农业微环境智能监测与控制系统的设计

雷雨果 刘抗 杨森

摘 要：本文利用智能感知与物联网技术，设计了一种高效实用、易于部署的基于农业微环境的智能农业环境监测与控制系统，实现了农业环境信息的远程采集和农业设施的智能控制，让科技智能化技术与农业过程深度融合。该系统目前被广泛应用于河南省现代农业示范园项目。

关键词：农业微环境;日照传感器;智能监测

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：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

我國农业发展水平低，大部分地区仍采用简单粗放型的生产方式。科技水平和基础设施建设的落后导致我国农业在作物产量、质量、能源利用率等方面与发达国家相比仍具有明显差距。产出投入比只有2∶1，远远落后于发达国家的4.2∶1[1]。为提高农业生产效率，近年来国家大力推动现代农业的发展，如加强物联网技术在农业领域的应用，大规模实施农业节水工程，加大水肥一体化等农艺节水推广力度;实施智慧农业工程，推进农业物联网试验示范和农业装备智能化;发展智慧气象，提高气象灾害监测预报预警水平。

目前，农业物联网建设多数处于技术应用的初级阶段，尚未实现农业数据深入挖掘与应用，无法对农业生产过程进行精细化、精准化管理。根据现代农业的发展需要，农业物联网的重点建设方向将依托高精度农业传感网络，结合大数据、云计算技术实现农业数据的集成、分析、挖掘、利用，从而推动精准农业、农业产业链、农产品质量安全等体系的建设[2]。

为响应国家农业物联网相关政策，针对我国农业物联网现状，本项目设计了农业微环境智能监测与控制系统。该项目包括了三个子产品，即一种高灵敏度日照传感器、一种智能感知多传感器终端和微环境智能监测与控制平台，能够针对不同场景进行独立和集成式分布。该系统能实现农业生产过程的精细化、精准化管理，可以广泛应用于智慧农业领域。

2 一种高灵敏度日照传感器

高灵敏度日照传感器[3，4]如图1所示。光电转换电路包括设置于所述遮光板日照面的、用于感应所述遮光板日照面光照辐射的第一光敏电阻，以及设置于所述遮光板背光面、用于感应所述遮光板背光面光照辐射的第二光敏电阻。其中，所述遮光板的日照面指太阳光可直接照射的一面;背光面为遮光面，与外界光隔离。

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

日照传感器由光敏电阻输出的电压信号来表征光照强度，由设置于遮光板日照面的第一光敏电阻输出的电压信号表征日照面光照强度;由设置于遮光板背光面的第二光敏电阻输出的电压信号表征背光面光照强度。

日照传感器件检测日照的方法为：计算第一光敏电阻的输出电压信号和第二光敏电阻的输出电压信号的差值[ΔV]，将该差值[ΔV]与预设值[ΔVref]比较，所述预设值[ΔVref]为当日照光辐射强度达到120W/m2时该光电转换电路中产生的电压差值，当[ΔV]>[ΔVref]，判断为有日照;当[ΔV]<[ΔVref]，判断为无日照。当外界日照越强，日照面和背光面的光照强度差值就越大，因而[ΔV]越大;外界日照越弱，日照面和背光面的光照强度差值就越小，因而[ΔV]越小。

第一光敏元件的个数可为两个或者两个以上。在检测日照面光照强度时，对多个第一光敏电阻的输出电压信号作加权平均计算，得到日照面光敏电阻输出电压信号的平均值[Vtop]。设置于遮光板背光面的第二光敏元件的个数可为两个或者两个以上。在检测背光面光照强度时，对多个第二光敏电阻的输出电压信号作加权平均计算，得到背光面光敏电阻的输出电压信号的平均值[Vbottom]。由此可得光电转换电路的电压差值为：

[ΔV=Vtop-Vbottom]                               （1）

将[ΔV]与预设值[ΔVref]比较，得到日照检测结果。一般采用多个第一光敏电阻和多个第二光敏电阻，取其输出电压信号的平均值计算电压差值，可提高对光照强度测量的准确性。

遮光板的日照面可为球面，也可以是半圆柱侧面，第一光敏电阻在日照面上均匀分布，可呈对称分布;背光面为平面，背光面连接于日照面101的底端。在日照传感器检测日照时，可随太阳位置和日照方向变化来调整遮光板的法线方向，使遮光板法线方向与日照方向一致。

日照传感器光电转换电路如图2所示。从图2可知，光电转换电路还包括与第一光敏电阻分别一一对应串联的分压电阻，以及与第二光敏电阻分别一一对应串联的分压电阻。光电转换电路在光敏电阻和分压电阻的两端施加一恒定电压，由光敏电阻输出电压信号。

参考图1和图2，日照传感器的一种具体实施方式中，在遮光板的日照面上设置5个第一光敏电阻，用于测量日照面的光照辐射强度，在遮光板的背光面上设置2个第二光敏电阻，用于测量背光面的光照辐射强度。图2中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7为光敏电阻，其中光敏电阻之间并联连接，对应每一光敏电阻都串联有分压电阻R，在每一光敏电阻和分压电阻R之间接出输出端输出电压信号。

日照测量装置如图3所示。

在图3中，日照传感器采用如上所描述的日照传感器，数据处理器与日照传感器相连，用于获取日照传感器第一光敏电阻的输出电压信号和第二光敏电阻的输出电压信号，通过将第一光敏电阻的输出电压信号和第二光敏电阻的输出电压信号的差值与预设值比较，得到日照强度检测结果。

具体过程如下，数据处理器根据第一光敏电阻的输出电压信号、第二光敏电阻的输出电压信号，按照式（1）计算日照面电压信号[Vtop]和背光面电压信号[Vbottom]的差值[ΔV]，将电压差值[ΔV]与预设值[ΔVref]比较，得到对当前日照强度的检测结果，当[ΔV]>[ΔVref]，判断有日照;当[ΔV]<[ΔVref]，判断无日照，并记录日照强度检测结果。

日照传感器的第一光敏电阻和第二光敏电阻设置为两个或者两个以上。数据处理器对多个第一光敏电阻的输出电压信号作加权平均计算，得到日照面光敏电阻电压信号的平均值[Vtop]，对多个第二光敏电阻的输出电压信号作加权平均计算，得到背光面光敏电阻电压信号的平均值[Vbottom]，按照式（1）计算日照面电压信号和背光面电压信号的差值[ΔV]，将该电压差值[ΔV]与预设值[ΔVref]比较，得到对日照强度的检测结果，当判断[ΔV]>[ΔVref]时，判定有日照，当[ΔV]<[ΔVref]，判定无日照。

数据处理器可采用含12位ADC的MSP430单片机，经信号调理电路模块输出的信号由数据处理器的ADC引脚输入。数据处理器对输入信号进行AD转换和相关运算，并进行日照判断，得到日照强度检测结果。

除此之外，日照测量装置还包括与数据处理器相连的时钟模块，时钟模块为数据处理器提供实时时间，数据处理器将当前时间以时间戳的方式记录到日照检测结果数据帧中，以便根据日照检测结果及记录的时间统计日照时数。在一天中，太阳位置动态变化。本实施例所述日照测量装置可根据太阳位置及日照方向来调整日照传感器接收日照的方向。数据处理器通过GPS模块获取日照测量装置所处位置的经纬度数据，通过时钟模块获取实时时间，并根据获取的经纬度数据和实时时间判断当前太阳位置和日照方向，通过驱动电机控制转动日照传感器遮光板，使日照传感器日照面的法线方向与日照方向一致，以有效感应和接收日照辐射，从而提高对日照强度检测以及日照时数统计的准确度和测量精度。

3 一种智能感知多传感器终端

当前，农业物联网建设中前端传感器种类多、集成度低，其变更、增减、布线工作量大，接入方式、组网复杂，项目建设和运维成本高。为此，创新性地研发一种智能感知多传感器终端，终端由前端传感器、多传感器采集/识别模块、太阳能光伏电池和蓄电池管理模块四部分组成。

该终端具有完成微环境下不同参数的集成化采集、传输、设备状态监控和终端电力供应等功能，且能实现前端传感器的集成化应用，简化物联网基础设施建设过程，把成本降低15%。

4 微环境智能监测与控制平台

设计的微环境智能监测与控制平台，采用多源传感器数据的融合和预测技术，实现监测信息在数据层的集成和趋势预测与分析。根据不同应用场景，在数据集成基础上开发豫科物理信息管理子系统和水肥一体化智能控制子系统。

以农业微环境为研究背景，结合无线网络技术、传感器技术和大数据技术，研发农业微环境智能监测与控制平台，实现微环境下农作物生产的智能化、精准化管理。

5 产品的实际应用

目前，灌溉与施肥控制系统已在中牟及荥阳3个园区安装调试完成，正在现场应用并测试中。与此同时，农业微环境监测与控制软件平台也已设计开发，其中包括两项独立开发的平台级应用系统：信息管理发布系统和水肥一体化智能灌溉管理系统。平台支持Web方式和APP方式访问，实现了多源异构传感器的数据集成与数据可视化。上位机Web页面操作平台和手机端APP软件均已开发完成，正在实地使用并测试中。

实际应用证明，项目研发的高灵敏度的日照传感器提高了日照监测数据的准确性，与水肥一体化控制系统结合，制定管控策略，实现了对施肥灌溉的精准控制;智能感知多传感器终端，实现了传感器的即插即用，利用无线网络进行中继通信，系统的建立简单、快捷，无需对网络设施进行预制，应用方便，扩展性良好;微环境智能监测与控制平台，对多源异构传感器数据进行数据融合和预测处理，实现监测信息的集成、挖掘和利用，实现对农业微环境监测信息的管理、发布、溯源、预警。

本系统完全满足农业微环境对监测及控制系统的需求，能满足国内中小型农场产业化应用与推广，有利于实现节能高效、惠农利农的目标。

6 结论

本文設计的系统智能化程度高，设计合理，技术先进，实用性强，提高了农业微环境监控技术水平和农产品的品质与产量，降低了农业生产中水、肥、用工的成本，社会经济效益显著，推广应用前景广阔[3]。

参考文献：

[1]彭靖.对我国农业废弃物资源化利用的思考[J].生态环境学报2009（2）：749-798.

[2]程曼，王让会.物联网技术的研究与应用[J].地理信息世界，2010（5）：22-28.

[3]石京川，刘钧，王建佳.一种新型日照传感器的数据分析[J].气象水文海洋仪器，2015（1）：39-45.

[4]王立柱，马尚昌，张素娟.基于光电原理的日照传感器初步研究[J].气象水文海洋仪器，2012（1）：11-14.