智能信息处理技术在温室监测系统中的应用

现代化温室作为设施农业的一个方面，其环境检测与控制系统利用自动化、机械化和微电子智能高新技术，使温室内温度、湿度、光照、CO₂浓度和土壤温湿度等环境参数自动调控到作物生长所需的最佳状态值，以及生产作业高度自动化和机械化。温室设施包括环境调控设施和温室建筑结构，而先进的环境调控是现代化温室重要特征[36]。

温室环境控制，即根据植物生长发育的需要，自动调节温室内环境条件的总称。现代化温室，通过传感器、微型计算机及单片机技术和人工智能技术，能自动调控温室的环境，其中包括温度、湿度、光照、CO₂、水分等，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外生长更优的环境条件，以达到早熟、优质、高产的目的。

在温室自动化管理系统中应用的传感器主要有温度传感器、湿度传感器、光照传感器、CO₂浓度传感器等。选择传感器的原则是接口简单、性能稳定、工作可靠等。

1.温度传感器的选择

温室内环境的变化范围为0～40℃，变化速度较为缓慢，且对作物生长的影响不特别敏感，因而灵敏度要求不高。因温室内湿度较大，传感器需具有较好的物理和化学稳定性。故选择的传感器应该满足具有长期稳定性好，测量范围符合作物生长的环境要求，满足测量精度要求等条件。为了便于推广应用，要求传感器性能稳定，价格适中。

目前，温度传感器主要有数字式温度传感器和模拟式温度传感器。数字式温度传感器其与微处理器的接口为数字形式以串行接口为主，主要有美国DALLAS半导体公司的单线式数字化测温集成电路DS18B20和瑞士SENSIRION公司的SHT71二线制温湿度一体集成电路。模拟式温度传感器通过ADC与微处理器的接口，常用的有热电阻温度传感器或变送器和集成温度传感器（如AD公司的AD590集成温度传感器）。可根据温室测控系统灵活选用，如在温湿度测量点较多且使用无线节点时可选用SHT71，需要增加温度测量点时可选用DS1820；在测量点很少（小型温室，有一个测量点就能满足需求）且测量点距离控制器较近时，温室内可不用无线节点，此时，可选用温度变送器直接与温室控制连接，节省成本。

DS1820采用1-Wire单线接口方式，与微处理器接口时仅需占用1个I/O端口，支持多节点，使分布式测量，测温时无需任何外部元件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式；测温范围为-55～+125℃，测温精度为0.5℃。

SHT71采用二线制I²C接口方式，与微处理器接口式需要2个I/O端口，测量范围为-40～123.8℃，测量精度0.8℃。

2.光照检测

在光照度测量中，常用的光电器件是光电池和光敏二极管。通过对两者的结构与工作原理及特性的比较可知，光电池的漏电流、结电容较大，并联电阻较小。用光电池探测辐射时，有噪声大、动态范围和线性区小、响应慢等缺点。同时，光电池的疲劳现象直接影响其响应度的稳定性。另外，这两种器件的光谱特性也不同，光敏二极管的光谱特性与光谱光视效率更接近。硅光敏二极管在光照特性上、温度特性上、频率特性上等，都更适合于智能温室控制光照度传感器的测量。从光谱特性上可以看出，硅光敏二极管的光谱响应范围是400～1100nm，可满足温室测控系统的需求，故选择硅光敏二极管作为光照度传感器的光电转换元件。

光照度测量电路如图2-11所示，由于硅光敏二极管输出的是极其微弱的光电流，大约是2μА，因此需要一个放大电路，在保证输出信号线性的条件下，将输出的电流信号转换为对应的电压信号。硅光敏二极管输出电流信号经放大电路转换为电压信号输出，放大器输入电阻相对光敏二极管可以视为短路，则放大器的输出电压V_o=-I_iR_f。这种方式可以获得线性良好的电流——电压变换。电路选用的硅光敏二极管型号为3DU050C，光谱范围为450～1150nm，用于可见光、红外光检测，光电流I_L（1000LX-10V）≥5mA，暗电流I_d（0LX-10V）≤0.1μА，击穿电压V_CEO>30V，耗散功率P_d=1500mW。

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图2-11 光照度测量电路

3.CO₂传感器的选择

目前，CO₂传感器的类型有两种：一种是红外式，优点是精度高、工作稳定可靠、使用方便，缺点是价格较高；另一种是热导式，优点为价格较低，缺点为要经常更换感受元件，定期用标准气体标定传感变送器，使用不方便，且可靠性和感受元件相关。

红外式CO₂传感器是应用最广泛的一种，利用CO₂吸收波长4.27μm红外线的物理特性来有选择地准确测量CO₂的分压，尤其是在CO₂绝对浓度很高（甚至高达100%）的情况下更能准确测量其浓度，如T6004模块，测量范围为0～2000×10^-6，非线性小于1%FS，价格适中，主要参数指标见表2-4。

表2-4 T6004CO₂参数指标

4.测量电路的设计

以T6004红外式CO₂测量模块为例，介绍其接口电路的设计过程。

T6004与CC2430的接口电路如图2-12所示。因CC2430工作电压为2.0～3.6V，所以5V电源需要通过两个二极管降压。T6004工作电压最大5.25V，必须加保护电路，否则电源的意外冲击电压容易将其损坏。为了节省CC2430的引脚资源，使用T6004的模拟输出模式，通过内部ADC采样。T6004模拟输出的最大电压为4V，没法直接对其采样，因此，通过一个LM358单电源放大器对其进行衰减至0～3.2V。

图2-12 CO₂测量电路