温室智能装备系列之一百 在线探测温室大棚暴雪厚度实时传感系统的开发_马伟.pdf

温室园艺2018-0148温室智能装备系列之一百在线探测温室大棚暴雪厚度实时传感系统的开发*马  伟1，Daniel K Fisher2，赵学观1，王  秀1（1. 北京农业智能装备技术研究中心，北京  100097；2. 作物生产系统研究中心，美国农业部  78756）背景近年来，极端天气不断出现，恶劣天气对温室大棚蔬菜生产带来不可忽视的影响。除了极端的低温、连续多日没有充足阳光照射等问题外，暴雪也是必须重视的一种极端天气。温室大棚上沉积的积雪由于自身的重量，会带来温室结构载荷的动态变化，最终导致温室大棚的坍塌1。中国有温室结构设计的国家标准，其中GB/T 18622-2002温室结构设计荷载对温室结构设计载荷进行了规范。GB/T 51183-2016农业温室结构荷载规范对特定类型的连栋温室屋面积雪分布及加热影响系数给出了明确的规范。积雪分布系数是一个非常重要的指标，研究极端雪灾对温室的破坏形式，分析温室积雪分布形式及规律，开展温室结构的受力分析是优化温室结构的一个重要方法2。积雪厚度的监测可用到多种传感器。积雪采样探测方法按照是否接触积雪可分为接触式监测和非接触式监测。接触式监测可利用量杯、称重传感器等方法进行测量。非接触式监测的方法具有可重复使用、在线探测实时性好的特点。由于不同厚度积雪的表面反射光谱有差异，因此可通过积雪的表面反射光谱曲线及变化特征来分析积雪厚度。研究结果显示，反射光谱为12301350 nm和15001850 nm时，积雪表面的波谱反射率表现出随着积雪厚【摘要】暴雪天气对温室大棚的损坏来自于积雪过多沉积未能及时清除，导致短时间内温室大棚结构荷载过大而发生坍塌。基于上述问题，研究开发了一种在线探测温室大棚暴雪厚度的实时传感系统，该系统将可以和预设阈值的实时扫雪控制系统一起运行， 避免 暴雪给温室结构带来 的 破坏。度变大而逐渐降低的特性3。但是由于光谱传感器价格高昂，开发单独的监测系统价格较高。基于地面光谱仪采集光谱研究初步模型为基础，通过卫星遥感图像获得大面积区域的积雪厚度是探测大范围积雪厚度的一种快速有效手段。另外，RGB传感器用于采集多通道彩色光谱信息，因其价格相比多光谱传感器低廉，所以在农业上得到初步应用，该类型传感器也可用于对积雪厚度进行监测。但RGB传感器采集的多通道彩色图像的计算量较大，不适合小型系统在线使用。超声传感器利用回声反射的原理，适合对积雪表面的高度变化进行采样，也可以对积雪表面一个区域内的起伏变化进行探测，DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.01.009温室园艺2018-0149该传感器采样精度较高、计算量小、价格合理，适合温室生产中监测积雪的厚度。系统构成机械结构采用钢质角铁焊接作为支架，支架高度可调节，手动调节范围为4570 cm，将控制系统放入25 cm35 cm防水塑料箱中。底座采用角铁和膨胀螺栓固定在温室特定位置。如果固定点没有强度大的固定底座，也可以采用地锚固定的方式，避免下雪或大风影响支架稳定性。电子硬件采用开源的微控制器作为控制核心，利用控制器自带的广播功能搭建无线传感网络。利用SIM模块可以获得低价的无线传输服务，每月每套设备花费5元即可传输所有的数据到远程的云端存储。超声传感器采用测量距离范围为240 cm，精度为2 mm。采用太阳能电池模块为系统供电，太阳能电池固定在防水塑料箱的上方盖子上。外接的SD模块可直接读写和存储传感器数据，同时将数据无线发送，实现双重备份，保证数据安全。软件开发控制系统的软件采用Arduino工具开发，对应的库函数可以为各模块的子程序开发提供支撑，该开发环境能显著提高硬件电路的稳定性和准确性。其在线仿真工具可对电子硬件部分进行在线测试，并进行监测，根据报错的地址信息判断电子硬件的各模块是否正常采集数据。开发工具可以设计超声传感器和控制系统的电源系统的逻辑关系，当电池电量不足时可以优先供应传感器采集数据，并将获得的数据保存在SD卡中。传输平台数据的云端传输和存储基于ThingSpeak开源平台，可以通过数据通道建立基于Web的数据发布环境。通过网络发布实现采集数据的可视化。Matlab的后台数据运算工具具有非常友好和强大的曲线功能，因此后台的Matlab功能函数可作为数据运算后可视化的基础。图1是一个降雪实时监测系统的例子。系统搭建系统硬件在线探测温室大棚暴雪厚度实时传感系统的硬件部分（图2）采用可拆卸结构来固定传感器和无线传输固定底座，各个功能模块通过U形螺栓分别固定在高度调节支架上，方便移动和拆卸。一个探测装置可以连接多个传感器，也可利用塑料的组合支架代替金属支架以便减少重量。注：地址为 https:/thingspeak.com/channels/82538图 1  降雪实时监测系统无线传输固定底座超声传感器高度调节支架图 2  积雪厚度探测装置传输平台利用开源Web技术完成传输平台搭建，通过后台设定好软件的界面，在权限设定模块内选定数据曲线对外公开，外来用户根据地址可进行访问和查看积雪监测信息。图3是传输平台网页。可用的窗口为9个，采样点的布置暴雪分布有一定的规律2。采样点的布置需同时考虑积雪分布规律与温室结构。试验推荐采样点包括：温室前坡布置3个、温室前坡底部分段布置3个、温室坡顶2个，共8个传感器。温室制高点固定一个气象站（包含风速、风向）。地址为：https:/thingspeak.com/channels/402770/private_show图 3  传输平台在线探测温室大棚暴雪厚度实时传感系统温室园艺2018-0150其中8个是数据窗口（温室前坡1号点、2号点、3号点，温室前坡底部1号点、2号点、3号点，温室坡顶1号点、2号点），1个是地理坐标的地图。系统还有一个扩展的窗口可连接一个网络摄像头，用来采集监控的视频，在线显示积雪的历史数据和历史视频，该传输平台具有共享数据功能，也可以将历史监控视频上传到Youtube等网络服务器，以供感兴趣的授权用户在传输平台上直接观看。成本分析按照现行钢材和电子配件价格计算，用户自己搭建一整套设备约3000多元，其中硬件（机械结构和电子硬件）的成本每套折合420元，核算后的价格相对而言容易被用户接受。后期运行成本的移动通讯费和维护费用是弹性的，用户自身使用过程中保养得当，这部分成本会变得很低，如图4。参考文献1 一场暴雪压塌温室大棚无数，是温室大棚抗雪不够还是天灾难免EB/OL.2018-01-10.http:/sh.qihoo.com/pc/2s21q3wj8pu?sign=360_e39369d1.2 代春辉,丁敏,吕东鑫,等.日光温室积雪规律及其积雪分布系数研究EB/OL.http:/www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201403-91.3 简季,江洪,江子山.雪融光谱测量及光谱分析J.光谱学与光谱分析 ,2011(05):1361-1365.* 项目支持： 国家留学基金委项目，北京市农林科学院创新团队和青年基金项目。 引用信息 马伟 , Daniel K Fisher , 赵学观 ,等 . 温室智能装备系列之一百 在线探测温室大棚暴雪厚度实时传感系统的开发 J. 农业工程技术 ,2018,38(01):48-50.图 4  系统成本分析总成本百分比后期运作费用15153040机械结构 电子硬件 传输平台 安装维护1515