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記錄儀中溫濕度傳感器在農(nóng)業(yè)生長中的應(yīng)用
2015-12-31
在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化中，信息的采集主要有溫度、濕度、雨量、土壤濕度、土壤溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、靜輻射、流量、壓力信號(hào)等，對(duì)這些信息的有效采集需要選擇能夠滿足要求并簡單易用、性價(jià)比高的傳感器。本文結(jié)合北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，主要針對(duì)空氣和土壤的溫濕度的測量與控制，探討農(nóng)業(yè)信息化中溫濕度傳感器的選擇與應(yīng)用。
1 記錄儀中溫度傳感器
溫度傳感器包括熱電偶傳感器、熱電阻傳感器、熱敏電阻、晶體管溫度傳感器以及近幾年出現(xiàn)的集成模塊溫度傳感器等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要采集的溫度數(shù)據(jù)有空氣溫度和土壤溫度，通常采用熱電阻PT100來測量土壤溫度，用全數(shù)字式的集成溫度傳感器測量空氣溫度。
1.1 記錄儀的土壤溫度傳感器
土壤溫度的數(shù)據(jù)采集采用熱電阻PT100溫度傳感器，熱電阻的優(yōu)點(diǎn)是線性度好，精度高，有較好的長期穩(wěn)定性，工作溫度范圍大，只要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理就可以傳輸、顯示并記錄其溫度輸出。
鉑電阻在0℃時(shí)的額定電阻值是100Ω，它是一種標(biāo)準(zhǔn)化的器件，鉑金屬的長期穩(wěn)定性、可重復(fù)操作性、快速響應(yīng)及較寬的工作溫度范圍等特性使其能夠適合多種應(yīng)用，鉑電阻的電阻和溫度并非成線性關(guān)系，但是經(jīng)過一定的溫度補(bǔ)償后基本成線性關(guān)系。所以只要將已知的電流流過該電阻就可以得到與溫度成正比例的輸出電壓。根據(jù)已知的電阻和溫度的關(guān)系就可以知道被測溫度值。
在實(shí)際應(yīng)用中，用三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317自制1mA的恒流源給土壤溫度傳感器供電，即可得到滿足要求范圍的電壓信號(hào)輸出，其原理如圖1所示。
1.2 記錄儀的空氣溫度傳感器
空氣溫度的信號(hào)采集選用全數(shù)字式的集成溫度傳感器DS18B20。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9~12位的數(shù)值讀數(shù)方式。可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，而且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。其典型的接線圖如圖2所示。
由接線方式可以看出，用一條傳輸線就可以完成溫度傳感器的信號(hào)的采集，這是采用外部供電的一種接線方式，此種方式溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度比較快，可以適應(yīng)實(shí)時(shí)性要求比較高的場合。在電路中，為了滿足信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊?，采用了三態(tài)緩沖器74ALS244作信號(hào)驅(qū)動(dòng)，提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>
DS18B20也可以采用內(nèi)部電源供電，但這種單線接線方式，溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的速度比較慢；DS18B20充分利用了單總線的獨(dú)特特點(diǎn)，可以輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的抗干擾性，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活，方便，而且適合在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行溫度現(xiàn)場測量。
2 記錄儀的濕度傳感器
濕度傳感器包括熱導(dǎo)式濕度傳感器、電解式濕度傳感器、場效應(yīng)管式濕度傳感器、折射式濕度傳感器及晶體振子式濕度傳感器。另外廣義上的濕度傳感器還應(yīng)該包括露點(diǎn)傳感器和水分傳感器。節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中需要采集的濕度數(shù)據(jù)有空氣濕度和土壤濕度，本文利用已知介電常數(shù)在不同濕度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電壓的原理來測量土壤濕度，空氣濕度測量中采用HS1101相對(duì)濕度傳感器。
2.1 記錄儀的土壤濕度傳感器
土壤濕度也稱為土壤水分，即土壤的體積含水量，定義為單位體積土壤中所含水的體積，用ωs來表示。已知土壤體積含水量與土壤介電常數(shù)平方根成線性關(guān)系ωs=aξs+b。其中：a、b為由土壤類型決定的常數(shù)。另由傳輸線理論可知，同軸傳輸線的特性阻抗Z0取決于其幾何尺寸和絕緣材料的介電常數(shù)ξ，即Z0=(60/ξ)ln(r/R)。其中：r和R為信號(hào)線與屏蔽層的半徑。如圖3所示，把一段介電常數(shù)為εs的同軸線Ls與一段已知介電常數(shù)為ε的同軸線L0串接在一起，則在分界面J處的反射系數(shù)ρ為：ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)其中：Zs為Ls的特性阻抗；Z0為L0的特性阻抗。在L0的輸入端加正弦激勵(lì)電壓，L0中產(chǎn)生駐波。假設(shè)L0的長度為1/4波長，則輸入點(diǎn)的電壓峰值為：Vi=Va(1-ρ)，分界面J處的電壓峰值為：Vj=Va(1+ρ)，其中：Va為激勵(lì)電壓的幅度。因此有：Vj-Vi=2Vaρ，由此可推導(dǎo)出ξs與(Vj-Vi)的關(guān)系如下：ξs=bZ0×1-(Vj-Vi)/2Va1+(Vj-Vi)/2Va，其中：b為Ls的結(jié)構(gòu)常數(shù)。
根據(jù)以上理論設(shè)計(jì)土壤濕度傳感器，采用100MHz正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，分別在L0的輸入端I處和分界面處檢波出駐波的波谷和波峰，通過放大、調(diào)節(jié)，把Ls絕緣材料介電常數(shù)的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵?/span>電壓的變化，間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的測量。
2.2 記錄儀的空氣濕度傳感器
空氣濕度可以說是所有數(shù)據(jù)中最難以測量的。由于濕度的不穩(wěn)定性、濕度傳感器的響應(yīng)速度慢、校正麻煩等原因，濕度的測量一直是測量與傳感中的一個(gè)難點(diǎn)，在實(shí)際的空氣濕度測量中，本文采用HS1101相對(duì)濕度傳感器。它的特性是不需校準(zhǔn)的完全互換性、高可靠性和長期穩(wěn)定性、快速響應(yīng)時(shí)間、專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，相對(duì)濕度在0~100%RH范圍內(nèi)；電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5s；溫度系數(shù)為0.04pF/℃。
HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常用兩種方法：一是將該濕敏電容置于橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻串信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。本文在實(shí)際應(yīng)用中采用了將濕度轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的方法。濕度轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。
3 結(jié) 語
上述傳感器已經(jīng)在北京市大興區(qū)龐各莊西瓜基地以及北京五環(huán)公路綠化帶實(shí)際應(yīng)用，傳感器滿足及時(shí)采集、準(zhǔn)確傳輸?shù)囊?，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，有很好的使用價(jià)值與推廣價(jià)值。傳感器的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的使用目的、指標(biāo)、環(huán)境條件、成本等方面綜合考慮，各個(gè)傳感器也應(yīng)該從不同的側(cè)重點(diǎn)來選擇。本文沒有去單純的選擇一些功能強(qiáng)大但是價(jià)格昂貴的傳感器來進(jìn)行農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的溫濕度測量，而是綜合考慮現(xiàn)有的傳感器，選擇性價(jià)比較高的器件，經(jīng)過實(shí)際的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了用較低的成本基本滿足測量的需要。
1 記錄儀中溫度傳感器
溫度傳感器包括熱電偶傳感器、熱電阻傳感器、熱敏電阻、晶體管溫度傳感器以及近幾年出現(xiàn)的集成模塊溫度傳感器等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要采集的溫度數(shù)據(jù)有空氣溫度和土壤溫度，通常采用熱電阻PT100來測量土壤溫度，用全數(shù)字式的集成溫度傳感器測量空氣溫度。
1.1 記錄儀的土壤溫度傳感器
土壤溫度的數(shù)據(jù)采集采用熱電阻PT100溫度傳感器，熱電阻的優(yōu)點(diǎn)是線性度好，精度高，有較好的長期穩(wěn)定性，工作溫度范圍大，只要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理就可以傳輸、顯示并記錄其溫度輸出。
鉑電阻在0℃時(shí)的額定電阻值是100Ω，它是一種標(biāo)準(zhǔn)化的器件，鉑金屬的長期穩(wěn)定性、可重復(fù)操作性、快速響應(yīng)及較寬的工作溫度范圍等特性使其能夠適合多種應(yīng)用，鉑電阻的電阻和溫度并非成線性關(guān)系，但是經(jīng)過一定的溫度補(bǔ)償后基本成線性關(guān)系。所以只要將已知的電流流過該電阻就可以得到與溫度成正比例的輸出電壓。根據(jù)已知的電阻和溫度的關(guān)系就可以知道被測溫度值。
在實(shí)際應(yīng)用中，用三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317自制1mA的恒流源給土壤溫度傳感器供電，即可得到滿足要求范圍的電壓信號(hào)輸出，其原理如圖1所示。
1.2 記錄儀的空氣溫度傳感器
空氣溫度的信號(hào)采集選用全數(shù)字式的集成溫度傳感器DS18B20。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9~12位的數(shù)值讀數(shù)方式。可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，而且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。它在測溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。其典型的接線圖如圖2所示。
由接線方式可以看出，用一條傳輸線就可以完成溫度傳感器的信號(hào)的采集，這是采用外部供電的一種接線方式，此種方式溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換速度比較快，可以適應(yīng)實(shí)時(shí)性要求比較高的場合。在電路中，為了滿足信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊?，采用了三態(tài)緩沖器74ALS244作信號(hào)驅(qū)動(dòng)，提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>
DS18B20也可以采用內(nèi)部電源供電，但這種單線接線方式，溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的速度比較慢；DS18B20充分利用了單總線的獨(dú)特特點(diǎn)，可以輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的抗干擾性，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活，方便，而且適合在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行溫度現(xiàn)場測量。
2 記錄儀的濕度傳感器
濕度傳感器包括熱導(dǎo)式濕度傳感器、電解式濕度傳感器、場效應(yīng)管式濕度傳感器、折射式濕度傳感器及晶體振子式濕度傳感器。另外廣義上的濕度傳感器還應(yīng)該包括露點(diǎn)傳感器和水分傳感器。節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中需要采集的濕度數(shù)據(jù)有空氣濕度和土壤濕度，本文利用已知介電常數(shù)在不同濕度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電壓的原理來測量土壤濕度，空氣濕度測量中采用HS1101相對(duì)濕度傳感器。
2.1 記錄儀的土壤濕度傳感器
土壤濕度也稱為土壤水分，即土壤的體積含水量，定義為單位體積土壤中所含水的體積，用ωs來表示。已知土壤體積含水量與土壤介電常數(shù)平方根成線性關(guān)系ωs=aξs+b。其中：a、b為由土壤類型決定的常數(shù)。另由傳輸線理論可知，同軸傳輸線的特性阻抗Z0取決于其幾何尺寸和絕緣材料的介電常數(shù)ξ，即Z0=(60/ξ)ln(r/R)。其中：r和R為信號(hào)線與屏蔽層的半徑。如圖3所示，把一段介電常數(shù)為εs的同軸線Ls與一段已知介電常數(shù)為ε的同軸線L0串接在一起，則在分界面J處的反射系數(shù)ρ為：ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)其中：Zs為Ls的特性阻抗；Z0為L0的特性阻抗。在L0的輸入端加正弦激勵(lì)電壓，L0中產(chǎn)生駐波。假設(shè)L0的長度為1/4波長，則輸入點(diǎn)的電壓峰值為：Vi=Va(1-ρ)，分界面J處的電壓峰值為：Vj=Va(1+ρ)，其中：Va為激勵(lì)電壓的幅度。因此有：Vj-Vi=2Vaρ，由此可推導(dǎo)出ξs與(Vj-Vi)的關(guān)系如下：ξs=bZ0×1-(Vj-Vi)/2Va1+(Vj-Vi)/2Va，其中：b為Ls的結(jié)構(gòu)常數(shù)。
根據(jù)以上理論設(shè)計(jì)土壤濕度傳感器，采用100MHz正弦波作為激勵(lì)信號(hào)，分別在L0的輸入端I處和分界面處檢波出駐波的波谷和波峰，通過放大、調(diào)節(jié)，把Ls絕緣材料介電常數(shù)的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵?/span>電壓的變化，間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的測量。
2.2 記錄儀的空氣濕度傳感器
空氣濕度可以說是所有數(shù)據(jù)中最難以測量的。由于濕度的不穩(wěn)定性、濕度傳感器的響應(yīng)速度慢、校正麻煩等原因，濕度的測量一直是測量與傳感中的一個(gè)難點(diǎn)，在實(shí)際的空氣濕度測量中，本文采用HS1101相對(duì)濕度傳感器。它的特性是不需校準(zhǔn)的完全互換性、高可靠性和長期穩(wěn)定性、快速響應(yīng)時(shí)間、專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，相對(duì)濕度在0~100%RH范圍內(nèi)；電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5s；溫度系數(shù)為0.04pF/℃。
HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常用兩種方法：一是將該濕敏電容置于橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻串信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。本文在實(shí)際應(yīng)用中采用了將濕度轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)的方法。濕度轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。
3 結(jié) 語
上述傳感器已經(jīng)在北京市大興區(qū)龐各莊西瓜基地以及北京五環(huán)公路綠化帶實(shí)際應(yīng)用，傳感器滿足及時(shí)采集、準(zhǔn)確傳輸?shù)囊?，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，有很好的使用價(jià)值與推廣價(jià)值。傳感器的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的使用目的、指標(biāo)、環(huán)境條件、成本等方面綜合考慮，各個(gè)傳感器也應(yīng)該從不同的側(cè)重點(diǎn)來選擇。本文沒有去單純的選擇一些功能強(qiáng)大但是價(jià)格昂貴的傳感器來進(jìn)行農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的溫濕度測量，而是綜合考慮現(xiàn)有的傳感器，選擇性價(jià)比較高的器件，經(jīng)過實(shí)際的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了用較低的成本基本滿足測量的需要。
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