趙華民，王鳳花，張淑娟，張海紅

（山西農業(yè)大學工學院，山西太谷030801）

精確把握農田環(huán)境溫濕度，可以更加高效、精細地進行農業(yè)耕作（如設施農業(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）、露點法、干濕球法、電子式傳感器法等[1-2]。

目前，現(xiàn)有的農田環(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]。為滿足精細農業(yè)的需要，要求既能測量點的位置信息，又能測量測點的多種屬性信息，便于進行綜合的處理和分析，本研究開發(fā)便攜式農田信息采集儀，在介紹該采集儀采集環(huán)境溫濕度軟硬件設計的基礎上對其進行了標定，使其達到實際應用的要求[4]。

1 采集儀設計

1.1 總體結構

農田信息采集儀是以單片機為控制核心，多通道、便攜式的農田信息采集裝置，實現(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、單片機子模塊、GPS信號測量子模塊、A/D轉換子模塊、鍵盤顯示及存儲子模塊、通訊子模塊（RS232，GSM模塊）等組成。農田信息采集儀與上位機結合可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的近距離有線傳輸和遠距離無線傳輸。農田信息采集儀結構如圖1所示。

1.2 土壤溫濕度測量模塊設計

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

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術的新型溫濕度傳感器。它將CMOS芯片技術與傳感器技術相結合，從而發(fā)揮出強大的優(yōu)勢互補作用。其主要特點為：（1）將溫濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、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?。?.65 mm×5.08 mm×23.5 mm），可表面貼裝；（2）可給出全校準相對濕度及溫度值輸出，帶有工業(yè)標準的I2C總線數(shù)字輸出接口；可與單片機直接相連，大大縮短研發(fā)時間、簡化外圍電路并降低費用；（3）全標定輸出，有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗功能；（4）具有露點值計算輸出功能；（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）分別直接與單片機的P34和P35口相連，單片機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

采用HOBO數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄計與該采集儀進行環(huán)境溫濕度性能對比試驗。HOBO H8數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄計內置溫濕度傳感器，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 試驗方法

試驗儀器為農田信息采集儀，HOBO H8數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄儀等。試驗地點設在山西農業(yè)大學工程技術學院前的一塊大豆地。試驗目的為用農田信息采集儀和HOBO數(shù)字環(huán)境溫濕度記錄計分別測量環(huán)境溫濕度，進行性能對比試驗。

試驗實施：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業(yè)大學工程學院前的大豆地里的一點（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）進行對比試驗。從7時開始，每隔30 min進行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)出十分明顯的相關性?？諝鉁囟仍?4時左右達到最高值，為29.9℃，這時相應的空氣濕度達到最低，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，原因還需進一步進行誤差分析研究。

2.3 誤差分析

通過對農田信息采集儀與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，需要進一步進行誤差分析。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，還需要進行標定。

2.4 環(huán)境溫濕度標定

對2種采集儀的環(huán)境溫濕度進行相關性分析，結果如圖5所示。

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

為驗證標定方程的準確性，2008年10月9日，在同一地點用2種采集儀記錄了9—18時的環(huán)境溫濕度值，然后據(jù)標定方程對該采集儀的環(huán)境溫濕度測量進行標定，誤差分析結果列于表1。

表1 采集儀環(huán)境溫濕度標定結果的誤差分析

由表1可知，該采集儀環(huán)境溫度測量的標定值與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 結論

通過對比試驗和標定試驗可以看出，該采集儀環(huán)境溫濕度的測量通過標定，農田環(huán)境溫度的標定值與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)境的溫濕度變化進行實踐測量。

［1］李偉民.基于GPS的現(xiàn)代農業(yè)信息計算機采集系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學，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，2007，37（5）：709-711，716.

［3］王鳳花，裘正軍，介鄧飛，等.農田土壤pH值和電導率采集儀設計與實驗[J].農業(yè)機械學報，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].山西農業(yè)科學，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及其在單片機系統(tǒng)的應用 [J].國外電子元器件，2004（2）：50-54.