农田环境温湿度采集仪的设计与试验

赵华民，王凤花，张淑娟，张海红

（山西农业大学工学院，山西太谷030801）

精确把握农田环境温湿度，可以更加高效、精细地进行农业耕作（如设施农业）。温度的测量一般分为2种：接触式测量和非接触式测量。湿度的测量方法很多，主要有动态法（双压法、双温法、分流法）、静态法（饱和盐法、硫酸法）、露点法、干湿球法、电子式传感器法等[1-2]。

目前，现有的农田环境温湿度测量仪器较多，但是只能测量单一环境温湿度值，不能实现多源信息的统一测量，并且不能确定其空间位置信息[3]。为满足精细农业的需要，要求既能测量点的位置信息，又能测量测点的多种属性信息，便于进行综合的处理和分析，本研究开发便携式农田信息采集仪，在介绍该采集仪采集环境温湿度软硬件设计的基础上对其进行了标定，使其达到实际应用的要求[4]。

1 采集仪设计

1.1 总体结构

农田信息采集仪是以单片机为控制核心，多通道、便携式的农田信息采集装置，实现田间信息的采集、显示、保存、查询、删除以及GPS定位等功能。其主要由传感器子模块、单片机子模块、GPS信号测量子模块、A/D转换子模块、键盘显示及存储子模块、通讯子模块（RS232，GSM模块）等组成。农田信息采集仪与上位机结合可实现数据的近距离有线传输和远距离无线传输。农田信息采集仪结构如图1所示。

1.2 土壤温湿度测量模块设计

考虑到传感器的实时性、准确性、稳定性和可靠性，本设计采用新型的数字式温湿度传感器SHT11。

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技术的新型温湿度传感器。它将CMOS芯片技术与传感器技术相结合，从而发挥出强大的优势互补作用。其主要特点为：（1）将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片，减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式，且体积微小（7.65 mm×5.08 mm×23.5 mm），可表面贴装；（2）可给出全校准相对湿度及温度值输出，带有工业标准的I2C总线数字输出接口；可与单片机直接相连，大大缩短研发时间、简化外围电路并降低费用；（3）全标定输出，有可靠的CRC数据传输校验功能；（4）具有露点值计算输出功能；（5）电源电压范围为 2.4～5.5 V；（6）湿度测量范围为 0～100%；温度测量范围为（-40～+123.8）℃；（7）湿度测量精度为±3.0%；温度测量精度为±0.4℃（在25℃下）；（8）可自动休眠，且响应速度快，有极低的功耗[4-5]。

SHT11环境温湿度传感器采用SMD（LCC）表面贴片封装，其测量电路示意图如图2所示。

SHT11数字式温湿度传感器的双向串行数据线（DATA）和串行时钟输入（SCK）分别直接与单片机的P34和P35口相连，单片机就可以直接获得其测试的温湿度值。

2 环境温湿度测量性能对比试验

采用HOBO数字环境温湿度记录计与该采集仪进行环境温湿度性能对比试验。HOBO H8数字环境温湿度记录计内置温湿度传感器，其温度测量范围为（-20～70）℃；温度测量精度为±0.7℃（21℃）；RH测量范围为25%～95%；RH精度为±5%。

2.1 试验方法

试验仪器为农田信息采集仪，HOBO H8数字环境温湿度记录仪等。试验地点设在山西农业大学工程技术学院前的一块大豆地。试验目的为用农田信息采集仪和HOBO数字环境温湿度记录计分别测量环境温湿度，进行性能对比试验。

试验实施：2008年10月3日（天气晴朗，由于前几天一直下雨，空气湿度较大，气温较低），将农田信息采集仪、HOBO H8数字环境温湿度记录计固定在山西农业大学工程学院前的大豆地里的一点（北纬37.25°，东经112.35°）上，分别测量环境温湿度（避免太阳直射）进行对比试验。从7时开始，每隔30 min进行1次环境温湿度的测量，直至23时，并记录1 d的环境温湿度。

2.2 结果和讨论

采用该采集仪和HOBO数字环境温湿度记录计分别记录了从7时到23时的环境温湿度，结果如图3，4所示。

从图3，4可看出，随着太阳的升起，空气温度逐渐升高、湿度逐渐降低，空气温度和湿度表现出十分明显的相关性。空气温度在14时左右达到最高值，为29.9℃，这时相应的空气湿度达到最低，仅为28.6%。然后随着空气温度的逐渐降低，空气湿度逐渐升高。由图3可知，农田信息采集仪与HOBO数字温湿度记录计温度测量值相比，温度测量的变化趋势基本一致，但在早晨与晚上气温在15℃以下时误差较大，随着气温的增高误差越来越小，在中午气温为25～30℃时，2种采集仪的测量值很接近，误差很小。由图4可知，农田信息采集仪与HOBO数字温湿度记录计湿度测量值相比，湿度测量的变化趋势基本一致，但采集仪湿度测量值比HOBO的测量值普遍偏高，原因还需进一步进行误差分析研究。

2.3 误差分析

通过对农田信息采集仪与HOBO数字温湿度记录计的温湿度测量值进行定性分析，发现2种测量仪温湿度测量值之间存在误差，需要进一步进行误差分析。通过对采集到的数据的分析可知，该采集仪与HOBO数字化温湿度记录计的温度测量值最大绝对误差为3.11℃，最大相对误差为22.06%，平均误差为1.57℃；环境相对湿度最大绝对误差为23.7%，最小绝对误差为2.8%，平均误差为13.45%，最大相对误差为77.7%，最小相对误差为4.56%。所以该采集仪环境温度的测量在环境温度较低时存在较大误差，特别是环境相对湿度的测量，还需要进行标定。

2.4 环境温湿度标定

对2种采集仪的环境温湿度进行相关性分析，结果如图5所示。

由图5可知，2种采集仪的温度测量值呈线性关系，关系式为y=1.089x-3.304 9，相关系数为0.971 9，二者有很高的相关性。2种采集仪的相对湿度测量值呈二次多项式关系，关系式为y=0.023 4x2-1.463 1x+46.612，相关系数为0.947 9。

为验证标定方程的准确性，2008年10月9日，在同一地点用2种采集仪记录了9—18时的环境温湿度值，然后据标定方程对该采集仪的环境温湿度测量进行标定，误差分析结果列于表1。

表1 采集仪环境温湿度标定结果的误差分析

由表1可知，该采集仪环境温度测量的标定值与HOBO数字化温湿度记录计的温度测量值绝对误差最大值为-2.159℃，最小值为-0.244℃，平均值为0.503℃，相对误差最大值为9.590%，最小值为1.451%，相对误差绝对值平均值为6.086%；该采集仪环境相对湿度测量的标定值与HOBO数字化温湿度记录计的湿度测量值绝对误差最大值为4.317%，最小值为0.491%，平均值为0.758%，相对误差最大值为14.175%，最小值为1.014%，相对误差绝对值平均值为6.783%。

3 结论

通过对比试验和标定试验可以看出，该采集仪环境温湿度的测量通过标定，农田环境温度的标定值与HOBO数字化温湿度记录计的温度测量值相对误差绝对值平均值为6.086%；该采集仪环境相对湿度测量的标定值与HOBO数字化温湿度记录计的湿度测量值的相对误差绝对值平均值为6.783%，证明该采集仪可以用于对环境的温湿度变化进行实践测量。

［1］李伟民.基于GPS的现代农业信息计算机采集系统的研究[D].杭州：浙江大学，2006.

［2］张越，张炎，赵延军.基于DS18B20温度传感器的数字温度计[J].微电子学，2007，37（5）：709-711，716.

［3］王凤花，裘正军，介邓飞，等.农田土壤pH值和电导率采集仪设计与实验[J].农业机械学报，2009，40（6）：164-168.

［4］高江林，李灵芝.晋中地区节能日光温室光照和温度特性研究[J].山西农业科学，2007，35（6）：83-86.

［5］孟臣，李敏，李爱传.I2C总线数字式温湿度传感器SHT11及其在单片机系统的应用 [J].国外电子元器件，2004（2）：50-54.