記錄儀中溫濕度傳感器在農業生長中的應用
2015-12-31
在現代農業信息化中，信息的采集主要有溫度、濕度、雨量、土壤濕度、土壤溫度、風速、風向、靜輻射、流量、壓力信號等，對這些信息的有效采集需要選擇能夠滿足要求并簡單易用、性價比高的傳感器。本文結合北京農業信息技術研究中心的實際應用經驗，主要針對空氣和土壤的溫濕度的測量與控制，探討農業信息化中溫濕度傳感器的選擇與應用。
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的集成模塊溫度傳感器等。農業生產中需要采集的溫度數據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
土壤溫度的數據采集采用熱電阻PT100溫度傳感器，熱電阻的優點是線性度好，精度高，有較好的長期穩定性，工作溫度范圍大，只要經過適當的數據處理就可以傳輸、顯示并記錄其溫度輸出。
鉑電阻在0℃時的額定電阻值是100Ω，它是一種標準化的器件，鉑金屬的長期穩定性、可重復操作性、快速響應及較寬的工作溫度范圍等特性使其能夠適合多種應用，鉑電阻的電阻和溫度并非成線性關系，但是經過一定的溫度補償后基本成線性關系。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。根據已知的電阻和溫度的關系就可以知道被測溫度值。
在實際應用中，用三端可調穩壓器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
空氣溫度的信號采集選用全數字式的集成溫度傳感器DS18B20。DS18B20是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求，通過簡單的編程實現9~12位的數值讀數方式。可以分別在93.75ms和750ms內完成9位和12位的數字量，而且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20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據總線，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可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面有了很大的改進，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，此種方式溫度信號的轉換速度比較快，可以適應實時性要求比較高的場合。在電路中，為了滿足信號遠程傳輸的要求，采用了三態緩沖器74ALS244作信號驅動，提高了信號傳輸的可靠性。
DS18B20也可以采用內部電源供電，但這種單線接線方式，溫度轉化為數字信號的速度比較慢；DS18B20充分利用了單總線的獨特特點，可以輕松的組建傳感器網絡，提高系統的抗干擾性，使系統設計更靈活，方便，而且適合在惡劣的環境下進行溫度現場測量。
2 記錄儀的濕度傳感器
濕度傳感器包括熱導式濕度傳感器、電解式濕度傳感器、場效應管式濕度傳感器、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該包括露點傳感器和水分傳感器。節水灌溉控制系統中需要采集的濕度數據有空氣濕度和土壤濕度，本文利用已知介電常數在不同濕度轉換為對應電壓的原理來測量土壤濕度，空氣濕度測量中采用HS1101相對濕度傳感器。
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平方根成線性關系ωs=aξs+b。其中：a、b為由土壤類型決定的常數。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ξ，即Z0=(60/ξ)ln(r/R)。其中：r和R為信號線與屏蔽層的半徑。如圖3所示，把一段介電常數為εs的同軸線Ls與一段已知介電常數為ε的同軸線L0串接在一起，則在分界面J處的反射系數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電壓，L0中產生駐波。假設L0的長度為1/4波長，則輸入點的電壓峰值為：Vi=Va(1-ρ)，分界面J處的電壓峰值為：Vj=Va(1+ρ)，其中：Va為激勵電壓的幅度。因此有：Vj-Vi=2Vaρ，由此可推導出ξs與(Vj-Vi)的關系如下：ξs=bZ0×1-(Vj-Vi)/2Va1+(Vj-Vi)/2Va，其中：b為Ls的結構常數。
根據以上理論設計土壤濕度傳感器，采用100MHz正弦波作為激勵信號，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、調節，把Ls絕緣材料介電常數的變化，轉變為輸出電壓的變化，間接地實現對土壤濕度的測量。
2.2 記錄儀的空氣濕度傳感器
空氣濕度可以說是所有數據中最難以測量的。由于濕度的不穩定性、濕度傳感器的響應速度慢、校正麻煩等原因，濕度的測量一直是測量與傳感中的一個難點，在實際的空氣濕度測量中，本文采用HS1101相對濕度傳感器。它的特性是不需校準的完全互換性、高可靠性和長期穩定性、快速響應時間、專利設計的固態聚合物結構，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，相對濕度在0~100%RH范圍內；電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應時間小于5s；溫度系數為0.04pF/℃。
HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，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確地轉變為計算機易于接受的信號，常用兩種方法：一是將該濕敏電容置于橋式振蕩電路中，所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再經過A/D轉換為數字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻串信號，可直接被計算機所采集。本文在實際應用中采用了將濕度轉換為頻率信號的方法。濕度轉換電路如圖4所示。
3 結 語
上述傳感器已經在北京市大興區龐各莊西瓜基地以及北京五環公路綠化帶實際應用，傳感器滿足及時采集、準確傳輸的要求，整個系統運行良好。經實踐驗證，有很好的使用價值與推廣價值。傳感器的選擇應根據實際的使用目的、指標、環境條件、成本等方面綜合考慮，各個傳感器也應該從不同的側重點來選擇。本文沒有去單純的選擇一些功能強大但是價格昂貴的傳感器來進行農業應用中的溫濕度測量，而是綜合考慮現有的傳感器，選擇性價比較高的器件，經過實際的應用，實現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的集成模塊溫度傳感器等。農業生產中需要采集的溫度數據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
土壤溫度的數據采集采用熱電阻PT100溫度傳感器，熱電阻的優點是線性度好，精度高，有較好的長期穩定性，工作溫度范圍大，只要經過適當的數據處理就可以傳輸、顯示并記錄其溫度輸出。
鉑電阻在0℃時的額定電阻值是100Ω，它是一種標準化的器件，鉑金屬的長期穩定性、可重復操作性、快速響應及較寬的工作溫度范圍等特性使其能夠適合多種應用，鉑電阻的電阻和溫度并非成線性關系，但是經過一定的溫度補償后基本成線性關系。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。根據已知的電阻和溫度的關系就可以知道被測溫度值。
在實際應用中，用三端可調穩壓器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
空氣溫度的信號采集選用全數字式的集成溫度傳感器DS18B20。DS18B20是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求，通過簡單的編程實現9~12位的數值讀數方式。可以分別在93.75ms和750ms內完成9位和12位的數字量，而且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20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據總線，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可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。它在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面有了很大的改進，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，此種方式溫度信號的轉換速度比較快，可以適應實時性要求比較高的場合。在電路中，為了滿足信號遠程傳輸的要求，采用了三態緩沖器74ALS244作信號驅動，提高了信號傳輸的可靠性。
DS18B20也可以采用內部電源供電，但這種單線接線方式，溫度轉化為數字信號的速度比較慢；DS18B20充分利用了單總線的獨特特點，可以輕松的組建傳感器網絡，提高系統的抗干擾性，使系統設計更靈活，方便，而且適合在惡劣的環境下進行溫度現場測量。
2 記錄儀的濕度傳感器
濕度傳感器包括熱導式濕度傳感器、電解式濕度傳感器、場效應管式濕度傳感器、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該包括露點傳感器和水分傳感器。節水灌溉控制系統中需要采集的濕度數據有空氣濕度和土壤濕度，本文利用已知介電常數在不同濕度轉換為對應電壓的原理來測量土壤濕度，空氣濕度測量中采用HS1101相對濕度傳感器。
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平方根成線性關系ωs=aξs+b。其中：a、b為由土壤類型決定的常數。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ξ，即Z0=(60/ξ)ln(r/R)。其中：r和R為信號線與屏蔽層的半徑。如圖3所示，把一段介電常數為εs的同軸線Ls與一段已知介電常數為ε的同軸線L0串接在一起，則在分界面J處的反射系數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電壓，L0中產生駐波。假設L0的長度為1/4波長，則輸入點的電壓峰值為：Vi=Va(1-ρ)，分界面J處的電壓峰值為：Vj=Va(1+ρ)，其中：Va為激勵電壓的幅度。因此有：Vj-Vi=2Vaρ，由此可推導出ξs與(Vj-Vi)的關系如下：ξs=bZ0×1-(Vj-Vi)/2Va1+(Vj-Vi)/2Va，其中：b為Ls的結構常數。
根據以上理論設計土壤濕度傳感器，采用100MHz正弦波作為激勵信號，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、調節，把Ls絕緣材料介電常數的變化，轉變為輸出電壓的變化，間接地實現對土壤濕度的測量。
2.2 記錄儀的空氣濕度傳感器
空氣濕度可以說是所有數據中最難以測量的。由于濕度的不穩定性、濕度傳感器的響應速度慢、校正麻煩等原因，濕度的測量一直是測量與傳感中的一個難點，在實際的空氣濕度測量中，本文采用HS1101相對濕度傳感器。它的特性是不需校準的完全互換性、高可靠性和長期穩定性、快速響應時間、專利設計的固態聚合物結構，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，相對濕度在0~100%RH范圍內；電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應時間小于5s；溫度系數為0.04pF/℃。
HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，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確地轉變為計算機易于接受的信號，常用兩種方法：一是將該濕敏電容置于橋式振蕩電路中，所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再經過A/D轉換為數字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻串信號，可直接被計算機所采集。本文在實際應用中采用了將濕度轉換為頻率信號的方法。濕度轉換電路如圖4所示。
3 結 語
上述傳感器已經在北京市大興區龐各莊西瓜基地以及北京五環公路綠化帶實際應用，傳感器滿足及時采集、準確傳輸的要求，整個系統運行良好。經實踐驗證，有很好的使用價值與推廣價值。傳感器的選擇應根據實際的使用目的、指標、環境條件、成本等方面綜合考慮，各個傳感器也應該從不同的側重點來選擇。本文沒有去單純的選擇一些功能強大但是價格昂貴的傳感器來進行農業應用中的溫濕度測量，而是綜合考慮現有的傳感器，選擇性價比較高的器件，經過實際的應用，實現了用較低的成本基本滿足測量的需要。
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