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記錄儀中溫濕度傳感器在農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)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(jiǎn)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(cè)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(lái)測(cè)量土壤溫度，用全數(shù)字式的集成溫度傳感器測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性，工作溫度范圍大，只要經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(cè)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(guó)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(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過(guò)簡(jiǎn)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(xiě)，溫度變換功率來(lái)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(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。它在測(cè)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(lái)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(chǎng)合。在電路中，為了滿足信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊螅捎昧巳龖B(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(chǎng)測(cè)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(chǎng)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(lái)測(cè)量土壤濕度，空氣濕度測(cè)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(chēng)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(lái)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(lèi)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L(zhǎng)s的特性阻抗；Z0為L(zhǎng)0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(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)，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L(zhǎng)s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(guò)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(cè)量。
2.2 記錄儀的空氣濕度傳感器
空氣濕度可以說(shuō)是所有數(shù)據(jù)中最難以測(cè)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(cè)量一直是測(cè)量與傳感中的一個(gè)難點(diǎn)，在實(shí)際的空氣濕度測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性、快速響應(yīng)時(shí)間、專(zhuān)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(cè)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(guò)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(yǔ)
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)囊螅麄€(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(lái)選擇。本文沒(méi)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(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的溫濕度測(cè)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(guò)實(shí)際的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了用較低的成本基本滿足測(cè)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(lái)測(cè)量土壤溫度，用全數(shù)字式的集成溫度傳感器測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性，工作溫度范圍大，只要經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(cè)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(guó)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(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過(guò)簡(jiǎn)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(xiě)，溫度變換功率來(lái)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(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。它在測(cè)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(lái)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(chǎng)合。在電路中，為了滿足信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊螅捎昧巳龖B(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(chǎng)測(cè)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(chǎng)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(lái)測(cè)量土壤濕度，空氣濕度測(cè)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(chēng)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(lái)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(lèi)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L(zhǎng)s的特性阻抗；Z0為L(zhǎng)0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(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)，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L(zhǎng)s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(guò)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(cè)量。
2.2 記錄儀的空氣濕度傳感器
空氣濕度可以說(shuō)是所有數(shù)據(jù)中最難以測(cè)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(cè)量一直是測(cè)量與傳感中的一個(gè)難點(diǎn)，在實(shí)際的空氣濕度測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性、快速響應(yīng)時(shí)間、專(zhuān)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(cè)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(guò)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(yǔ)
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)囊螅麄€(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(lái)選擇。本文沒(méi)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(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的溫濕度測(cè)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(guò)實(shí)際的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了用較低的成本基本滿足測(cè)量的需要。
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