在線探測溫室大棚暴雪厚度實時傳感系統的開發

馬偉 Daniel K Fisher 趙學觀 王秀

【摘要】暴雪天氣對溫室大棚的損壞來自于積雪過多沉積未能及時清除，導致短時間內溫室大棚結構荷載過大而發生坍塌?；谏鲜鰡栴}，研究開發了一種在線探測溫室大棚暴雪厚度的實時傳感系統，該系統將可以和預設閾值的實時掃雪控制系統一起運行，避免暴雪給溫室結構帶來的破壞。

背景

近年來，極端天氣不斷出現，惡劣天氣對溫室大棚蔬菜生產帶來不可忽視的影響。除了極端的低溫、連續多日沒有充足陽光照射等問題外，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，會帶來溫室結構載荷的動態變化，最終導致溫室大棚的坍塌[1]。

中國有溫室結構設計的國家標準，其中GB/T 18622-2002《溫室結構設計荷載》對溫室結構設計載荷進行了規范。GB/T 51183-2016《農業溫室結構荷載規范》對特定類型的連棟溫室屋面積雪分布及加熱影響系數給出了明確的規范。積雪分布系數是一個非常重要的指標，研究極端雪災對溫室的破壞形式，分析溫室積雪分布形式及規律，開展溫室結構的受力分析是優化溫室結構的一個重要方法[2]。

積雪厚度的監測可用到多種傳感器。積雪采樣探測方法按照是否接觸積雪可分為接觸式監測和非接觸式監測。接觸式監測可利用量杯、稱重傳感器等方法進行測量。非接觸式監測的方法具有可重復使用、在線探測實時性好的特點。由于不同厚度積雪的表面反射光譜有差異，因此可通過積雪的表面反射光譜曲線及變化特征來分析積雪厚度。研究結果顯示，反射光譜為1230～1350 nm和1500～1850 nm時，積雪表面的波譜反射率表現出隨著積雪厚度變大而逐漸降低的特性[3]。但是由于光譜傳感器價格高昂，開發單獨的監測系統價格較高?；诘孛婀庾V儀采集光譜研究初步模型為基礎，通過衛星遙感圖像獲得大面積區域的積雪厚度是探測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，因其價格相比多光譜傳感器低廉，所以在農業上得到初步應用，該類型傳感器也可用于對積雪厚度進行監測。但RGB傳感器采集的多通道彩色圖像的計算量較大，不適合小型系統在線使用。超聲傳感器利用回聲反射的原理，適合對積雪表面的高度變化進行采樣，也可以對積雪表面一個區域內的起伏變化進行探測，該傳感器采樣精度較高、計算量小、價格合理，適合溫室生產中監測積雪的厚度。

系統構成

機械結構

采用鋼質角鐵焊接作為支架，支架高度可調節，手動調節范圍為45～70 cm，將控制系統放入25 cm×35 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。如果固定點沒有強度大的固定底座，也可以采用地錨固定的方式，避免下雪或大風影響支架穩定性。

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線傳感網絡。利用SIM模塊可以獲得低價的無線傳輸服務，每月每套設備花費5元即可傳輸所有的數據到遠程的云端存儲。超聲傳感器采用測量距離范圍為2～40 cm，精度為2 mm。采用太陽能電池模塊為系統供電，太陽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傳感器數據，同時將數據無線發送，實現雙重備份，保證數據安全。

軟件開發

控制系統的軟件采用Arduino工具開發，對應的庫函數可以為各模塊的子程序開發提供支撐，該開發環境能顯著提高硬件電路的穩定性和準確性。其在線仿真工具可對電子硬件部分進行在線測試，并進行監測，根據報錯的地址信息判斷電子硬件的各模塊是否正常采集數據。開發工具可以設計超聲傳感器和控制系統的電源系統的邏輯關系，當電池電量不足時可以優先供應傳感器采集數據，并將獲得的數據保存在SD卡中。

傳輸平臺

數據的云端傳輸和存儲基于ThingSpeak開源平臺，可以通過數據通道建立基于Web的數據發布環境。通過網絡發布實現采集數據的可視化。Matlab的后臺數據運算工具具有非常友好和強大的曲線功能，因此后臺的Matlab功能函數可作為數據運算后可視化的基礎。圖1是一個降雪實時監測系統的例子。

采樣點的布置

暴雪分布有一定的規律[2]。采樣點的布置需同時考慮積雪分布規律與溫室結構。試驗推薦采樣點包括：溫室前坡布置3個、溫室前坡底部分段布置3個、溫室坡頂2個，共8個傳感器。溫室制高點固定一個氣象站（包含風速、風向）。

系統搭建

系統硬件

在線探測溫室大棚暴雪厚度實時傳感系統的硬件部分（圖2）采用可拆卸結構來固定傳感器和無線傳輸固定底座，各個功能模塊通過U形螺栓分別固定在高度調節支架上，方便移動和拆卸。一個探測裝置可以連接多個傳感器，也可利用塑料的組合支架代替金屬支架以便減少重量。

傳輸平臺

利用開源Web技術完成傳輸平臺搭建，通過后臺設定好軟件的界面，在權限設定模塊內選定數據曲線對外公開，外來用戶根據地址可進行訪問和查看積雪監測信息。圖3是傳輸平臺網頁?？捎玫拇翱跒?個，其中8個是數據窗口（溫室前坡1號點、2號點、3號點，溫室前坡底部1號點、2號點、3號點，溫室坡頂1號點、2號點），1個是地理坐標的地圖。系統還有一個擴展的窗口可連接一個網絡攝像頭，用來采集監控的視頻，在線顯示積雪的歷史數據和歷史視頻，該傳輸平臺具有共享數據功能，也可以將歷史監控視頻上傳到Youtube等網絡服務器，以供感興趣的授權用戶在傳輸平臺上直接觀看。

成本分析

按照現行鋼材和電子配件價格計算，用戶自己搭建一整套設備約3000多元，其中硬件（機械結構和電子硬件）的成本每套折合420元，核算后的價格相對而言容易被用戶接受。后期運行成本的移動通訊費和維護費用是彈性的，用戶自身使用過程中保養得當，這部分成本會變得很低，如圖4。

參考文獻

[1] 一場暴雪壓塌溫室大棚無數，是溫室大棚抗雪不夠還是天災難免[EB/OL].[2018-01-10].http：//sh.qihoo.com/pc/2s21q3wj8pu？sign=360_e39369d1.

[2] 代春輝，丁敏，呂東鑫，等.日光溫室積雪規律及其積雪分布系數研究[EB/OL].http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201403-91.

[3] 簡季，江洪，江子山.雪融光譜測量及光譜分析[J].光譜學與光譜分析，2011（05）：1361-1365.