農(nóng)田環(huán)境溫濕度采集儀的設(shè)計與試驗(yàn)

趙華民，王鳳花，張淑娟，張海紅

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

精確把握農(nóng)田環(huán)境溫濕度，可以更加高效、精細(xì)地進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕作（如設(shè)施農(nóng)業(yè)）。溫度的測量一般分為2種：接觸式測量和非接觸式測量。濕度的測量方法很多，主要有動態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法）、靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法）、露點(diǎn)法、干濕球法、電子式傳感器法等[1-2]。

目前，現(xiàn)有的農(nóng)田環(huán)境溫濕度測量儀器較多，但是只能測量單一環(huán)境溫濕度值，不能實(shí)現(xiàn)多源信息的統(tǒng)一測量，并且不能確定其空間位置信息[3]。為滿足精細(xì)農(nóng)業(yè)的需要，要求既能測量點(diǎn)的位置信息，又能測量測點(diǎn)的多種屬性信息，便于進(jìn)行綜合的處理和分析，本研究開發(fā)便攜式農(nóng)田信息采集儀，在介紹該采集儀采集環(huán)境溫濕度軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了標(biāo)定，使其達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求[4]。

1 采集儀設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

農(nóng)田信息采集儀是以單片機(jī)為控制核心，多通道、便攜式的農(nóng)田信息采集裝置，實(shí)現(xiàn)田間信息的采集、顯示、保存、查詢、刪除以及GPS定位等功能。其主要由傳感器子模塊、單片機(jī)子模塊、GPS信號測量子模塊、A/D轉(zhuǎn)換子模塊、鍵盤顯示及存儲子模塊、通訊子模塊（RS232，GSM模塊）等組成。農(nóng)田信息采集儀與上位機(jī)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的近距離有線傳輸和遠(yuǎn)距離無線傳輸。農(nóng)田信息采集儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 土壤溫濕度測量模塊設(shè)計

考慮到傳感器的實(shí)時性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，本設(shè)計采用新型的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11。

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器。它將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，從而發(fā)揮出強(qiáng)大的優(yōu)勢互補(bǔ)作用。其主要特點(diǎn)為：（1）將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片，減少了接口電路的硬件成本，簡化了接口方式，且體積微小（7.65 mm×5.08 mm×23.5 mm），可表面貼裝；（2）可給出全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出，帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線數(shù)字輸出接口；可與單片機(jī)直接相連，大大縮短研發(fā)時間、簡化外圍電路并降低費(fèi)用；（3）全標(biāo)定輸出，有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能；（4）具有露點(diǎn)值計算輸出功能；（5）電源電壓范圍為 2.4～5.5 V；（6）濕度測量范圍為 0～100%；溫度測量范圍為（-40～+123.8）℃；（7）濕度測量精度為±3.0%；溫度測量精度為±0.4℃（在25℃下）；（8）可自動休眠，且響應(yīng)速度快，有極低的功耗[4-5]。

SHT11環(huán)境溫濕度傳感器采用SMD（LCC）表面貼片封裝，其測量電路示意圖如圖2所示。

SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的雙向串行數(shù)據(jù)線（DATA）和串行時鐘輸入（SCK）分別直接與單片機(jī)的P34和P35口相連，單片機(jī)就可以直接獲得其測試的溫濕度值。

2 環(huán)境溫濕度測量性能對比試驗(yàn)

采用HOBO數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄計與該采集儀進(jìn)行環(huán)境溫濕度性能對比試驗(yàn)。HOBO H8數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄計內(nèi)置溫濕度傳感器，其溫度測量范圍為（-20～70）℃；溫度測量精度為±0.7℃（21℃）；RH測量范圍為25%～95%；RH精度為±5%。

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器為農(nóng)田信息采集儀，HOBO H8數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄儀等。試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院前的一塊大豆地。試驗(yàn)?zāi)康臑橛棉r(nóng)田信息采集儀和HOBO數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄計分別測量環(huán)境溫濕度，進(jìn)行性能對比試驗(yàn)。

試驗(yàn)實(shí)施：2008年10月3日（天氣晴朗，由于前幾天一直下雨，空氣濕度較大，氣溫較低），將農(nóng)田信息采集儀、HOBO H8數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄計固定在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院前的大豆地里的一點(diǎn)（北緯37.25°，東經(jīng)112.35°）上，分別測量環(huán)境溫濕度（避免太陽直射）進(jìn)行對比試驗(yàn)。從7時開始，每隔30 min進(jìn)行1次環(huán)境溫濕度的測量，直至23時，并記錄1 d的環(huán)境溫濕度。

2.2 結(jié)果和討論

采用該采集儀和HOBO數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄計分別記錄了從7時到23時的環(huán)境溫濕度，結(jié)果如圖3，4所示。

從圖3，4可看出，隨著太陽的升起，空氣溫度逐漸升高、濕度逐漸降低，空氣溫度和濕度表現(xiàn)出十分明顯的相關(guān)性。空氣溫度在14時左右達(dá)到最高值，為29.9℃，這時相應(yīng)的空氣濕度達(dá)到最低，僅為28.6%。然后隨著空氣溫度的逐漸降低，空氣濕度逐漸升高。由圖3可知，農(nóng)田信息采集儀與HOBO數(shù)字溫濕度記錄計溫度測量值相比，溫度測量的變化趨勢基本一致，但在早晨與晚上氣溫在15℃以下時誤差較大，隨著氣溫的增高誤差越來越小，在中午氣溫為25～30℃時，2種采集儀的測量值很接近，誤差很小。由圖4可知，農(nóng)田信息采集儀與HOBO數(shù)字溫濕度記錄計濕度測量值相比，濕度測量的變化趨勢基本一致，但采集儀濕度測量值比HOBO的測量值普遍偏高，原因還需進(jìn)一步進(jìn)行誤差分析研究。

2.3 誤差分析

通過對農(nóng)田信息采集儀與HOBO數(shù)字溫濕度記錄計的溫濕度測量值進(jìn)行定性分析，發(fā)現(xiàn)2種測量儀溫濕度測量值之間存在誤差，需要進(jìn)一步進(jìn)行誤差分析。通過對采集到的數(shù)據(jù)的分析可知，該采集儀與HOBO數(shù)字化溫濕度記錄計的溫度測量值最大絕對誤差為3.11℃，最大相對誤差為22.06%，平均誤差為1.57℃；環(huán)境相對濕度最大絕對誤差為23.7%，最小絕對誤差為2.8%，平均誤差為13.45%，最大相對誤差為77.7%，最小相對誤差為4.56%。所以該采集儀環(huán)境溫度的測量在環(huán)境溫度較低時存在較大誤差，特別是環(huán)境相對濕度的測量，還需要進(jìn)行標(biāo)定。

2.4 環(huán)境溫濕度標(biāo)定

對2種采集儀的環(huán)境溫濕度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，2種采集儀的溫度測量值呈線性關(guān)系，關(guān)系式為y=1.089x-3.304 9，相關(guān)系數(shù)為0.971 9，二者有很高的相關(guān)性。2種采集儀的相對濕度測量值呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，關(guān)系式為y=0.023 4x2-1.463 1x+46.612，相關(guān)系數(shù)為0.947 9。

為驗(yàn)證標(biāo)定方程的準(zhǔn)確性，2008年10月9日，在同一地點(diǎn)用2種采集儀記錄了9—18時的環(huán)境溫濕度值，然后據(jù)標(biāo)定方程對該采集儀的環(huán)境溫濕度測量進(jìn)行標(biāo)定，誤差分析結(jié)果列于表1。

表1 采集儀環(huán)境溫濕度標(biāo)定結(jié)果的誤差分析

由表1可知，該采集儀環(huán)境溫度測量的標(biāo)定值與HOBO數(shù)字化溫濕度記錄計的溫度測量值絕對誤差最大值為-2.159℃，最小值為-0.244℃，平均值為0.503℃，相對誤差最大值為9.590%，最小值為1.451%，相對誤差絕對值平均值為6.086%；該采集儀環(huán)境相對濕度測量的標(biāo)定值與HOBO數(shù)字化溫濕度記錄計的濕度測量值絕對誤差最大值為4.317%，最小值為0.491%，平均值為0.758%，相對誤差最大值為14.175%，最小值為1.014%，相對誤差絕對值平均值為6.783%。

3 結(jié)論

通過對比試驗(yàn)和標(biāo)定試驗(yàn)可以看出，該采集儀環(huán)境溫濕度的測量通過標(biāo)定，農(nóng)田環(huán)境溫度的標(biāo)定值與HOBO數(shù)字化溫濕度記錄計的溫度測量值相對誤差絕對值平均值為6.086%；該采集儀環(huán)境相對濕度測量的標(biāo)定值與HOBO數(shù)字化溫濕度記錄計的濕度測量值的相對誤差絕對值平均值為6.783%，證明該采集儀可以用于對環(huán)境的溫濕度變化進(jìn)行實(shí)踐測量。

［1］李偉民.基于GPS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息計算機(jī)采集系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

［2］張越，張炎，趙延軍.基于DS18B20溫度傳感器的數(shù)字溫度計[J].微電子學(xué)，2007，37（5）：709-711，716.

［3］王鳳花，裘正軍，介鄧飛，等.農(nóng)田土壤pH值和電導(dǎo)率采集儀設(shè)計與實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40（6）：164-168.

［4］高江林，李靈芝.晉中地區(qū)節(jié)能日光溫室光照和溫度特性研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（6）：83-86.

［5］孟臣，李敏，李愛傳.I2C總線數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11及其在單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用 [J].國外電子元器件，2004（2）：50-54.