溫室智能裝備系列之一百 在線探測(cè)溫室大棚暴雪厚度實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)的開發(fā)_馬偉.pdf

溫室園藝2018-0148溫室智能裝備系列之一百在線探測(cè)溫室大棚暴雪厚度實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)的開發(fā)*馬  偉1，Daniel K Fisher2，趙學(xué)觀1，王  秀1（1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京  100097；2. 作物生產(chǎn)系統(tǒng)研究中心，美國(guó)農(nóng)業(yè)部  78756）背景近年來(lái)，極端天氣不斷出現(xiàn)，惡劣天氣對(duì)溫室大棚蔬菜生產(chǎn)帶來(lái)不可忽視的影響。除了極端的低溫、連續(xù)多日沒有充足陽(yáng)光照射等問題外，暴雪也是必須重視的一種極端天氣。溫室大棚上沉積的積雪由于自身的重量，會(huì)帶來(lái)溫室結(jié)構(gòu)載荷的動(dòng)態(tài)變化，最終導(dǎo)致溫室大棚的坍塌1。中國(guó)有溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中GB/T 18622-2002溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載對(duì)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行了規(guī)范。GB/T 51183-2016農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范對(duì)特定類型的連棟溫室屋面積雪分布及加熱影響系數(shù)給出了明確的規(guī)范。積雪分布系數(shù)是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，研究極端雪災(zāi)對(duì)溫室的破壞形式，分析溫室積雪分布形式及規(guī)律，開展溫室結(jié)構(gòu)的受力分析是優(yōu)化溫室結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要方法2。積雪厚度的監(jiān)測(cè)可用到多種傳感器。積雪采樣探測(cè)方法按照是否接觸積雪可分為接觸式監(jiān)測(cè)和非接觸式監(jiān)測(cè)。接觸式監(jiān)測(cè)可利用量杯、稱重傳感器等方法進(jìn)行測(cè)量。非接觸式監(jiān)測(cè)的方法具有可重復(fù)使用、在線探測(cè)實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。由于不同厚度積雪的表面反射光譜有差異，因此可通過(guò)積雪的表面反射光譜曲線及變化特征來(lái)分析積雪厚度。研究結(jié)果顯示，反射光譜為12301350 nm和15001850 nm時(shí)，積雪表面的波譜反射率表現(xiàn)出隨著積雪厚【摘要】暴雪天氣對(duì)溫室大棚的損壞來(lái)自于積雪過(guò)多沉積未能及時(shí)清除，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)溫室大棚結(jié)構(gòu)荷載過(guò)大而發(fā)生坍塌。基于上述問題，研究開發(fā)了一種在線探測(cè)溫室大棚暴雪厚度的實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)將可以和預(yù)設(shè)閾值的實(shí)時(shí)掃雪控制系統(tǒng)一起運(yùn)行， 避免 暴雪給溫室結(jié)構(gòu)帶來(lái) 的 破壞。度變大而逐漸降低的特性3。但是由于光譜傳感器價(jià)格高昂，開發(fā)單獨(dú)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)價(jià)格較高?；诘孛婀庾V儀采集光譜研究初步模型為基礎(chǔ)，通過(guò)衛(wèi)星遙感圖像獲得大面積區(qū)域的積雪厚度是探測(cè)大范圍積雪厚度的一種快速有效手段。另外，RGB傳感器用于采集多通道彩色光譜信息，因其價(jià)格相比多光譜傳感器低廉，所以在農(nóng)業(yè)上得到初步應(yīng)用，該類型傳感器也可用于對(duì)積雪厚度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但RGB傳感器采集的多通道彩色圖像的計(jì)算量較大，不適合小型系統(tǒng)在線使用。超聲傳感器利用回聲反射的原理，適合對(duì)積雪表面的高度變化進(jìn)行采樣，也可以對(duì)積雪表面一個(gè)區(qū)域內(nèi)的起伏變化進(jìn)行探測(cè)，DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.01.009溫室園藝2018-0149該傳感器采樣精度較高、計(jì)算量小、價(jià)格合理，適合溫室生產(chǎn)中監(jiān)測(cè)積雪的厚度。系統(tǒng)構(gòu)成機(jī)械結(jié)構(gòu)采用鋼質(zhì)角鐵焊接作為支架，支架高度可調(diào)節(jié)，手動(dòng)調(diào)節(jié)范圍為4570 cm，將控制系統(tǒng)放入25 cm35 cm防水塑料箱中。底座采用角鐵和膨脹螺栓固定在溫室特定位置。如果固定點(diǎn)沒有強(qiáng)度大的固定底座，也可以采用地錨固定的方式，避免下雪或大風(fēng)影響支架穩(wěn)定性。電子硬件采用開源的微控制器作為控制核心，利用控制器自帶的廣播功能搭建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。利用SIM模塊可以獲得低價(jià)的無(wú)線傳輸服務(wù)，每月每套設(shè)備花費(fèi)5元即可傳輸所有的數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程的云端存儲(chǔ)。超聲傳感器采用測(cè)量距離范圍為240 cm，精度為2 mm。采用太陽(yáng)能電池模塊為系統(tǒng)供電，太陽(yáng)能電池固定在防水塑料箱的上方蓋子上。外接的SD模塊可直接讀寫和存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送，實(shí)現(xiàn)雙重備份，保證數(shù)據(jù)安全。軟件開發(fā)控制系統(tǒng)的軟件采用Arduino工具開發(fā)，對(duì)應(yīng)的庫(kù)函數(shù)可以為各模塊的子程序開發(fā)提供支撐，該開發(fā)環(huán)境能顯著提高硬件電路的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。其在線仿真工具可對(duì)電子硬件部分進(jìn)行在線測(cè)試，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)報(bào)錯(cuò)的地址信息判斷電子硬件的各模塊是否正常采集數(shù)據(jù)。開發(fā)工具可以設(shè)計(jì)超聲傳感器和控制系統(tǒng)的電源系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，當(dāng)電池電量不足時(shí)可以優(yōu)先供應(yīng)傳感器采集數(shù)據(jù)，并將獲得的數(shù)據(jù)保存在SD卡中。傳輸平臺(tái)數(shù)據(jù)的云端傳輸和存儲(chǔ)基于ThingSpeak開源平臺(tái)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)通道建立基于Web的數(shù)據(jù)發(fā)布環(huán)境。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的可視化。Matlab的后臺(tái)數(shù)據(jù)運(yùn)算工具具有非常友好和強(qiáng)大的曲線功能，因此后臺(tái)的Matlab功能函數(shù)可作為數(shù)據(jù)運(yùn)算后可視化的基礎(chǔ)。圖1是一個(gè)降雪實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的例子。系統(tǒng)搭建系統(tǒng)硬件在線探測(cè)溫室大棚暴雪厚度實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)的硬件部分（圖2）采用可拆卸結(jié)構(gòu)來(lái)固定傳感器和無(wú)線傳輸固定底座，各個(gè)功能模塊通過(guò)U形螺栓分別固定在高度調(diào)節(jié)支架上，方便移動(dòng)和拆卸。一個(gè)探測(cè)裝置可以連接多個(gè)傳感器，也可利用塑料的組合支架代替金屬支架以便減少重量。注：地址為 https:/thingspeak.com/channels/82538圖 1  降雪實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線傳輸固定底座超聲傳感器高度調(diào)節(jié)支架圖 2  積雪厚度探測(cè)裝置傳輸平臺(tái)利用開源Web技術(shù)完成傳輸平臺(tái)搭建，通過(guò)后臺(tái)設(shè)定好軟件的界面，在權(quán)限設(shè)定模塊內(nèi)選定數(shù)據(jù)曲線對(duì)外公開，外來(lái)用戶根據(jù)地址可進(jìn)行訪問和查看積雪監(jiān)測(cè)信息。圖3是傳輸平臺(tái)網(wǎng)頁(yè)。可用的窗口為9個(gè)，采樣點(diǎn)的布置暴雪分布有一定的規(guī)律2。采樣點(diǎn)的布置需同時(shí)考慮積雪分布規(guī)律與溫室結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)推薦采樣點(diǎn)包括：溫室前坡布置3個(gè)、溫室前坡底部分段布置3個(gè)、溫室坡頂2個(gè)，共8個(gè)傳感器。溫室制高點(diǎn)固定一個(gè)氣象站（包含風(fēng)速、風(fēng)向）。地址為：https:/thingspeak.com/channels/402770/private_show圖 3  傳輸平臺(tái)在線探測(cè)溫室大棚暴雪厚度實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)溫室園藝2018-0150其中8個(gè)是數(shù)據(jù)窗口（溫室前坡1號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)，溫室前坡底部1號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)，溫室坡頂1號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)），1個(gè)是地理坐標(biāo)的地圖。系統(tǒng)還有一個(gè)擴(kuò)展的窗口可連接一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，用來(lái)采集監(jiān)控的視頻，在線顯示積雪的歷史數(shù)據(jù)和歷史視頻，該傳輸平臺(tái)具有共享數(shù)據(jù)功能，也可以將歷史監(jiān)控視頻上傳到Y(jié)outube等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，以供感興趣的授權(quán)用戶在傳輸平臺(tái)上直接觀看。成本分析按照現(xiàn)行鋼材和電子配件價(jià)格計(jì)算，用戶自己搭建一整套設(shè)備約3000多元，其中硬件（機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子硬件）的成本每套折合420元，核算后的價(jià)格相對(duì)而言容易被用戶接受。后期運(yùn)行成本的移動(dòng)通訊費(fèi)和維護(hù)費(fèi)用是彈性的，用戶自身使用過(guò)程中保養(yǎng)得當(dāng)，這部分成本會(huì)變得很低，如圖4。參考文獻(xiàn)1 一場(chǎng)暴雪壓塌溫室大棚無(wú)數(shù)，是溫室大棚抗雪不夠還是天災(zāi)難免EB/OL.2018-01-10.http:/sh.qihoo.com/pc/2s21q3wj8pu?sign=360_e39369d1.2 代春輝,丁敏,呂東鑫,等.日光溫室積雪規(guī)律及其積雪分布系數(shù)研究EB/OL.http:/www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201403-91.3 簡(jiǎn)季,江洪,江子山.雪融光譜測(cè)量及光譜分析J.光譜學(xué)與光譜分析 ,2011(05):1361-1365.* 項(xiàng)目支持： 國(guó)家留學(xué)基金委項(xiàng)目，北京市農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和青年基金項(xiàng)目。 引用信息 馬偉 , Daniel K Fisher , 趙學(xué)觀 ,等 . 溫室智能裝備系列之一百 在線探測(cè)溫室大棚暴雪厚度實(shí)時(shí)傳感系統(tǒng)的開發(fā) J. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) ,2018,38(01):48-50.圖 4  系統(tǒng)成本分析總成本百分比后期運(yùn)作費(fèi)用15153040機(jī)械結(jié)構(gòu) 電子硬件 傳輸平臺(tái) 安裝維護(hù)1515