溫濕度傳感器在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用探討

錢(qián)逸敏 李曉東

河南省計(jì)量科學(xué)研究院 河南鄭州 450000

1 智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)特征

1.1 可復(fù)制性

智慧農(nóng)業(yè)依靠技術(shù)，成功的生產(chǎn)技術(shù)可以被復(fù)制與推廣。使用標(biāo)準(zhǔn)化方案生產(chǎn)，人人都可以是農(nóng)業(yè)專家，不僅能大幅度提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、品質(zhì)及產(chǎn)值，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)素質(zhì)、效益及競(jìng)爭(zhēng)力，還能抗御自然災(zāi)害與市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力，保障農(nóng)產(chǎn)品有效供給。

1.2 可追溯性

智慧農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)內(nèi)容之一就是安全溯源，利用信息化技術(shù)和“區(qū)塊鏈技術(shù)”，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從種植、管理、生產(chǎn)、加工、倉(cāng)儲(chǔ)、物流等整個(gè)過(guò)程的透明化，真正實(shí)現(xiàn)田間到餐桌的全程溯源，將種植和生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)完全呈現(xiàn)給消費(fèi)者。這種可追溯的管理方式，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，保證了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。

1.3 高效率性

智慧農(nóng)業(yè)通過(guò)實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事控制技術(shù)、智能設(shè)施、遠(yuǎn)程農(nóng)事操作，可以合理安排用工用時(shí)用地，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織化水平。這種生產(chǎn)方式的改變極大地提升了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，降低人工成本，減少對(duì)自然能源的消耗，更好地控制生產(chǎn)成本。同時(shí)，也有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)閑置資源的充分利用，從而獲得更高的農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)價(jià)值[1]。

1.4 高精確性

智慧農(nóng)業(yè)讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由靠“天”收向靠“智”收轉(zhuǎn)變，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)由結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)型升級(jí)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，大力推進(jìn)規(guī)模化經(jīng)營(yíng)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、品牌化營(yíng)銷，向農(nóng)業(yè)的深層次、多層次進(jìn)軍。

2 溫濕度傳感器集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)共分為兩部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，本章將對(duì)集成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。由于集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集芯片只能作為從機(jī)工作，因此系統(tǒng)接入其他外部設(shè)備時(shí)需要外部通信電路，因此本章也對(duì)外部通信電路進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

2.2 集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器集成系統(tǒng)包括三個(gè)部分：處理器芯片、溫濕度傳感器以及封裝結(jié)構(gòu)。其中溫濕度傳感器對(duì)溫濕度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，處理器將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理。傳感器芯片與處理器通過(guò)混合封裝集成在一起。

2.3 外部通信電路

外部通信電路的硬件包括電壓轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)、液晶顯示模塊。外部通信電路工作時(shí)，單片機(jī)作為主機(jī)驅(qū)動(dòng)PCap02和液晶顯示屏，PCap02作為從機(jī)，通過(guò)IIC與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。單片機(jī)作為主機(jī)主動(dòng)發(fā)出讀數(shù)據(jù)指令，通過(guò)串口總線將溫濕度值讀出，并最終通過(guò)液晶驅(qū)動(dòng)程序?qū)貪穸戎碉@示在液晶屏上[2]。

3 溫濕度傳感器在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)中的溫室監(jiān)控系統(tǒng)為了有效達(dá)到節(jié)能、多產(chǎn)的目的，滿足實(shí)驗(yàn)的效果，需要對(duì)溫室內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)包括感知層和應(yīng)用層的設(shè)計(jì)。感知層通過(guò)研究傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)使得整個(gè)系統(tǒng)的性能得到提升，系統(tǒng)軟件利用傳感器收集處理的各類數(shù)據(jù)，能夠?qū)厥噎h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠?qū)γ總€(gè)傳感器獲得的數(shù)據(jù)生成監(jiān)控趨勢(shì)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行操作，以便于精準(zhǔn)地控制溫室內(nèi)部環(huán)境。

與LEACH協(xié)議相結(jié)合，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將溫室劃分為不同的簇，每個(gè)簇中的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳給簇頭結(jié)點(diǎn)，簇頭結(jié)點(diǎn)通過(guò)簡(jiǎn)單的處理后傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)收集到各個(gè)簇的數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析及反饋相應(yīng)的處理結(jié)果。

對(duì)于基于LEACH無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的用戶來(lái)說(shuō)，它的信息傳遞缺乏互動(dòng)性和自我約束的能力是顯而易見(jiàn)的。

3.2 系統(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)

AM2321芯片的主要功能是檢測(cè)環(huán)境中的溫濕度，是一款比較常用的溫濕度測(cè)量傳感器，也是一款功能相對(duì)較為完善的溫濕度傳感器，研究其內(nèi)容具有普遍性。該傳感器在采集數(shù)據(jù)時(shí)能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，采用了專用的數(shù)字模塊采集和溫濕度傳感器技術(shù)。AM2321芯片中包含一個(gè)感溫感濕元件，該元件具有很高的精度，因此可靠性和性能是很高的[3]。

（1）Modbus原理及實(shí)現(xiàn)代碼。Modbus是一種串行通信協(xié)議，是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式。大體通信過(guò)程如下：主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也能以廣播方式和所有從設(shè)備通信。如果單獨(dú)通信，從設(shè)備返回消息作為回應(yīng)；如果是以廣播方式查詢，則不作任何回應(yīng)。

（2）AM2321芯片簡(jiǎn)介及實(shí)現(xiàn)代碼。AM2321的SDA口連接到STC12C5A16S2的P1.1-S進(jìn)行單總線通信，R19為上拉電阻。各PIN的分配如表1。

表1 AM2321的傳感器性能

創(chuàng)建數(shù)字學(xué)院，培養(yǎng)應(yīng)用人才，鼓勵(lì)校企合作，開(kāi)設(shè)涉農(nóng)技術(shù)、涉農(nóng)電商、數(shù)據(jù)分析、涉農(nóng)政策研究等專業(yè)，培養(yǎng)知識(shí)型、技能型、創(chuàng)新型數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用人才，通過(guò)政策引導(dǎo)及政府購(gòu)買(mǎi)服務(wù)等方式鼓勵(lì)涉農(nóng)企業(yè)、高校、相關(guān)科研機(jī)構(gòu)積極參與數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)，最終建成“數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化運(yùn)營(yíng)、數(shù)字化人才、數(shù)字化管理”的數(shù)字農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)集群，全面提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平。