陽光直射條件下3種溫室空氣溫度傳感器對比試驗

關鍵詞：溫室；陽光直射；空氣溫度；干濕球；熱電偶；溫濕度傳感器

0 引言

日光溫室作為具有典型中國特色、規(guī)模巨大的設施類型，是我國設施農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1-3]。根據(jù)全國農(nóng)業(yè)機械化統(tǒng)計年報數(shù)據(jù)，截至2020年我國日光溫室面積達55萬hm2，占全國設施總面積的30%[4]。

隨著人口的增長和社會的快速發(fā)展，對農(nóng)產(chǎn)品的需求已由僅追求產(chǎn)量向同時追求產(chǎn)量和品質轉變[5]。影響作物產(chǎn)量和品質的環(huán)境因素有很多，如溫度、光照、濕度和二氧化碳濃度等，其中室內空氣溫度作為作物生長過程中的重要環(huán)境因子，對作物的新陳代謝活動及作物的產(chǎn)量和品質都有著直接的影響[6]。如喜溫作物番茄，長期在低于5°C環(huán)境下能夠引起凍害，但室內空氣溫度超過40°C，也將不利于其生長[7-10]。因此，將溫室空氣溫度控制在適宜作物生長的范圍之內對作物的產(chǎn)量及品質具有重要的意義。

溫室環(huán)境控制系統(tǒng)通過協(xié)調各溫室環(huán)境控制設備（加熱設備、降溫設備、通風系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)等），使空氣溫度等溫室內微氣候達到適宜作物生長的狀態(tài)[11]。溫室環(huán)境控制系統(tǒng)包括硬件設備和溫室環(huán)境控制策略兩部分，其核心為溫室環(huán)境控制策略。空氣溫度測量數(shù)據(jù)是溫室環(huán)境調控系統(tǒng)制定控制策略的依據(jù)，同時也作為控制反饋輸入到環(huán)境調控系統(tǒng)以修正環(huán)境調控策略，因此空氣溫度數(shù)據(jù)測量精度決定著溫室環(huán)境調控系統(tǒng)的調控質量。假設傳感器測量溫度高于實際溫度，如實際溫度lt;5°C，而由于測量誤差，傳感器測量溫度gt;5°C，則將使控制系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤的控制策略而不進行加熱，導致番茄等喜溫作物產(chǎn)生凍害。如果測量溫度低于實際溫度，則系統(tǒng)可能在不需要加熱的環(huán)境情況下，控制加熱系統(tǒng)工作，從而增加了溫室的運行成本。

近年來很多研究人員開展了溫室建模方面的研究工作，室內空氣溫度在溫室建模領域扮演著重要的角色[12]。

目前溫室模型總體上分為機理模型和數(shù)據(jù)驅動模型兩種類型[13-16]。對于溫室機理模型來說，室內空氣溫度為溫室機理模型的狀態(tài)變量，如果空氣溫度測量數(shù)據(jù)不準確，將會影響溫室機理模型的驗證效果。對于溫室數(shù)據(jù)驅動模型來說，在構建模型前需構建用于模型訓練的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集變量包括特征輸入和輸出變量，特征輸入變量一般為室外氣象數(shù)據(jù)等易獲取的數(shù)據(jù)變量，特征輸出變量為室內空氣溫度，如果空氣溫度測量數(shù)據(jù)不準確的話，將嚴重降低數(shù)據(jù)集質量，進而降低數(shù)據(jù)驅動模型的預測精度。

目前在溫室中應用的溫度傳感器大多是從工業(yè)傳感器直接過渡過來的，未考慮溫室內陽光直射的環(huán)境特性而導致測量誤差增大的問題[12]。為了避免陽光直射影響空氣溫度測量精度，很多種植者將溫度傳感器放置于百葉箱中，由于太陽光照射到百葉箱表面間接使百葉箱內部溫度升高且百葉箱內空氣與外界空氣流通較慢，導致百葉箱內溫度與空氣溫度仍有較大偏差。此外，用戶在選擇傳感器時優(yōu)先考慮價格因素，而對傳感器的測量精度沒有足夠的重視。

國外溫室類型主要是連棟溫室，空氣溫度數(shù)據(jù)采集主要使用豪根道（Hoogendoorn）、普瑞瓦（Priva）和騎士（Ridder）等公司研制的溫濕度傳感器，傳感器采用干濕球原理測量數(shù)據(jù)，具有測量范圍大、精度高的特點。但是傳感器價格昂貴，并且數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不開放，僅能與以上公司開發(fā)的環(huán)境控制系統(tǒng)配合使用[12]。

針對陽光直射導致空氣溫度測量偏差較大的問題，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院設施農(nóng)業(yè)研究所研發(fā)了一種干濕球原理專用溫濕度傳感器（以下簡稱干濕球傳感器），使用隔熱材料避免陽光直接照射到干濕球傳感器。此外，干濕球傳感器內部設置有風道，將其設置在風道內部，通過強制通風促使風道內部溫濕度環(huán)境與外部空氣溫濕度環(huán)境相同，解決了太陽直射導致的常規(guī)溫室空氣溫度傳感器測量誤差問題。基于以上技術措施，干濕球傳感器測量的空氣溫度數(shù)據(jù)更接近真實值。

本研究將干濕球傳感器與另外兩種應用比較廣泛的空氣溫度測量方式，即熱電偶傳感器和SHT35型溫濕度傳感器（以下簡稱SHT35型傳感器）的空氣溫度數(shù)據(jù)測量結果進行了對比分析，以探索陽光直射條件下干濕球傳感器采取隔熱材料防陽光直射等措施后的空氣溫度測量效果及量化常規(guī)溫室空氣溫度傳感器測量偏差，為溫室空氣溫度傳感器選型提供一定的參考依據(jù)。

1 基本原理

1.1 熱電偶傳感器

熱電偶傳感器是一種應用非常普遍的接觸式溫度傳感器，具有響應速度快、裝配簡單、使用方便、不易損壞和體積小等優(yōu)點，由兩根不同的金屬導體組成[17-19]。兩根金屬導體一端連接在一起形成測量端，也稱為熱端，一般放置于需要測量溫度的介質中。兩根金屬導體的另外一端被稱為冷端，連接PLC等測量儀器或者儀表以讀取測量數(shù)據(jù)。

熱電偶傳感器基于熱平衡機理實現(xiàn)溫度測量，其利用熱端和冷端的溫度差引起金屬導體內電子遷移程度的差異而導致冷端產(chǎn)生電勢差，通過測量電勢差得到溫度差，進而得到測量介質的溫度[20-21]。本研究選擇的熱電偶傳感器為K型熱電偶傳感器，精度±0.3°C、測量范圍–50～100°C。

1.2 干濕球傳感器

干濕球傳感器由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院設施農(nóng)業(yè)研究所研發(fā)，其測量精度為相對濕度±3%、溫度±0.1°C，溫度測量范圍0～50°C，支持485或4G信號輸出，具有實時液位檢測功能。干濕球傳感器主要由控制器、殼體、引水棉、干球溫度計、濕球溫度計、風道、風扇和儲水盒組成，內部結構如圖1所示。風道在殼體內部，為兩端貫通狀，兩端均敞口且為中空結構，風機設置于風道內部，干球溫度計和濕球溫度計分別插入風道內部，濕球溫度計與引水棉連接。

在風道內部風機作用下，氣流從風道一端進入，沿風道移動后從另外一端流出，保持風道內空氣與溫室空氣循環(huán)，從而使風道內的空氣溫度與溫室內空氣溫度相同。風道設置在殼體內部，殼體對風道起到隔熱作用，另外，也可避免風道接受陽光直射影響干濕球傳感器的測量準確性。濕球溫度計測量濕球溫度，與干球溫度計測量數(shù)據(jù)結合計算相對濕度，其詳細技術原理參考文獻[22]。

1.3 SHT35型傳感器

SHT35型傳感器是瑞士SENSIRION公司生產(chǎn)的一種能夠同時測量空氣溫度和濕度的傳感器，具有較高的測量精度和數(shù)據(jù)可靠性。SHT35型傳感器功能結構如圖2所示，包括溫度傳感器、濕度傳感器、ADC、數(shù)據(jù)處理模塊和校準記憶模塊等，數(shù)據(jù)接口采用IIC總線協(xié)議，測量精度為相對濕度±1.5%、溫度±0.1°C。

2 平臺搭建和數(shù)據(jù)獲取

2.1 試驗溫室

試驗溫室位于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院永清精準試驗基地（39.32°N、116.49°E），溫室類型為日光溫室，溫室長度60m、寬度10m、脊高5.32m、前屋面投影30°和后屋面仰角46°，溫室詳細建筑參數(shù)參考文獻[23]。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

為了對溫室空氣溫度測量數(shù)據(jù)進行對比和分析，本研究構建了試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集和存儲了3種空氣溫度傳感器測量數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括環(huán)境感知層、傳輸層和應用層，如圖3所示。

環(huán)境感知層由太陽輻射傳感器、SHT35型傳感器、熱電偶傳感器、干濕球傳感器及CPU等組成，其中SHT35型傳感器與熱電偶傳感器分別放置于百葉箱中，以避免太陽輻射對傳感器測量精度的影響[24]。熱電偶傳感器輸出信號經(jīng)過M2101數(shù)據(jù)采集卡處理之后，通過Modbus協(xié)議傳輸給CPU，SHT35型傳感器采用IIC總線協(xié)議與CPU通信。太陽輻射傳感器與干濕球傳感器通過Modbus協(xié)議與CPU通信，本研究選擇的太陽輻射傳感器型號為HQTBQ，傳感器測量精度1W/m2，測量范圍0～2000W/m2。CPU選擇STM32F407，主要作用為通過Modbus、IIC等數(shù)據(jù)通訊協(xié)議讀取各傳感器的數(shù)據(jù)，并將讀取數(shù)據(jù)處理后通過485總線發(fā)送給網(wǎng)關[25]。

傳輸層由網(wǎng)關和基站構成，網(wǎng)關接收來自現(xiàn)場發(fā)送的數(shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到基站，基站再將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程服務器。

應用層包括服務器及運行在服務器上的試驗數(shù)據(jù)采集云平臺，平臺包括首頁、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)曲線4個功能模塊，如圖4所示。通過云平臺可遠程查看數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的管理和下載。云平臺前臺界面采用html+css架構開發(fā)，后臺開發(fā)語言采用C#，腳本語言選擇JavaScript；平臺將接收數(shù)據(jù)存儲至SQLServer數(shù)據(jù)庫，用戶可通過計算機及移動終端訪問試驗數(shù)據(jù)采集云平臺。

3 結果與討論

本研究于2023年選擇了4個典型時間階段：3月27—31日、5月26—30日、6月6—10日和9月6—10日，分析了3種溫室空氣溫度傳感器測量數(shù)據(jù)結果。由圖5可知，3月27—31日天氣全部為晴天，太陽輻射最大值分別為848、732、801、760和836W/m2；5月26—30日以多云天氣為主，太陽輻射波動較大，太陽輻射最大值分別為901、618、1170、1201和428W/m2；6月6—10日天氣全部為晴天，太陽輻射最大值分別為1007、1111、1084、1124和1042W/m2；9月6日為晴天、9月7日和9月10日為多云天氣、9月8日和9月9日為陰天，太陽輻射水平較低，9月6—10日太陽輻射最大值分別為831、831、419、194和850W/m2。本研究所分析的4個時間段包括了太陽輻射較強的天氣情況，也包括了多云、陰天等太陽輻射較弱的情況，以對比分析不同太陽輻射情況對3種空氣溫度傳感器測量數(shù)據(jù)結果的影響。

4個時間段3種溫室空氣溫度傳感器測量結果對比曲線如圖6所示，夜間及太陽輻射強度較低的情況下，3種空氣溫度傳感器測量數(shù)據(jù)結果偏差較小。中午太陽輻射強度較高的情況下，使用熱電偶和SHT35型傳感器測量的空氣溫度數(shù)據(jù)明顯高于使用干濕球傳感器所測量的空氣溫度數(shù)據(jù)。

表1為4個典型時間段每天9：00—16：00熱電偶傳感器、SHT35型傳感器與干濕球傳感器空氣溫度測量數(shù)據(jù)最大偏差和平均偏差統(tǒng)計。由表1可知，熱電偶傳感器、SHT35型傳感器測量數(shù)據(jù)明顯大于干濕球傳感器所測量的數(shù)據(jù)。3月27—31日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器室內空氣溫度測量數(shù)據(jù)最大偏差3.90°C，平均偏差最大值1.49°C；SHT35型傳感器與干濕球傳感器室內空氣溫度測量數(shù)據(jù)最大偏差5.35°C，平均偏差最大值3.18°C。5月26—30日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器室內空氣溫度測量數(shù)據(jù)最大偏差5.20°C，平均偏差最大值2.75°C；SHT35型傳感器與干濕球傳感器室內空氣溫度測量數(shù)據(jù)最大偏差6.10°C，平均偏差最大值3.50°C。6月6—10日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器室內空氣溫度測量數(shù)據(jù)最大偏差8.17°C，平均偏差最大值4.52°C；SHT35型傳感器與干濕球傳感器室內空氣溫度測量數(shù)據(jù)最大偏差8.59°C，平均偏差最大值5.12°C。9月6—10日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器測量數(shù)據(jù)最大偏差7.78°C，平均偏差最大值4.79°C；SHT35型傳感器與干濕球傳感器室內空氣溫度測量數(shù)據(jù)最大偏差5.58°C，平均偏差最大值3.66°C。

4個時間段中有4d的太陽輻射水平相對較低，分別為2023年5月27日、5月30日、9月8日和9月9日，熱電偶傳感器與干濕球傳感器空氣溫度測量數(shù)據(jù)的平均偏差分別為1.28、0.90、1.18和0.89°C，SHT35型傳感器與干濕球傳感器空氣溫度測量數(shù)據(jù)的平均偏差分別為1.56、1.09、1.08和0.46°C。結果表明，在多云、陰天等太陽輻射水平較低的天氣狀況下，熱電偶傳感器和SHT35型傳感器測量數(shù)據(jù)與干濕球傳感器測量數(shù)據(jù)偏差小于晴天等太陽輻射強度水平較高的天氣狀況。通過以上分析結果能夠得出太陽輻射強度越大，熱電偶傳感器和SHT35型傳感器測量數(shù)據(jù)相比干濕球傳感器測量結果偏差越大。

4 結束語

在陽光直射條件下常規(guī)空氣溫度測量方式測量數(shù)據(jù)偏大。干濕球傳感器通過采用隔熱材料避免陽光直射及強制通風等措施所獲取的空氣溫度測量數(shù)據(jù)更接近真實數(shù)據(jù)。為了探索陽光直射條件下干濕球傳感器采取隔熱材料防陽光直射等措施后的空氣溫度測量效果及量化常規(guī)溫室空氣溫度傳感器測量偏差，本研究對3種溫室空氣溫度傳感器：干濕球原理專用溫濕度傳感器（干濕球傳感器）、熱電偶傳感器和SHT35型溫濕度傳感器（SHT35型傳感器）空氣溫度測量結果進行了對比試驗。

（1）在陽光直射條件下，2種典型溫室空氣溫度傳感器測量結果明顯高于干濕球傳感器。SHT35型傳感器與干濕球傳感器測量最大偏差達8.59°C，最小偏差1.19°C，每日平均偏差最大5.12°C，最小0.46°C。熱電偶傳感器與干濕球傳感器最大偏差達8.17°C，最小偏差1.84°C，每日平均偏差最大值4.79°C，最小值0.89°C。

（2）室外太陽輻射強度越大，2種典型溫室空氣溫度傳感器與干濕球傳感器的測量結果偏差越大，反之，則偏差越小。

本研究通過試驗探索了陽光直射條件下干濕球傳感器采取隔熱材料防陽光直射等措施后的數(shù)據(jù)測量效果，量化了常規(guī)溫室空氣溫度傳感器測量數(shù)據(jù)的偏差，為溫室空氣溫度傳感器選型提供了參考依據(jù)。