本发明属于传感与测量技术领域，具体涉及一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器及方法。
背景技术：
近年来我国设施园艺发展迅速，温室总面积不断增加，特别是北方设施农业面积占到全国的60％以上，co2作为设施园艺中必不可少的气肥原料，其检测与控制的精度，与设施农业产量密切相关。随着信息技术的发展，传感器、无线网络等智能化技术正逐步运用于设施农业中，特别是co2传感器，随着农业温室大棚的发展得到了广泛普及，与其它电化学co2传感器相比，红外光学传感器以其测量范围广、精度高、响应速度快等优点，在设施园艺生产过程中得到越来越广泛的应用；然而，温室作业(如日光温室大棚)特殊的作业环境对红外光学co2传感器提出了挑战，突出表现在：高湿度、通风不良，尤其是北方的昼夜温差，使得红外光学传感器的光学、电学等重要元器件或模块极易出现水汽凝结现象，影响了co2检测的可靠性，缩短了传感器寿命。现有商用的红外光学传感器解决凝露现象的普遍方法是使用防水透气膜对整个气室进行包裹，而高防水的透气膜严重阻碍了气体扩散，延长了红外光学传感器的响应时间，同时也不利于散热；而低防水的透气膜，又无法彻底解决凝露问题。因此，针对红外光学co2传感器的工作特点，如何解决其光、电学模块的结露问题，成为目前该类传感器在设施园艺中推广应用的关键。
技术实现要素：
为了克服上述不足，本发明提供了一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器及方法，针对现有设施园艺红外co2传感器易受结露影响的问题，从影响结露的关键因素——温度、湿度及其智能化控制角度出发，利用微处理器实时采集光学模块的表面温度、传感器内部的空气温度和湿度以及传感器外部的温度和湿度，通过智能化的传感器排湿、加热处理，使其低于光学模块的露点，避免红外co2传感器的结露，从而为设施园艺红外co2传感器在设施园艺中的应用和普及提供了解决方案。
一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器，包括光学部分和电学部分，光学部分通过红外吸收光谱技术检测co2浓度，电学部分通过采集红外co2传感器内部、外部的温/湿度，再进行智能化除湿，具体技术方案如下：
一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器，包括气室4、密封防水外壳12、光学部分和电学部分，其中气室4和密封防水外壳12通过螺丝固定连接，光学部分与电学部分通过电连接，具体为电学部分中的光源电流驱动10输出端与光学部分中的红外热辐射光源6输入端相连接，光学部分中的热释电探测器27输出端与电学部分中的锁相/滤波电路22输入端相连接；
光学部分包括红外热辐射光源6、球面反射镜17和热释电探测器27，红外热辐射光源6、球面反射镜17和热释电探测器27均设置在气室4内部，其中红外热辐射光源6设置在气室4与密封防水外壳12接触一侧的侧壁上，球面反射镜17设置在与红外热辐射光源6正对着一侧的气室4的侧壁上，热释电探测器27设置在红外热辐射光源6下方的气室4侧壁上，使得红外热辐射光源6发射的4.26μm的红外光入射至球面反射镜17，且球面反射镜17可将红外光反射至热释电探测器27；
电学部分包括第一温度传感器1、第一湿度传感器2、第一加热片3、进气风扇5、加热丝7、防水透气膜8、除湿风扇9、光源电流驱动10、第一继电器11、第二继电器13、第一模数转换器14、第二温度传感器15、第二加热片16、第二湿度传感器18、出气风扇19、第三温度传感器20、第三湿度传感器21、锁相/滤波电路22、第二模数转换器23、第三继电器24、微处理器25、第三模数转换器26、第三加热片28和通信模块29，其中除湿风扇9设置在密封防水外壳12外侧壁上，光源电流驱动10、第一继电器11、第二继电器13、第一模数转换器14、锁相/滤波电路22、第二模数转换器23、第三继电器24、微处理器25、第三模数转换器26和通信模块29均设置在密封防水外壳12内部，第一温度传感器1、第一湿度传感器2设置在气室4的外侧壁，第一加热片3、进气风扇5、加热丝7、防水透气膜8、第二温度传感器15、第二加热片16、第二湿度传感器18、出气风扇19、第三温度传感器20、第三湿度传感器21和第三加热片28均设置在气室4内部，其中两个第一加热片3分别设置在气室4顶端的内壁上和气室4底端的内壁上，进气风扇5设置在气室4的进气口处，且气室4的进气口处覆盖有防水透气膜8，加热丝7设置在气室4内部与密封防水外壳12连接一侧的侧壁上，且加热丝7与侧壁之间设有防水透气膜8，第二加热片16、第二温度传感器15和第二湿度传感器18分别贴装在光学部分中的球面反射镜17上，出气风扇19设置在气室4的出气口处，且气室4的出气口处覆盖有防水透气膜8，第三温度传感器20和第三湿度传感器21设置在气室4底端内壁上，且二者紧挨着放置，第三加热片28贴装在热释电探测器27上；
其中微处理器25与光源电流驱动10、第一继电器11、第二继电器13、第一模数转换器14、第三模数转换器26、通信模块29、第二模数转换器23、第三继电器24分别电连接，第一继电器11的输出端与除湿风扇9的输入端相连接，第一继电器11的输出端还与电学部分中的进气风扇5的输入端相连接，第二继电器13的输出端与电学部分中的加热丝7的输入端相连接，第二继电器13的输出端还与第一加热片3的输入端相连接；第一模数转换器14的两个输入端分别与第一温度传感器1和第一湿度传感器2的输出端相连接，锁相/滤波电路22的输出端与第二模数转换器23的输入端相连接，第三继电器24的四个输出端分别与第二加热片16、两个第一加热片3、出气风扇19和第三加热片28的输入端相连接，第三模数转换器26的四个输入端分别与第二温度传感器15、第二湿度传感器18、第三温度传感器20、第三湿度传感器21的输出端相连接。
所述的微处理器25的型号为stm32f106。
所述的通信模块29为433mhz的无线通信模块，主控制芯片为si4463。
所述第一温度传感器1、第一湿度传感器2、第二温度传感器15、第二湿度传感器18、第三温度传感器20和第三湿度传感器21的型号均为sht15。
所述红外热辐射光源6的型号为ir55，热释电探测器27的型号lim-262，且具有两个通道：测量通道4.26微米—对应co2的吸收峰，参考通道3.95微米—偏离co2的吸收峰。
本发明同时提供采用非分光红外差分吸收光谱技术并通过上述一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器测量co2浓度的方法，具体检测方法如下：
步骤1：微处理器25产生频率为4hz的电调制信号，将其传送给光源电流驱动10产生用于驱动红外热辐射光源6的电流信号；
步骤2：在电调制作用下，红外热辐射光源6发出宽带红外光；
步骤3：红外热辐射光源6发出的红外光经过球面反射镜17反射后入射到热释电探测器27的两个通道窗口上，经过光电转换后，得到测量通道信号、参考通道信号；
步骤4：锁相/滤波电路22对测量通道和参考通道的信号进行差分和锁相放大处理；
步骤5：微处理器25通过第二模数转换器23采集锁相/滤波电路22的输出信号，并将其转换为co2气体浓度。
本发明采用一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器进行除湿的方法如下：
步骤1：根据光学镜片的物理参数，计算不同湿度下的露点温度曲线，并将其存储在微处理器25的存储器中；
步骤2：微处理器25通过第三温度传感器20、第三湿度传感器21和第一温度传感器1、第一湿度传感器2读取气室4的内、外温度和湿度，微处理器25通过第二温度传感器15、第二湿度传感器18读取球面反射镜17表面的温度、湿度，根据球面反射镜17表面的湿度和露点温度曲线，得到当前湿度下球面反射镜17表面的结露温度，若当前温度低于结露温度，则进入步骤3，否则，退出除湿过程；
步骤3：当气室4内部湿度大于外部湿度时，微处理器25控制进气风扇5、出气风扇19转动，促进气室4内外部空气对流，提高空气流动性，降低气室内部湿度，直至气室4内部湿度等于外部湿度；
步骤4：当第二湿度传感器18检测的空气湿度小于等于65％且球面反射镜17表面的温度达到其结露温度时，微处理器25通过第三继电器24控制第一加热片3进行加热，直至球面反射镜17表面的温度高于露点温度；当第二湿度传感器18检测的湿度大于65％且小于等于80％且球面反射镜17表面的温度达到其结露温度时，微处理器25控制第一加热片3加热，同时，通过第三继电器24控制探测器的第三加热片28、反射镜的第二加热片16对光学部分进行加热，直至球面反射镜17表面的温度高于露点温度；当第二湿度传感器18检测的空气湿度大于80％且球面反射镜17表面的温度达到其结露温度时，微处理器25通过第一继电器11启动除湿风扇9，同时通过第二继电器13控制加热丝7加热，循环读取第二温度传感器15、第二湿度传感器18的数值，直至在相应的球面反射镜17湿度下，实时温度值低于露点温度值。
本发明的有益效果：
针对设施园艺红外co2传感器易受结露影响的问题，从结露影响因素——温度和湿度出发，针对不同的温、湿度情况，通过微处理器智能化选取除湿方案，避免了红外co2传感器光学部分的结露问题，本发明显著提高了co2的检测可靠性，延长了传感器寿命，拓展了传感器的应用范围。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为co2浓度检测流程图。
图3为传感器球面反射镜的结露温度、湿度关系曲线图。
图4为本发明除湿流程图。
图5为本发明的总体工作流程图。
图6为本发明实施例中的测试结果图。
图7为本发明实施例中测试所得co2浓度。
其中：1第一温度传感器、2第一湿度传感器、3第一加热片、4气室、5进气风扇、6红外热辐射光源、7加热丝、8第一防水透气膜、9除湿风扇、10光源电流驱动、11第一继电器、12密封防水外壳、13第二继电器、14第一模数转换器、15第二温度传感器、16第二加热片、17球面反射镜、18第二湿度传感器、19出气风扇、20第三温度传感器、21第三湿度传感器、22锁相/滤波电路、23第二模数转换器、24第三继电器、25微处理器、26第三模数转换器、27热释电探测器、28第三加热片、29通信模块。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器，包括气室4、密封防水外壳12、光学部分和电学部分，其中气室4和密封防水外壳12固定连接，光学部分与电学部分通过电连接，具体为电学部分中的光源电流驱动10输出端与光学部分中的红外热辐射光源6输入端相连接，光学部分中的热释电探测器27输出端与电学部分中的锁相/滤波电路22输入端相连接；
光学部分包括红外热辐射光源6、球面反射镜17和热释电探测器27，红外热辐射光源6、球面反射镜17和热释电探测器27均设置在气室4内部，其中红外热辐射光源6设置在气室4与密封防水外壳12接触一侧的侧壁上，球面反射镜17设置在与红外热辐射光源6正对着一侧的气室4的侧壁上，热释电探测器27设置在红外热辐射光源6下方的气室4侧壁上，使得红外热辐射光源6发射的4.26μm的红外光入射至球面反射镜17，且球面反射镜17可将红外光反射至热释电探测器27；
电学部分包括第一温度传感器1、第一湿度传感器2、第一加热片3、进气风扇5、加热丝7、第一防水透气膜8、除湿风扇9、光源电流驱动10、第一继电器11、第二继电器13、第一模数转换器14、第二温度传感器15、第二加热片16、第二湿度传感器18、出气风扇19、第三温度传感器20、第三湿度传感器21、锁相/滤波电路22、第二模数转换器23、第三继电器24、微处理器25、第三模数转换器26、第三加热片28和通信模块29，其中除湿风扇9设置在密封防水外壳12外侧壁上，光源电流驱动10、第一继电器11、第二继电器13、第一模数转换器14、锁相/滤波电路22、第二模数转换器23、第三继电器24、微处理器25、第三模数转换器26和通信模块29均设置在密封防水外壳12内部，第一温度传感器1、第一湿度传感器2设置在气室4的外侧壁，第一加热片3、进气风扇5、加热丝7、第一防水透气膜8、第二温度传感器15、第二加热片16、第二湿度传感器18、出气风扇19、第三温度传感器20、第三湿度传感器21和第三加热片28均设置在气室4内部，其中两个第一加热片3分别设置在气室4顶端的内壁上和气室4底端的内壁上，进气风扇5设置在气室4的进气口处，且气室4的进气口处覆盖有第一防水透气膜8，加热丝7设置在气室4内部与密封防水外壳12连接一侧的侧壁上，且加热丝7与侧壁之间设有第一防水透气膜8，第二加热片16、第二温度传感器15和第二湿度传感器18分别贴装在光学部分中的球面反射镜17上，出气风扇19设置在气室4的出气口处，且气室4的出气口处覆盖有第一防水透气膜8，第三温度传感器20和第三湿度传感器21设置在气室4底端内壁上，且二者紧挨着放置，第三加热片28贴装在热释电探测器27上；
其中微处理器25与光源电流驱动10、第一继电器11输入端、第二继电器13、第一模数转换器14、第三模数转换器26、通信模块29、第二模数转换器23、第三继电器24分别电连接，第一继电器11的输出端与除湿风扇9的输入端相连接，第一继电器11的输出端还与电学部分中的进气风扇5的输入端相连接，第二继电器13的输出端与电学部分中的加热丝7的输入端相连接，第二继电器13的输出端还与第一加热片3的输入端相连接；第一模数转换器14的两个输入端分别与第一温度传感器1和第一湿度传感器2的输出端相连接，锁相/滤波电路22的输出端与第二模数转换器23的输入端相连接，第三继电器24的四个输出端分别与第二加热片16、两个第一加热片3、出气风扇19和第三加热片28的输入端相连接，第三模数转换器26的四个输入端分别与第二温度传感器15、第二湿度传感器18、第三温度传感器20、第三湿度传感器21的输出端相连接。
所述的微处理器25的型号为stm32f106。
所述的通信模块29为433mhz的无线通信模块，主控制芯片为si4463。
所述第一温度传感器1、第一湿度传感器2、第二温度传感器15、第二湿度传感器18、第三温度传感器20和第三湿度传感器21的型号均为sht15。
所述红外热辐射光源6的型号为ir55，热释电探测器27的型号lim-262，且具有两个通道：测量通道4.26微米—对应co2的吸收峰，参考通道3.95微米—偏离co2的吸收峰。
如图2所示流程图，本发明采用非分光红外差分吸收光谱技术并通过上述一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器测量co2浓度，具体检测方法如下：
步骤1：微处理器25产生频率为4hz的电调制信号，将其传送给光源电流驱动10产生用于驱动红外热辐射光源6的电流信号；
步骤2：在电调制作用下，红外热辐射光源6发出宽带红外光；
步骤3：红外热辐射光源6发出的红外光经过球面反射镜17反射后入射到热释电探测器27的两个通道窗口上，经过光电转换后，得到测量通道信号、参考通道信号；
步骤4：锁相/滤波电路22对测量通道和参考通道的信号进行差分和锁相放大处理；
步骤5：微处理器25通过第二模数转换器23采集锁相/滤波电路22的输出信号，并将其转换为co2气体浓度。
参阅图3，为本发明中计算的针对球面反射镜17的露点温度与湿度的关系曲线，当露点温度tdew与环境温度t相等，代入相对湿度rh，所得结果为结露温度，具体表达式如下:
式中：
t—温度；
tdew—露点温度；
rh—相对湿度；
α(t，rh)—结露温度；
a＝17.27、b＝237.3(有效范围：0℃<t<60℃,1％<rh<100％,1℃<tdew<50℃)。
如图4所示流程图，本发明采用一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器进行除湿的方法如下：
步骤1：根据光学镜片的物理参数，计算不同湿度下的露点温度曲线，并将其存储在微处理器25的存储器中；
步骤2：微处理器25通过第三温度传感器20、第三湿度传感器21和第一温度传感器1、第一湿度传感器2读取气室4的内、外温度和湿度，微处理器25通过第二温度传感器15、第二湿度传感器18读取球面反射镜17表面的温度、湿度，根据球面反射镜17表面的湿度和露点温度曲线，得到当前湿度下球面反射镜17表面的结露温度，若当前温度低于结露温度，则进入步骤3，否则，退出除湿过程；
步骤3：当气室4内部湿度大于外部湿度时，微处理器25控制进气风扇5、出气风扇19转动，促进气室4内外部空气对流，提高空气流动性，降低气室内部湿度，直至气室4内部湿度等于外部湿度；
步骤4：当第二湿度传感器18检测的空气湿度小于等于65％且球面反射镜17表面的温度达到其结露温度时，微处理器25通过第三继电器24控制第一加热片3进行加热，直至球面反射镜17表面的温度高于露点温度；当第二湿度传感器18检测的湿度大于65％且小于等于80％且球面反射镜17表面的温度达到其结露温度时，微处理器25控制第一加热片3加热，同时，通过第三继电器24控制探测器第三加热片28、反射镜第二加热片16对光学部分进行加热，直至球面反射镜17表面的温度高于露点温度；当第二湿度传感器18检测的空气湿度大于80％且球面反射镜17表面的温度达到其结露温度时，微处理器25通过第一继电器11启动除湿风扇9，同时通过第二继电器13控制加热丝7加热，循环读取第二温度传感器15、第二湿度传感器18的数值，直至在相应的球面反射镜17湿度下，实时温度值低于露点温度值。
参阅图5，本发明的整体工作过程：
微处理器25进行参数初始化，包括初始化第一温度传感器1、第一湿度传感器2、光源电流驱动10、第一模数转换器14、第二温度传感器15、第二湿度传感器18、第三温度传感器20、第三湿度传感器21、锁相/滤波电路22、第二模数转换器23、第三模数转换器26和通信模块29；
然后微处理器25采集第一温度传感器1、第一湿度传感器2、第二温度传感器15、第二湿度传感器18、第三温度传感器20和第三湿度传感器21的数据，在球面反射镜17的表面湿度下，比较球面反射镜17表面的实时温度与结露温度，判断是否出现结露状态：若当前温度低于结露温度，则按照本发明的一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器进行除湿的方法进行除湿，若当前温度高于结露温度，则采用本发明给出的采用非分光红外差分吸收光谱技术并通过上述一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器测量co2浓度的方法进行测量。
可重复上述工作进行再次除湿和测量co2浓度。
图6为为本实施例中的测试结果，测试结果包括t—温度、rh—相对湿度、tdew—露点；图7为本实施例中测试所得co2浓度；测试结果显示，在本发明正常工作情况下，传感器露点温度一直低于结露温度，没有结露风险，同时本发明能准确测量设施园艺co2的浓度。