溫濕度傳感器在智慧農(nóng)業(yè)中的應用探討

錢逸敏 李曉東

河南省計量科學研究院 河南鄭州 450000

1 智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)特征

1.1 可復制性

智慧農(nóng)業(yè)依靠技術(shù)，成功的生產(chǎn)技術(shù)可以被復制與推廣。使用標準化方案生產(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，增強農(nóng)業(yè)素質(zhì)、效益及競爭力，還能抗御自然災害與市場風險能力，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)”，可以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從種植、管理、生產(chǎn)、加工、倉儲、物流等整個過程的透明化，真正實現(xiàn)田間到餐桌的全程溯源，將種植和生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)完全呈現(xiàn)給消費者。這種可追溯的管理方式，促進了農(nóng)業(yè)規(guī)范化和標準化生產(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)通過實施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事控制技術(shù)、智能設施、遠程農(nóng)事操作，可以合理安排用工用時用地，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生產(chǎn)效率，降低人工成本，減少對自然能源的消耗，更好地控制生產(chǎn)成本。同時，也有利于實現(xiàn)對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，推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，大力推進規(guī)模化經(jīng)營、標準化生產(chǎn)、品牌化營銷，向農(nóng)業(yè)的深層次、多層次進軍。

2 溫濕度傳感器集成系統(tǒng)設計

2.1 硬件架構(gòu)設計

溫濕度傳感器集成系統(tǒng)設計共分為兩部分：硬件設計和軟件設計，本章將對集成系統(tǒng)的硬件設計方案進行介紹。由于集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集芯片只能作為從機工作，因此系統(tǒng)接入其他外部設備時需要外部通信電路，因此本章也對外部通信電路進行相關設計。

2.2 集成系統(tǒng)設計

溫濕度傳感器集成系統(tǒng)包括三個部分：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溫濕度信號進行測量，處理器將測量數(shù)據(jù)進行存儲與處理。傳感器芯片與處理器通過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、液晶顯示模塊。外部通信電路工作時，單片機作為主機驅(qū)動PCap02和液晶顯示屏，PCap02作為從機，通過IIC與單片機實現(xiàn)通信。單片機作為主機主動發(fā)出讀數(shù)據(jù)指令，通過串口總線將溫濕度值讀出，并最終通過液晶驅(qū)動程序?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)中的應用實踐

3.1 溫室監(jiān)控系統(tǒng)設計

智慧農(nóng)業(yè)中的溫室監(jiān)控系統(tǒng)為了有效達到節(jié)能、多產(chǎn)的目的，滿足實驗的效果，需要對溫室內(nèi)的各個環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)包括感知層和應用層的設計。感知層通過研究傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)使得整個系統(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)境進行實時監(jiān)控，能夠?qū)γ總€傳感器獲得的數(shù)據(jù)生成監(jiān)控趨勢，并且能夠?qū)?shù)據(jù)進行操作，以便于精準地控制溫室內(nèi)部環(huán)境。

與LEACH協(xié)議相結(jié)合，該結(jié)構(gòu)設計將溫室劃分為不同的簇，每個簇中的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳給簇頭結(jié)點，簇頭結(jié)點通過簡單的處理后傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點在一段時間內(nèi)收集到各個簇的數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器，從而進行數(shù)據(jù)的分析及反饋相應的處理結(jié)果。

對于基于LEACH無線傳感網(wǎng)絡的用戶來說，它的信息傳遞缺乏互動性和自我約束的能力是顯而易見的。

3.2 系統(tǒng)原理及實現(xiàn)

AM2321芯片的主要功能是檢測環(huán)境中的溫濕度，是一款比較常用的溫濕度測量傳感器，也是一款功能相對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)時能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行校準，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原理及實現(xiàn)代碼。Modbus是一種串行通信協(xié)議，是工業(yè)電子設備之間常用的連接方式。大體通信過程如下：主設備可單獨和從設備通信，也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信，從設備返回消息作為回應；如果是以廣播方式查詢，則不作任何回應。

（2）AM2321芯片簡介及實現(xiàn)代碼。AM2321的SDA口連接到STC12C5A16S2的P1.1-S進行單總線通信，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)字學院，培養(yǎng)應用人才，鼓勵校企合作，開設涉農(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)知識型、技能型、創(chuàng)新型數(shù)字農(nóng)業(yè)應用人才，通過政策引導及政府購買服務等方式鼓勵涉農(nóng)企業(yè)、高校、相關科研機構(gòu)積極參與數(shù)字農(nóng)業(yè)建設，最終建成“數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化運營、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。