用于智能植物工厂微气候监测的I2C复用传感器网络

《AgriEngineering》：I2C-Multiplexed Sensor Network for Microclimate Monitoring in Smart Plant Factories

　　

联合收割机清选系统是一个重要部件，其效率直接取决于筛面上气流速度分布的均匀性。然而，气流流量的实验评估常常受限于商用风速计的高成本以及无法同时进行多点采集。本文介绍了一种基于负温度系数（NTC）热敏电阻的低成本风速传感器的设计、开发与标定，旨在用于清选系统设计与实验室测试阶段的气动优化。该系统通过组合恒流源、16位模数转换器（ADC）和RC滤波器，替代了惠斯通电桥的使用，从而能够在低风速下分辨微小的电压变化。该算法通过使用精度为±0.1 °C的数字传感器同步读取环境温度，将温度补偿集成到三次多项式方程中。在实验台上与参考风速计testo 405i进行的实验验证显示出极好的一致性（R² = 0.998，平均偏差 = 0.017 m/s，最大误差 ±0.08 m/s），在参考风速计的容差范围内。凭借使用多个传感器和实时并行采集的能力，所提出的方案为在受控实验室条件下对筛网进行2D/3D气动映射提供了一种替代方法，用于联合收割机清选系统的设计。

**基于NTC热敏电阻的低成本风速传感器用于联合收割机清选系统气动优化——论文解读**

全球农业面临人口增长、气候变化和可耕地面积减少等严峻挑战，减少收获损失成为保障粮食安全的关键。联合收割机是农业中最复杂的机械，其工作过程涵盖切割、输送、脱粒、分离、清选和籽粒暂存等多个环节。清选系统作为联合收割机的核心部件，其性能直接影响谷物损失率，而清选风扇产生的气流在筛面上分布不均，是导致籽粒损失的重要原因。然而，目前对清选系统筛面气流速度分布的研究十分有限，主要受限于商用风速计价格昂贵且只能进行单点测量，无法同时获取多点数据。因此，开发一种低成本、可多点同步采集的风速传感器具有重要的工程意义。研究人员设计并标定了一款基于NTC热敏电阻的低成本风速传感器，用于联合收割机清选系统设计和实验室测试阶段的气动优化，该研究发表在《AgriEngineering》上。

研究人员采用恒流源（基于LM317集成电路）替代传统的惠斯通电桥，结合16位模数转换器（ADS1115）和RC低通滤波器（截止频率16 Hz），以Arduino UNO为微控制器，使用TMP117数字温度传感器（精度±0.1 °C）实时监测环境温度。NTC热敏电阻的工作温度加热至85 °C，通过恒定电流供电，利用气流冷却引起的电阻变化测量风速。传感器校准在自制风洞中进行，以商用testo 405i风速计为参考，环境温度22 °C，风速范围0–4.5 m/s，每个风速点取100次测量的平均值。通过双插值法建立22–28 °C范围内的温度补偿模型。统计验证采用配对t检验和Bland-Altman分析，在Matlab R2024b软件中完成。

**3.1 传感器校准**
通过风洞实验，研究人员获得了NTC传感器电压与风速之间的三次多项式关系，决定系数R² = 0.9988，表明拟合优度极高。响应时间测试显示，传感器从0达到4.2 m/s所需时间为5秒，此后曲线趋于平稳，满足动态测量需求。

**3.2 温度补偿**
由于NTC热敏电阻对环境温度敏感，研究人员在22 °C校准的基础上，进一步在25 °C和28 °C下开展测试，并通过双插值法获得23、24、26、27 °C下的中间值。结果表明，当风速低于0.8 m/s时，温度对NTC风速计与testo 405i读数差值的影响小于0.05 m/s；当风速高于0.8 m/s时，温度影响显著增大。基于22 °C与各温度下风速数据的线性关系，研究人员推导出包含热梯度ΔT的温度补偿方程，有效校正了环境温度变化带来的测量偏差。

**3.3 统计分析及误差计算**
在28 °C条件下，对补偿后的NTC风速计进行100次测量，与testo 405i参考值对比，系统误差最大偏差为±0.07 m/s，相对标准偏差（CV）为0.54%，表明数据不存在系统性误差。配对t检验结果显示p值极小（5.8112 × 10^?25），均值差为0.06 m/s，置信区间为95%。Bland-Altman分析显示，平均偏差为0.017 m/s，95%一致性界限在?0.049 m/s至+0.083 m/s之间，落在参考风速计testo 405i制造商声明的容差范围内（±0.1 m/s），证明该传感器与商用仪器具有几乎完美的一致性。

**3.4 传感器实际应用**
所开发的NTC风速传感器可部署于清选系统实验台，通过多个传感器并行连接，实时获取整个筛面多点气流速度数据。研究人员在一台商用联合收割机的清选系统上，以风扇转速800 RPM、特定筛片开度条件下，利用该传感器测得筛面二维气流速度分布图。结果显示，气流速度在靠近风扇出口区域（L = 0–200 mm和L = 1000–1300 mm）出现峰值，而中央及后部区域速度较低，这种非均匀分布与风扇的几何位置、筛片角度及气流发散效应相关，证实了传感器能够在设计阶段有效识别气流分布的非均匀性。

**讨论与结论**
讨论部分强调，该传感器专为实验台架上的气动优化设计，适用于无尘、无作物残留（MOG）的实验室环境，温度范围为22–28 °C；若超出该范围，必须重新标定。为保证精度，需要采用精密电阻和屏蔽电缆以消除电磁干扰。与传统机械式风速计和皮托管相比，该传感器在低风速（<1 m/s）下具有明显优势。研究结论指出：研究人员成功设计、构建并标定了一款低成本NTC热敏电阻风速传感器，通过恒流源、16位ADC和RC滤波器替代惠斯通电桥，实现了低风速下的高分辨率测量。在校准范围0–4.5 m/s内，传感器电压与风速呈三次多项式关系，R² = 0.998；温度补偿模型在22–28 °C范围内有效，统计验证显示偏差仅为0.017 m/s，一致性界限符合参考仪器容差。该传感器成本低、体积小，可并行使用多个单元，实现筛面气流速度的2D/3D映射，为联合收割机清选系统在设计阶段的气流均匀性优化提供了一种实用且经济的工具。不过，该装置仅针对实验台架环境进行了校准和验证，不适用于田间收获过程中的直接测量。未来研究将扩展校准范围至更高或更低风速和温度，并在全尺寸清选系统上进行多点同步验证，同时评估传感器间的长期稳定性和可重复性，以推动其成为气动清选装置优化的标准低成本工具。