叶片尺度蒸汽压亏缺实时监测：面向受控环境农业的低成本便携式传感器平台的研制、不确定度分析与验证

《Applied Sciences》：Real-Time Leaf-Level Vapor Pressure Deficit Monitoring: Development, Uncertainty Analysis, and Validation of a Low-Cost Portable Sensor Platform for Controlled Environment Agriculture

　　

叶片尺度蒸汽压亏缺（VPDleaf）取决于叶片表面温度以及周围空气的温度和湿度。因此，基于固定叶-气温差估算VPDleaf的仪器可能引入随条件变化的误差。本文报道了一种低成本、单壳体、便携式传感器平台的研制、不确定度分析与验证，该平台通过SHT35和MLX90614红外测温计直接测量空气温度（Tair）、相对湿度（RH）和叶片表面温度（Tleaf），并利用基于ATmega328的微控制器在板载实时计算VPDleaf。该平台在20–26 ℃和40–70 %RH条件下，针对两个生菜（Lactuca sativa L.）栽培品种，对照Testo 610温湿计和FLIR E4热像仪进行验证。决定系数方面，Tair为R2=0.9607，RH为R2=0.9382（n=1017）；在三天随机定时现场访问中（排除明显误读后n=250），Tleaf对照FLIR E4为R2=0.8852，板载VPDleaf对照由同次参考读数计算的参考VPDleaf为R2=0.9100，平均偏差为 kPa，RMSE为 kPa。误差传播分析在典型条件下给出最坏情况不确定度 kPa（主要源于MLX90614的 ℃红外传感器容差），经验观测误差远在该保守界限内。该平台成本83.28美元，为垂直农场和温室中实时监测及基于VPD的决策提供了经济可及的实用工具。

研究背景与问题提出

在垂直农场等受控环境农业（Controlled Environment Agriculture, CEA）系统中，蒸汽压亏缺（Vapor Pressure Deficit, VPD）是协调作物水分散失、气体交换与蒸腾驱动养分运输的关键指标。传统商业气候控制系统多以空气温度与相对湿度（Relative Humidity, RH）计算群体空气VPD，并默认叶温等于气温或采用固定偏移，但叶片温度（T_leaf）受蒸腾、辐照与边界层传导影响可偏离气温数摄氏度，导致叶面实际驱动的VPD_leaf与群体空气VPD存在显著差异。现有仪器如Pulse Pro、SensorPush HT1需人工输入静态叶-气温差，而少数直测叶温的设备多为固定式网络节点、依赖云端算VPD且不可便携。因此，研发一种低成本、单壳体、便携、直测T_leaf并在板载实时计算VPD_leaf且给出不确定度的装置具有明确需求。该论文发表于《Applied Sciences》，研究人员据此研制了USD 83.28的便携平台并完成理论不确定度分析与实验验证。

主要关键技术方法

研究人员采用SHT35（测T_air、RH）与MLX90614红外测温计（35°视场、发射率设0.98测T_leaf），以ATmega328（Arduino Pro Mini）为控制器经I²C轮询传感器，按Magnus方程板载计算饱和蒸气压（Saturated Vapor Pressure, SVP）于T_leaf及实际蒸气压（Actual Vapor Pressure, AVP）于空气，得VPD_leaf=SVP(T_leaf)?AVP，结果送4×20 LCD并显示，同时经HC-12射频链路传主机。不确定度采用误差传播定律最坏情形线性求和；发射率敏感性按Stefan–Boltzmann关系近似。验证样本为生长舱内两生菜品种“Azirka”与“Elmaria”（20–26 ℃、40–70 %RH），空气参数对照Testo 610（n=1017），叶温与VPD_leaf对照FLIR E4（三天随机访视、剔除误读后n=250），并以Bland–Altman补充R²评估。

研究结果

2.1 设计方法与系统需求：明确手持平台需同时完成T_air/RH直测、非接触T_leaf直测、板载VPD_leaf实时计算、本地显示与无线传输，成本与9 V电池供电受限，单壳体满足多株快速巡测。

2.2 硬件架构：HH-095手持壳体内装SHT35（白ABS屏蔽罩保通风）、MLX90614（柔性喷嘴可瞄准叶）、ATmega328、PCF8574转LCD、HC-12；三I²C器件同总线。

2.3 VPD_leaf计算：由T_air、RH、T_leaf经式(1)–(3) Magnus型方程算SVP(T_leaf)与AVP，显式表明固定偏移代换引入随蒸腾/辐照/气流变的系统误。

2.4 理论不确定度分析：依?VPD/?T_leaf等偏导与厂家容差（SHT35 ±0.2 ℃、±2 %RH；MLX90614 ±0.5 ℃）做最坏线性求和，获ΔVPD_leaf随温度升、RH降而增大，高温低湿下不确定度扩张。

2.5 发射率敏感性：在T_leaf=25 ℃附近，真发射率偏离0.98（作物叶0.94–0.99）经?SVP/?T_leaf传播，量化其对VPD_leaf的附加误差。

2.6 验证协议：生菜两品种长舱对照；T_air/RH连续并排测1017对；T_leaf用FLIR E4站距10 cm（35°视场对应约6 cm斑）三天随机250对；直验VPD_leaf由同帧参考读数重算比对；另做5/10/15 cm站距与30°/45°/90°视角敏感测试及50次重复精度。

2.7 成本与功耗：BOM零售价合计USD 83.28；测各件电流得静默与HC-12发射两档功耗，9 V碱性容量推续航。

2.8 统计：用R²、均值偏差、MAE、RMSE及Bland–Altman 95% LoA。

结果数据：T_air R²=0.9607、RH R²=0.9382（n=1017）；T_leaf vs FLIR E4 R²=0.8852；板载VPD_leaf vs 参考VPD_leaf R²=0.9100，均值偏差与RMSE在kPa级，经验误差小于理论最坏不确定度（后者主因MLX90614 ±0.5 ℃）。站距/视角测试显示手动瞄准引入散度但复合VPD_leaf仍高相关。

讨论与结论翻译浓缩

研究人员指出，直测T_leaf替代固定偏移可消除条件依赖性系统误，板载实时VPD_leaf在USD 83.28成本下达到与Testo 610/FLIR E4可比性能（R² 0.885–0.961），最坏不确定度由红外容差主导且经验值未超限。该单壳体便携平台弥补了商业静态偏移仪与固定网络节点间空白，为CEA中基于叶面大气需求的灌溉与气候决策提供经济工具；未来需做生理层验证（如气孔响应）并优化发射率动态校正与功耗。

结论（译自原文结尾）：该平台以83.28美元成本，为垂直农场与温室的实时监测及VPD知情决策提供了实用且经济可及的工具。