记录仪中温湿度传感器在农业生长中的应用
2015-12-31
在现代农业信息化中，信息的采集主要有温度、湿度、雨量、土壤湿度、土壤温度、风速、风向、静辐射、流量、压力信号等，对这些信息的有效采集需要选择能够满足要求并简单易用、性价比高的传感器。本文结合北京农业信息技术研究中心的实际应用经验，主要针对空气和土壤的温湿度的测量与控制，探讨农业信息化中温湿度传感器的选择与应用。
1 记录仪中温度传感器
温度传感器包括热电偶传感器、热电阻传感器、热敏电阻、晶体管温度传感器以及近几年出现的集成模块温度传感器等。农业生产中需要采集的温度数据有空气温度和土壤温度，通常采用热电阻PT100来测量土壤温度，用全数字式的集成温度传感器测量空气温度。
1.1 记录仪的土壤温度传感器
土壤温度的数据采集采用热电阻PT100温度传感器，热电阻的优点是线性度好，精度高，有较好的长期稳定性，工作温度范围大，只要经过适当的数据处理就可以传输、显示并记录其温度输出。
铂电阻在0℃时的额定电阻值是100Ω，它是一种标准化的器件，铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用，铂电阻的电阻和温度并非成线性关系，但是经过一定的温度补偿后基本成线性关系。所以只要将已知的电流流过该电阻就可以得到与温度成正比例的输出电压。根据已知的电阻和温度的关系就可以知道被测温度值。
在实际应用中，用三端可调稳压器LM317自制1mA的恒流源给土壤温度传感器供电，即可得到满足要求范围的电压信号输出，其原理如图1所示。
1.2 记录仪的空气温度传感器
空气温度的信号采集选用全数字式的集成温度传感器DS18B20。DS18B20是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求，通过简单的编程实现9~12位的数值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，而且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。其典型的接线图如图2所示。
由接线方式可以看出，用一条传输线就可以完成温度传感器的信号的采集，这是采用外部供电的一种接线方式，此种方式温度信号的转换速度比较快，可以适应实时性要求比较高的场合。在电路中，为了满足信号远程传输的要求，采用了三态缓冲器74ALS244作信号驱动，提高了信号传输的可靠性。
DS18B20也可以采用内部电源供电，但这种单线接线方式，温度转化为数字信号的速度比较慢；DS18B20充分利用了单总线的独特特点，可以轻松的组建传感器网络，提高系统的抗干扰性，使系统设计更灵活，方便，而且适合在恶劣的环境下进行温度现场测量。
2 记录仪的湿度传感器
湿度传感器包括热导式湿度传感器、电解式湿度传感器、场效应管式湿度传感器、折射式湿度传感器及晶体振子式湿度传感器。另外广义上的湿度传感器还应该包括露点传感器和水分传感器。节水灌溉控制系统中需要采集的湿度数据有空气湿度和土壤湿度，本文利用已知介电常数在不同湿度转换为对应电压的原理来测量土壤湿度，空气湿度测量中采用HS1101相对湿度传感器。
2.1 记录仪的土壤湿度传感器
土壤湿度也称为土壤水分，即土壤的体积含水量，定义为单位体积土壤中所含水的体积，用ωs来表示。已知土壤体积含水量与土壤介电常数平方根成线性关系ωs=aξs+b。其中：a、b为由土壤类型决定的常数。另由传输线理论可知，同轴传输线的特性阻抗Z0取决于其几何尺寸和绝缘材料的介电常数ξ，即Z0=(60/ξ)ln(r/R)。其中：r和R为信号线与屏蔽层的半径。如图3所示，把一段介电常数为εs的同轴线Ls与一段已知介电常数为ε的同轴线L0串接在一起，则在分界面J处的反射系数ρ为：ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)其中：Zs为Ls的特性阻抗；Z0为L0的特性阻抗。在L0的输入端加正弦激励电压，L0中产生驻波。假设L0的长度为1/4波长，则输入点的电压峰值为：Vi=Va(1-ρ)，分界面J处的电压峰值为：Vj=Va(1+ρ)，其中：Va为激励电压的幅度。因此有：Vj-Vi=2Vaρ，由此可推导出ξs与(Vj-Vi)的关系如下：ξs=bZ0×1-(Vj-Vi)/2Va1+(Vj-Vi)/2Va，其中：b为Ls的结构常数。
根据以上理论设计土壤湿度传感器，采用100MHz正弦波作为激励信号，分别在L0的输入端I处和分界面处检波出驻波的波谷和波峰，通过放大、调节，把Ls绝缘材料介电常数的变化，转变为输出电压的变化，间接地实现对土壤湿度的测量。
2.2 记录仪的空气湿度传感器
空气湿度可以说是所有数据中最难以测量的。由于湿度的不稳定性、湿度传感器的响应速度慢、校正麻烦等原因，湿度的测量一直是测量与传感中的一个难点，在实际的空气湿度测量中，本文采用HS1101相对湿度传感器。它的特性是不需校准的完全互换性、高可靠性和长期稳定性、快速响应时间、专利设计的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，相对湿度在0~100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5s；温度系数为0.04pF/℃。
HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用两种方法：一是将该湿敏电容置于桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再经过A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频串信号，可直接被计算机所采集。本文在实际应用中采用了将湿度转换为频率信号的方法。湿度转换电路如图4所示。
3 结 语
上述传感器已经在北京市大兴区庞各庄西瓜基地以及北京五环公路绿化带实际应用，传感器满足及时采集、准确传输的要求，整个系统运行良好。经实践验证，有很好的使用价值与推广价值。传感器的选择应根据实际的使用目的、指标、环境条件、成本等方面综合考虑，各个传感器也应该从不同的侧重点来选择。本文没有去单纯的选择一些功能强大但是价格昂贵的传感器来进行农业应用中的温湿度测量，而是综合考虑现有的传感器，选择性价比较高的器件，经过实际的应用，实现了用较低的成本基本满足测量的需要。
1 记录仪中温度传感器
温度传感器包括热电偶传感器、热电阻传感器、热敏电阻、晶体管温度传感器以及近几年出现的集成模块温度传感器等。农业生产中需要采集的温度数据有空气温度和土壤温度，通常采用热电阻PT100来测量土壤温度，用全数字式的集成温度传感器测量空气温度。
1.1 记录仪的土壤温度传感器
土壤温度的数据采集采用热电阻PT100温度传感器，热电阻的优点是线性度好，精度高，有较好的长期稳定性，工作温度范围大，只要经过适当的数据处理就可以传输、显示并记录其温度输出。
铂电阻在0℃时的额定电阻值是100Ω，它是一种标准化的器件，铂金属的长期稳定性、可重复操作性、快速响应及较宽的工作温度范围等特性使其能够适合多种应用，铂电阻的电阻和温度并非成线性关系，但是经过一定的温度补偿后基本成线性关系。所以只要将已知的电流流过该电阻就可以得到与温度成正比例的输出电压。根据已知的电阻和温度的关系就可以知道被测温度值。
在实际应用中，用三端可调稳压器LM317自制1mA的恒流源给土壤温度传感器供电，即可得到满足要求范围的电压信号输出，其原理如图1所示。
1.2 记录仪的空气温度传感器
空气温度的信号采集选用全数字式的集成温度传感器DS18B20。DS18B20是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求，通过简单的编程实现9~12位的数值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，而且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。其典型的接线图如图2所示。
由接线方式可以看出，用一条传输线就可以完成温度传感器的信号的采集，这是采用外部供电的一种接线方式，此种方式温度信号的转换速度比较快，可以适应实时性要求比较高的场合。在电路中，为了满足信号远程传输的要求，采用了三态缓冲器74ALS244作信号驱动，提高了信号传输的可靠性。
DS18B20也可以采用内部电源供电，但这种单线接线方式，温度转化为数字信号的速度比较慢；DS18B20充分利用了单总线的独特特点，可以轻松的组建传感器网络，提高系统的抗干扰性，使系统设计更灵活，方便，而且适合在恶劣的环境下进行温度现场测量。
2 记录仪的湿度传感器
湿度传感器包括热导式湿度传感器、电解式湿度传感器、场效应管式湿度传感器、折射式湿度传感器及晶体振子式湿度传感器。另外广义上的湿度传感器还应该包括露点传感器和水分传感器。节水灌溉控制系统中需要采集的湿度数据有空气湿度和土壤湿度，本文利用已知介电常数在不同湿度转换为对应电压的原理来测量土壤湿度，空气湿度测量中采用HS1101相对湿度传感器。
2.1 记录仪的土壤湿度传感器
土壤湿度也称为土壤水分，即土壤的体积含水量，定义为单位体积土壤中所含水的体积，用ωs来表示。已知土壤体积含水量与土壤介电常数平方根成线性关系ωs=aξs+b。其中：a、b为由土壤类型决定的常数。另由传输线理论可知，同轴传输线的特性阻抗Z0取决于其几何尺寸和绝缘材料的介电常数ξ，即Z0=(60/ξ)ln(r/R)。其中：r和R为信号线与屏蔽层的半径。如图3所示，把一段介电常数为εs的同轴线Ls与一段已知介电常数为ε的同轴线L0串接在一起，则在分界面J处的反射系数ρ为：ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)其中：Zs为Ls的特性阻抗；Z0为L0的特性阻抗。在L0的输入端加正弦激励电压，L0中产生驻波。假设L0的长度为1/4波长，则输入点的电压峰值为：Vi=Va(1-ρ)，分界面J处的电压峰值为：Vj=Va(1+ρ)，其中：Va为激励电压的幅度。因此有：Vj-Vi=2Vaρ，由此可推导出ξs与(Vj-Vi)的关系如下：ξs=bZ0×1-(Vj-Vi)/2Va1+(Vj-Vi)/2Va，其中：b为Ls的结构常数。
根据以上理论设计土壤湿度传感器，采用100MHz正弦波作为激励信号，分别在L0的输入端I处和分界面处检波出驻波的波谷和波峰，通过放大、调节，把Ls绝缘材料介电常数的变化，转变为输出电压的变化，间接地实现对土壤湿度的测量。
2.2 记录仪的空气湿度传感器
空气湿度可以说是所有数据中最难以测量的。由于湿度的不稳定性、湿度传感器的响应速度慢、校正麻烦等原因，湿度的测量一直是测量与传感中的一个难点，在实际的空气湿度测量中，本文采用HS1101相对湿度传感器。它的特性是不需校准的完全互换性、高可靠性和长期稳定性、快速响应时间、专利设计的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，相对湿度在0~100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5s；温度系数为0.04pF/℃。
HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用两种方法：一是将该湿敏电容置于桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再经过A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频串信号，可直接被计算机所采集。本文在实际应用中采用了将湿度转换为频率信号的方法。湿度转换电路如图4所示。
3 结 语
上述传感器已经在北京市大兴区庞各庄西瓜基地以及北京五环公路绿化带实际应用，传感器满足及时采集、准确传输的要求，整个系统运行良好。经实践验证，有很好的使用价值与推广价值。传感器的选择应根据实际的使用目的、指标、环境条件、成本等方面综合考虑，各个传感器也应该从不同的侧重点来选择。本文没有去单纯的选择一些功能强大但是价格昂贵的传感器来进行农业应用中的温湿度测量，而是综合考虑现有的传感器，选择性价比较高的器件，经过实际的应用，实现了用较低的成本基本满足测量的需要。
