiě)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(mǎn)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(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(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(guò)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(guò)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(guò)一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)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?xún)r(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(guó)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(guó)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(lái)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(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(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。
2．5 土壤溫度傳感器
    土壤溫度對(duì)作物根系的生長(zhǎng)有重要的作用，因此也是設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)的主要參數(shù)之一。目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)中根部溫度的檢測(cè)傳感器較多，但應(yīng)用廣泛的是具有耐腐蝕和防潮性能較好的電阻式溫度傳感器，如PTWD-3A、ST-22等。另外該類(lèi)傳感器具有價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、市場(chǎng)供應(yīng)便利、易于安裝，更換的特點(diǎn)，比較適合設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
2．6 土壤水分傳感器
    水分是天然土壤的一個(gè)重要組成部分，它不僅影響到土壤的物理性質(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動(dòng)，而且是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要因素，更是一切植物賴(lài)以生存的基本條件。因此測(cè)定土壤含水量，對(duì)實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，節(jié)水灌溉，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率有重要的意義。目前采用的傳感器多種多樣，有陶瓷水分傳感器、電解質(zhì)水分傳感器、高分子傳感器，壓阻水分傳感器、光敏水分傳感器、微波法水分傳感器、電容式水分傳感器、電阻式土壤含水量傳感器等。使用較多的是壓阻水分傳感器和電阻式土壤含水量傳感器，如3．2MPX系列，sintek-4等。

3 設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
3．1 硬件設(shè)計(jì)方案
    環(huán)境自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示，主要有單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、主控計(jì)算機(jī)等組成。其核心是單片機(jī)芯片組，作為系統(tǒng)各種參數(shù)的處理和控制器，完成各種數(shù)據(jù)的處理和控制任務(wù)，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)被測(cè)控參數(shù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)和控制的要求來(lái)決定單片機(jī)的數(shù)目。環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)采集模塊由溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器等組成，分別實(shí)時(shí)采集各測(cè)控點(diǎn)的溫度、濕度、CO2濃度、光照度、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境因素模擬量并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大后送給A／D轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路包括A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換電路，完成模擬量和數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括各種被控制的執(zhí)行設(shè)備，在系統(tǒng)的控制下進(jìn)行升溫降溫、加濕換風(fēng)、CO2濃度調(diào)控、光環(huán)境調(diào)控、土壤環(huán)境調(diào)控等操作。另外還有光電驅(qū)動(dòng)隔離，其作用是有效地隔離控制部分和執(zhí)行部分，抑制大電流、大功率負(fù)載開(kāi)啟產(chǎn)生的各種電磁輻射和電壓沖擊等干擾，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地工作。

    整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是首先在單片機(jī)內(nèi)設(shè)定溫度、濕度、CO2濃度、光照度、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境因素的上下限值和報(bào)警值并予以保存，各種傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的參數(shù)值送到單片機(jī)后與其設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是否在設(shè)定的上下限值范圍內(nèi)，如在則表示環(huán)境可滿(mǎn)足作物正常生長(zhǎng)，如不在則由單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，如加熱、換風(fēng)、噴水等，直到環(huán)境參數(shù)達(dá)剄正常的范圍內(nèi)為止。當(dāng)檢測(cè)到的參數(shù)值超出了設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，主控機(jī)會(huì)控制報(bào)警裝置報(bào)警，系統(tǒng)可能有故障或環(huán)境參數(shù)嚴(yán)重不足的情況，提醒管理人員要采取相應(yīng)措施確保系統(tǒng)芷常工作，使作物生長(zhǎng)環(huán)境處于正常狀態(tài)。
3．2 軟件設(shè)計(jì)方案
    檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案主程序流程圖如圖2所示。工作過(guò)程是系統(tǒng)上電后首先對(duì)各部分進(jìn)行初始化，通過(guò)健盤(pán)完成系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定，之后系統(tǒng)就進(jìn)入正常工作狀態(tài)，主程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，即系統(tǒng)自動(dòng)采集來(lái)自各測(cè)控點(diǎn)溫度、濕度；CO2濃度、光照度、土壤溫度、土壤水分等環(huán)境因素的值，根據(jù)傳感器的特性由單片機(jī)控制多路采集信號(hào)的分時(shí)切入，將其值與設(shè)定的各參數(shù)值進(jìn)行比較，通過(guò)輸出控制處理程序決定是否啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)由顯示模塊顯示被測(cè)控點(diǎn)的環(huán)境因素。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)了異常時(shí)，如傳感器、放大器等部件故障，環(huán)境參數(shù)超限報(bào)警等情況，系統(tǒng)將進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序。

4 結(jié)束語(yǔ)
    我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，人口眾多，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科技含量和生產(chǎn)水平低下。特別是陜北地區(qū)自然條件惡劣，土地貧瘠，隨著退耕還林政策的進(jìn)一步落實(shí)，十分有限的耕地面積會(huì)更加少，因此發(fā)展高效的設(shè)施農(nóng)業(yè)是必然趨勢(shì)。設(shè)計(jì)并研發(fā)一套適合當(dāng)?shù)貙?shí)際的設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)和管理系統(tǒng)，可極大地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。