数字温湿度传感器（共8篇）
数字温湿度传感器 篇1
0 引言
传统的模拟式温湿度传感器在测量温湿度时需要进行复杂的校准和标定, 而且需要设计复杂的信号调理电路和模数转换电路, 不便于应用。SHT11是瑞士Sensirion公司生产的带有I2C总线的数字式温湿度传感器, 具有免调试、免标定、测量分辨率可编程调节 (8/12/14位数据) 、CRC传输校验、超小封装尺寸等特点;同时集成了温湿度传感器, 可以进行温度补偿的湿度测量, 并提供高质量的露点计算功能, 测量精度高, 是各种温湿度监测应用中的一种优选器件。本文将对SHT11在温湿度监测中的具体应用作一介绍。
1 SHT11工作原理
SHT11的内部结构如图1所示。其中温度传感器 (Temp.Sensor) 采用由能隙材料制成的温度敏感元件, 湿度传感器 (%RH Sensor) 采用电容性聚合体湿度敏感元件。2个传感器输出的信号被放大后送入一个14位ADC, 转换成数字信号再送给I2C总线接口, 最后通过I2C接口以串行方式输出。校验存储器 (Calibration Memory) 用于存储在恒湿或恒温环境下的校准系数, 用于测量过程中的非线性校准。
SHT11采用SMD封装形式, 引脚排列及名称如图2所示。
2 SHT11在监测系统中的应用
温湿度通常是许多监测系统中需要监测的重要参数。监测系统一般采用分布式结构, 如图3所示。其中温湿度监测站完成温湿度的测量, 当接收到指令时将测量结果传送到上位机, 用于判断、显示和存储等;监测站1～n用于完成大气压力、风速、电流等参数的测量。
温湿度监测站结构如图4所示。其中SHT11完成温湿度的测量;MCU实时控制和读取SHT11的测量结果, 并通过总线接口向上位机发送测量结果及接收来自上位机的指令。
图5为MCU采用MCS-51单片机时, MCU与SHT11的接口电路。由于MCS-51单片机没有总线接口, 故用P1.2和P1.3虚拟I2C接口, 分别与SHT11的时钟端口SCK和数据端口DATA相连, 并在时钟线上接一个10 kΩ的上拉电阻。另外, 在SHT11的VD0和GND引脚之间接有一个0.1 μF的滤波电容。需要说明的是, 该监测站同时测量大气压力、风速等参数。
3 温湿度监测系统软件设计
3.1 SHT11指令时序
SHT11的指令时序如图6所示。在指令开始时, 需发送一组启动命令表示数据传输的初始化, 体现为当SCK 时钟为高电平时, DATA 由高电平翻转为低电平, 紧接着SCK 变为低电平, 随后是在SCK时钟为高电平时, DATA 翻转为高电平。启动命令发送完毕, 发送控制命令, 控制命令包含3个地址位 (目前只支持“000”) 和5个命令位, 如表1所示。在第八个SCK 时钟的下降沿之后, SHT11将DATA下拉为低电平 (ACK 位) , 表示已正确地接收到指令;在第九个SCK时钟的下降沿之后, 释放DATA (恢复高电平) 。
3.2 温湿度测量过程
温湿度监测站采集数据流程如图7所示。
发送完启动命令和控制命令后, MCU要等待测量结束, 该过程大约需要11/55/210 ms, 分别对应8/12/14 bit 测量。SHT11 通过下拉DATA 至低电平表示测量结束, MCU在触发SCK时钟前必须等待该“数据备妥信号”。SHT11接着传输2 B的测量数据和1 B的CRC奇偶校验码。MCU需要通过下拉DATA为低电平来确认每个字节。所有的数据从MSB (最高有效位) 开始, 右值有效 (例如对于14 bit数据, 从第三个SCK时钟起算作MSB;而对于8 bit数据, 首字节则无意义) 。以CRC数据的确认位表明通信结束。如果不使用CRC-8校验, 控制器可以在测量值LSB后, 通过保持确认位ACK高电平来中止通信。在测量和通信结束后, SHT11自动转入休眠模式。
为保证自身温升低于0.1 ℃, SHT11 的激活时间不要超过15% (例如对于12 bit精度测量, 每秒最多进行3次测量) 。
3.3 温湿度测量的非线性补偿
为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据, 需要使用式 (1) 来修正读数:
式中:RHlinear为进行非线性补偿后的湿度值;SORH为MCU从SHT11读取的湿度值;c1、c2、c3的具体数值参见SHT11芯片手册。
RHlinear的计算流程 (即湿度值校正流程) 如图8所示。
由于实际温度与测试参考温度25 ℃有显著差别, 应考虑湿度传感器的温度修正系数:
RHtrue= (T℃-25) × (t1+t2×SORH) +RHlinear (2)
式中:RHtrue为最终计算出的相对湿度值;T℃为当前实际温度;t1、t2的具体数值参见SHT11芯片手册。
由能隙材料PTAT研发的温度传感器具有极好的线性, 可用式 (3) 将数字输出转换为温度值:
式中:T为实际温度值;SOT为MCU从SHT11读取的温度数字输出量;d1、d2的具体数值参见SHT11芯片手册。
4 结语
本文设计的温湿度监测站已成功应用于电力机车车顶绝缘子闪络监测系统中的大气温湿度测量。实践表明, SHT11具有测量精度高、响应速度快, 抗干扰能力强等特点, 满足工程需要。
参考文献
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数字温湿度传感器 篇2
本文从内蒙古目前自动气象站采用的.HMP45A和HMP45D温湿度传感器的构造和工作原理出发,详细阐述了温湿度传感器故障的诊断方法及日常维护.
作 者：周彦林 李向东 左中华 梁伟 作者单位：周彦林,左中华(内蒙古大气探测技术保障中心,内蒙古,呼和浩特,010051)
李向东(鄂尔多斯市气象局,内蒙古,鄂尔多斯,017000,内蒙古气象培训中心)
梁伟(内蒙古气象培训中心,内蒙古,呼和浩特,010051)
数字温湿度传感器 篇3
关键词：AT89C52,单片机,DHT11数字温湿度传感器,温室控制系统
1温室控制系统的现状和发展
随着人们生活水平的不断提高,现代农业技术中的温室技术也在日新月异地发展。美国在1949年,建成了第一个植物人工气候室,研究植物适应自然环境和抗御恶劣环境的能力。随后,计算机技术与智能控制理论相结合,使得温室大棚的自动控制和管理技术成为可能,在世界各地都得到了普遍应用。随着微型计算机技术不断进步,电子产品价格大幅下降,使得温室综合环境控制系统得到了进一步发展,可应用到温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等各种因素的测量和控制,并迈入了网络化,智能化阶段。
2 DHTl I产品简述
DHT11内含两个重要电子元件,一是电阻式感湿元件用于测试周围环境的湿度参数,另一个是NTC测温元件用于测试温度参数。另外,DHT11中有一块一次性可编程OTP内存,用来存放校准系数。感湿和测温元件检测到参数后,调用OTP中的校准系数,进而得出精准的温度湿度检测值。DHT11采用4针单排引脚封装。因此,它具有体积小巧,测试参数精准等特点。
3温室控制系统设计
(1)系统设计原理该系统首先通过AT89C52单片机查询温室内温度和湿度传感器的输出信号,将此信息传送给显示模块,用于观测;然后再对输入信号进行相应处理。处理的原理就是将采集到的温湿度数据与事先通过键盘输入的温湿度上下限进行比较,如果采集数据在设定的上下限范围内,则环境正常,等待下次测试;如果参数值超过设定的上下限时,则启动异常报警程序,通过报警电路进行报警,并启动相对应的执行机构,如湿度过低则执行喷水命令、温度过高可启动通风系统等。
(2)系统硬件设计依据系统设计原理,系统硬件按执行顺序设计为如下几个模块:1)检测子系统,检测子系统主要工作是对温度传感器和湿度传感器发布检查命令,控制检测过程,最后得出温度和湿度的有效信号。2)数据采集子系统,数据采集子系统需对检测子系统传送来的有效信号进行采样和A/D转换,从而把有效信号转化为系统所需的数字信号,供数据显示子系统和信息处理子系统使用。3)数据显示子系统,主要起到辅助显示功能,通过LED显示数据采集子系统所得的数字信息,以便于人工监察。4)信息处理子系统,信息处理子系统要对温室环境临界参数进行预设,将实际测量数据与环境预设参数值进行比析,根据比析结果,控制部分可作出相应的操作决策,将操作命令发送到有关的执行子系统。5)执行子系统,这是温度湿度调节的实施机构,通过对喷水设备、光照设备、通风设备、加热设备的控制,实现对温湿度的调节功能。
(3)核心芯片的连接设计DHT11芯片和AT89C52单片机作为温室系统核心芯片,其引脚的连接设计也是一个重要环节。DHT11芯片只有4引脚,连接相当方便,只需为其在1号引脚连接3~5.5V工作电压,在实践使用中通常选用5V电压,3号引脚为空脚,4号引脚为GND接地引脚,2号引脚为串行数据总线,与AT89C52单片机的P2.0口相接,用于采集温度湿度数据。AT89C52单片机的P1.2口可于蜂鸣器连接,AT89C52单片机的P1.7口可于发光二极管连接,这两口可以实现报警和启动执行机构。
(4)系统软件设计依据硬件设计,本系统的软件模块由主程序和若干子程序组成,子程序主要包括显示子程序、温湿度读子程序、湿温度转换子程序、异常报警程序等。在主程序的设计中,首先需对单片机进行初始化,初始化的作用在于定义主要端口和设置中断优先级,这样就能确保每次程序启动都处于初始状态下,与系统的上一状态无关,从而不受上次执行结果的干扰,这是单片机顺利正确执行其它子程序的先决条件。在初始化完成之后,将依次调用各个子程序,实现温度湿度的读取,温湿度的转换,显示温湿度数据,判断报警等功能。主程序以循环方式执行,以确保对温度湿度实现实时监测控制。
主程序如下:MAIN:
温湿度控制在温室控制系统中有着至关重要的作用。本设计可以利用DHT11传感器方便地实现对温度和湿度的检测,再将检测数据传递给单片机,由单片机控制通风、散热、加温、喷灌等相关联的执行机构,来实现升温、降温、补水等功能,具有较强的实际应用价值。
参考文献
[1]先锋工作室.单片机程序设计实例.清华大学出版社,2002.
数字温湿度传感器 篇4
温湿度是与日常生产生活关系度很大的参量,很多情况下要对温湿度进行采集监测,对于温湿度的采集监测有多种方法。随着需要的变化,传统的有线采集在采集环境对象和数据的传输距离上已经满足不了要求。本文结合无线传感器网络和GSM通信等技术研究设计一种无线温湿度采集监测系统,包括方案的选择和确定、前端的信息采集模块的硬件软件设计、系统中节点的软件设计简介和终端监测界面的设计。系统能实现温湿度的实时无线采集和监测,满足树形、环形和星形节点拓扑结构。由于系统采用无线收发和GSM通信等技术,并具有反馈系统,不仅克服了环境对象和数据传输距离的问题,还在一定程度上实现了自动控制。
1 整个系统组成框图
整个温湿度采集监测系统设计构架如图1所示,它主要由前端温湿度采集模块(采集节点)、KM-NODE 433节点模块、GSM通信模块和监测模块组成[1],433节点A是中继节点(可以不用),B是GSM模块上的SINK节点。
2 系统工作原理
系统工作时,各前端采集节点先采集各自区域的温湿度信息,经单片机简单处理后通过无线发送给GSM模块上的Sink节点(在距离较远时要将采集节点采集的信息先传给中继节点,中继节点通过接力方式将信息发送给SINK节点),Sink节点将按要求将接收的温湿度信息进行综合处理,并判断在设定时间内所有采集节点的数据信息是否全部获得到,如果是则通过GSM模块用AT命令[2]将收集到的最新数据发送给终端用户,如果在等待时间内没有收集到所有采集节点的数据,则延时一定时间后将已收集的采集节点信息发送给终端,终端用户通过设计的接口和软件读取并查看采集节点的数据信息。终端用户也可以向GSM模块发送控制命令,SINK节点上通过红灯的亮灭反映控制信息。
3 系统各模块设计
3.1 温湿度采集模设计
温湿度采集电路原理框图如图2所示,主要由传感器、单片机和供电电源组成。传感器选用瑞士的温湿度集成数字传感器SHT15,它具有体积小、使用方便灵活、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点[3]。单片机选用MSP430F2132,它是一个低功耗、高性能单片机。采集模块实际是KM-433 NODE节点的扩展模块,它同时具有无线收发送数据的功能,可以发送采集的数据。
3.2 KM-NODE433节点模块简介
KM-NODE 433节点模块的组成如图3所示,主要由微控制单元和无线收发单元构成。处理器选用的是MSP430F2132,无线收发芯片选用的是CC1100,模块体积很小,无线传输频段为433MHZ,在空旷的条件下传输距离在80米左右,采用3.3v供电,具有低功耗优点[4]。
3.3 GSM通信模块设计
GSM通信模块主要由SIM900A芯片、网络信号灯、串口接口、SIM卡电路、Sink节点(汇聚集点)和供电电路组成[5]。组成框图如图4所示。
GSM通信模块主要是用短信方式来发送信息数据,将系统与移动通信相连接,可以实现数据不限距离的传输,在很大程度上解决了传输距离的问题。Sink节点主要是对个采集节点发送来的数据进行综合处理,一般计算量比中继节点和采集节点大[6]。GSM模块向终端发送温湿度数据信息是通过AT命令来实现。
3.4 监测模块
为了不同用户监测的需要,系统的监测系统有两种:一种是手持式监测界面,如图5所示,即在具有要求系统的手机系统中嵌入专门的监测软件来实现信息的接收和监测;另一种是终端计算机监测界面,如图6所示,串口进行通信[7],终端用户可以在计算机上查看和监测观测点的参数信息。手持式监测效果和计算机监测界面如图4-4所示。手持终端的监测程序是结合数据库知识用JAVA编写的,终端计算机监测界面用VB设计,两者都可以实现数据信息的监测并通过图形显示各个监测区域的监测信息。
4 系统的仿真测试
4.1 仿真测试所需设备
所需设备、仪器和材料如下:
前端温湿度采集模块;KM-NODE 433节点模块;GSM通信模块;串口连接线;装有专门编写设计的VB温湿度监测界面的PC机一台;手持式监测终端一个;各模块的供电电源。
4.2 仿真测试的过程的示意图
1.手持终端式监测的仿真的实物过程的示意图如图7所示
因为数据信号在传输过程存在一定的衰减,因此在距离比较远的情况下,为了传输信息的准确性,应该加中继节点,以接力的形式(如图5-1)实现数据的有效传输[5]。接力节点只对数据进行透明传输,不进行处理数据,功耗比较低。系统中数据传输格式为7e+数据长度+数据(7e是字头)。
2.计算机终端监测仿真的显示界面如图8所示
4.3 仿真测试结果
系统基本上实现了设计提出的各种功能,在单节点和多节点情况下触摸传感器后监测界面上的温湿度曲线会发生相应的变化,同时显示各监测点的实时数据信息,并可以调用数据库察看历史信息,终端用户发送的控制信息能通过相应的单片机引脚状态来反映。
5 结论
由于本文中系统是基于无线传感器网络,并结合了无线收发和GSM通信技术,系统能解决环境对象和数据传输距离等问题,并能在一定程度上实现自动控制。系统能实现多节点温湿度的实时无线采集和监测,满足树形、环形和星形节点拓扑结构,在工农业等方面具有广阔的应用前景。系统还具有较强的移植性,只要更换采集节点中的传感器和sink节点中的相应算法就能对其他参量采集监测。目前该系统在园林温湿度监测、大棚温湿度监测上已经得到了应用,具有广阔的应用前景。
参考文献
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数字温湿度传感器 篇5
在工业现场, 特别是那些环境因素对生产过程影响比较大的车间, 对现场环境因素的监测很重要, 而随着工业自动化的迅速发展, 工业以太网在工业中应用的普及, 它能使用户对现场的一些环境因素实现一个远程的监测, 突显其便利性和适时性。本系统就是基于SHT75温湿度传感器, 利用工业以太网技术, 实现对工业现场的温湿度的远程监测。
温湿度测量的系统设计
在工业现场中使用温湿度传感器, 为了达到远程监测的目的, 就少不了与工业以太网或其它工业现场总线网络相连, 本系统就利用工业以太网技术, 由传感器S H T 7 5采集工业现场的温湿度, 经过CPU处理, 通过工业以太网进行通信, 实现上位机对现场环境温湿度的数据采集、监测。
本温湿度测量系统包含了微处理器 (C8051F120) 、存储器、传感器模块、网络通信接口、串口通信等重要组成部分。在该设计中, 电源使用了以太网供电设备, 该设备除了用于网口通信, 还提供设计中所需要的电源。该电源经过电平转换, 为微处理器、存储器、传感器模块等提供所需的+5 V和+3.3V电压。微处理器C8051F120通过I/O口与传感器模块进行数据交换。温湿度测量系统的硬件框图如图1所示。
处理器C8051F120
C8051F120是美国Cygnal公司的一款控制芯片, 它使用Silicon Lab的专利CIP-51微控制器内核, 具有64个数字I/O引脚、片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器, 它使C8051F120器件成为真正能独立工作的片上系统;FLASH存储器具有在系统重新编程能力, 可用于非易失性数据存储, 并允许现场更新8051固件;片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式 (不占用片内资源) 、全速、在系统调试, 该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器, 支持断点、观察点、单步及运行和停机命令;它能在工业温度范围 (-45℃到+85℃) 处工作, 这些完全满足在工业现场使用的要求。
微处理器部分的设计包含系统硬件的启动与复位、地址总线、数据总线的分配和定义、与外设传感器的连接等;系统由外部的2 2 M钟振作为时钟源向C P U输入时钟信号;复位电路由10μF的电容、10K电阻组成低电平复位电路, 该复位电路可实现上电低电平自动复位。
传感器模块
SHTxx系列单芯片传感器是由瑞士Sensirion的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件, 并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。SHTxx采用串行接口, 它的分辨率可以根据对现场的采集速率而进行调整, 一般情况下默认的测量分辨率分别为14bit (温度) 、12bit (湿度) , 如果在高速采集中就可分别降至12bit和8bit, 温度的量程范围:-4 0~1 2 3.8℃, 湿度的量程范围:0~100%RH。它操作比较简单, 只需用一组“启动传输”时序, 就能实现传感器数据传输的初始化, 同时, 在测量和通讯结束后, SHTxx会自动转入休眠模式, 这大大的减少了功耗。我们选择的是SHT75, 它的结构框图如图2所示。
S H T 7 5与微处理器的连接, 是通过C8051F120的两个I/O口来分别与传感器S H T 1 0的S C K引脚和D A T A引脚相连, 来实现数据的交换;VDD与3.3V电压相连。为避免信号冲突, 微处理器应驱动DATA在低电平, 所以还必须在I/O电路中, DATA引脚上加上一个上拉电阻将信号提拉至高电平, 用一个10KΩ的电阻接至3.3V电压。
网络通信接口
在设计中采用网络接口将温湿度传感器接入工业以太网, 数据由以太网传递到上位机中, 实现工业现场的设备和上位机的通信。网络隔离器采用的是HR61H50L, 网卡芯片使用的是RTL8019AS。
RTL8019AS是REALTEK公司的高度集成以太网控制器, 它能够简单的解答即插即用NE2000兼容适配器, 这种适配器具有二重和功率下降特性。通过三电平控制特性, RTL8019AS是对网络设备GREEN PC理想的选择。全二重功能能够模拟传播和接收在双绞线到全二重以太网交换机。这个特性不仅使带宽从10到20MBPS, 而且避免了由于以太网频道争夺特性导致的读出多路存取协议的问题。为了提供完全解决即插即用方案, RTL8019AS集成10BASET收发器、B N C和A U I接口之间的自动检测功能。此外, 8条IRQ总线和16条基本地址总线为大资源情况下提供了宽松的环境。RTL8019AS用16k字节SRAM设计在单片芯片上, 它的设计不仅提供了更友好的功能, 而且节省了SRAM存储资源。RTL8019AS的地址总线S A[7:0]与数据总线S D[7:0]分别与C8051F120的地址/数据总线相连。
电源
电源采用的是以太网供电设备, 该设备采用符合802.3受电设备标准, 输出标准的+24V, 经过LM2576-5 (Motorola生产) 和AS1117-3.3 (ALPHA生产) 电源芯片, 电平转换后, 输出温湿度测量系统中的微处理器、存储器、网卡芯片和传感器模块上所需的5V和3.3V电源。
软件设计
主程序结构主要由CPU与S H T 7 5之间的数据传递和传感器与上位机的数据传递并在上位机显示两部分组成。在数据传递部分, 首先需要对CPU与SHT75对应I/O口以及相关寄存器的初始化, 然后通过CPU发送命令启动数据的传输, 之后, 传感器开始进行信号的采集和数据的交换, CPU对数据进行处理, 当进行完一次采集和传递后, 再通过通信复位来循环工作;在上位机显示部分, 只需找一入口地址, 把CPU处理好的数据传给上位机, 再通过EPA组态软件来对数据进行客观的显示。程序结构如图3所示。
在本系统数据传递过程中, 主要经过的是启动传输、字节的读与写、状态寄存器的读与写、最终数据的读取和通信的复位几部分。下面列出温湿度数据的读取程序的部分代码:
温湿度传感器在工业现场中的应用
图4是一个网络拓扑图, 设备挂在集线器上, 集线器在给温湿度传感器供电的同时, 还对传感器采集的数据信息进行传递;集线器通过工业以太网来与上位机相连, 数据信息就通过工业以太网传送到上位机。通过上位机用户可以远程监测现场的温度与湿度。
在工业现场, 此设备是直接通过工业以太网的有线网络进行数据传输的, 通过在重庆重钢集团的一个月试用结果来看, 它的稳定性和精确度满足要求。图5是在重庆钢铁集团中板厂监测室的监测界面。
图5是一监测曲线图, 通过直观的曲线图来显示工业现场的温湿度变化, 它具有报警功能, 用户可以根据现场的具体要求自主设定上限与下限, 当温湿度值超过限制时, 就会显示红色, 并闪烁不定, 以示报警。
结语
在重庆钢铁集团中板厂持续高温车间里的使用效果来看, 传感器的测量精度基本保持稳定, 根据监控室人员的反映, 监控界面所显示的数据与车间实际数据误差很小, 并且它能适时性的显示车间的温度与湿度, 刷新速率很快, 满足设计要求。
但是工业现场一般环境比较恶劣, 在使用过程中发现, 设备自身的发热量以及长久使用对自身的损耗直接影响着传感器对外界环境因素的灵敏度, 所以, 怎样使传感器模块拥有更好的灵敏度、更低的功耗、更广的工作范围, 这些对硬件设计和软件优化提出了更高的要求。
参考文献
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数字温湿度传感器 篇6
1 基于无线传感网的温湿度系统
基于无线传感网的温湿度系统整体结构图如图1所示, 主要分为三个部分, 即数据采集部分、远程通信部分、信息监测发布部分。其中数据采集部分主要由基于Zig B ee协议的无线传感网组成, 远程通信部分通过将Zig B ee网络接入到G PR S的远程传输方式而实现, 信息监测发布部分主要是指终端服务器, 主要包括数据库、信息管理中心、信息发布平台。
1.1 数据采集部分
传感器节点是无线传感器网络的基本单元, 它主要负责传感和信息预处理, 响应上位机的指令和接收/发送数据。传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块是传感器节点的重要组成部分。
而本模块采用的Zig B ee协议是一种具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全和免执照频段的灵活的双向无线通信技术。
1.2 远程通信部分
基于无线传感网的温湿度系统在远程通信部分采用了G PR S远程通信技术, 将采集到的数据上报给数据集中器, 数据集中器通过R S485接口上报数据给PC。原因是:G PR S即“通用分组无线业务” (G eneral Packet R adio Service) 是一种新型分组数据传输技术, 它的发展是基于现有的G SM网络。具有通信质量可靠、误码率低、建设周期短、安装调试简单方便等优势。
1.3 数据发布部分
基于无线传感网的温湿度系统的数据发布部分用到数据库技术。监测者只需通过安装在客户端的浏览器发送监测信息到服务器, 服务器在接收到采集的温湿度数据后调用相应数据库, 将采集到的信息以文本、图像、表等形式在W EB页上显示。
2 实验结果及分析
本实验的系统采用星型网络拓扑结构, 将温湿度数据采集节点放置在户外的三个地方, 将温湿度数据汇聚节点放置在距离温湿度数据采集节点10m处, 每隔5秒钟采集一次数据, 通过Zig B ee+G PR S网关实现数据上传至互联网服务器, 使用飞比公司已经搭建好的“飞云服务器”, 作为数据的云端存储, 用“飞比物联网浏览器”作为监控终端, 将服务器上保存的传感数据下载至监控端, 以图形化的界面进行显示。
在实验1小时的过程中, 温湿度数据采集节点每5秒钟采集发送一次温湿度数据, 数据采集节点1和2、3共采集发送720条温湿度信息记录, 在远程上位机监测端共接收到686条温湿度信息, 传输准确率达95.28%, 基本满足系统要求。
3 结论
实验结果表明, 本文把基于Zig B ee网络和G PR S技术的温湿度系统应用到环境监测中, 系统数据传输可靠, 实时性好, 可实现无人环境温湿度远程监测, 从而节省大量人力和物力, 对农业的发展具有一定的指导意义。
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一种土壤湿度传感器的研制 篇7
关键词：土壤湿度,变送电路,正交试验,标定
0 引言
土壤湿度是作物生长的重要条件。土壤湿度传感器的研制将加速种植科学化,它与温、光、酸、盐等传感器配合,再与计算机联接,能对作物生长状况进行分析研究,从而控制作物生长在最优状况下。土壤湿度的检测十分重要,目前国内外对土壤湿度测定的方法主要有电阻法、电容法、γ射线法、TDR法、土壤张力法、石膏法和红外遥感法等[1]。检测仪器(如TDR等)测量精度高,但成本也高,且操作复杂,转换成电信号困难。本文采用电阻法设计的土壤湿度传感器结构简单、操作方便、成本低,并易于转换成电信号,在一定范围内可保证测量精度。这种实用性较好的土壤湿度传感器能方便地经A /D转换后与微型计算机接口进行土壤湿度的自动检测和控制,组成喷灌自动控制装置,从而对作物进行合理灌溉。
1 基本设计原理
土壤属于多孔介质,由固、液、气相3部分组成。物理学的电流电压定律,也适用于土壤中。土壤的气相和固相可以认为是介质,而土壤中的水却不是纯水,可以导电。如果将两个电极埋入土中固定不动,即两电极间的固相固定不变,则土壤中电阻率的改变主要是由土壤中液相的多少决定的。电阻率是反应土壤湿度的电参数,因此采用电阻法研制了土壤湿度传感器[1]。近年,人们不用直接测定电阻推求土壤湿度,而是采用线性放大原理测定土壤的电压来计算土壤湿度。这样利于输出的电压模拟信号经A /D转换后输入计算机,从而进行自动控制。
2 土壤湿度传感器设计
2.1 设计依据
湿度测量范围为0~35%(土壤干质量含水率),湿度分辨率为1%,湿度测量精度为2%,测量深度为5.0~15.0cm,输出电压为0~5V,响应时间<15s。适用范围为粘土、壤土、二合土和沙壤土,测量方式为实地速测。
2.2 结构设计
土壤湿度传感器由两根铜合金探针[2]组成,探针直径为5mm,探针间距和长度由正交试验确定。图1为土壤湿度传感器的尺寸和结构图。
1. 上外壳 2.下外壳 3. 防水层 4. 探针
3 变送电路设计
应用LM324四运放集成电路设计了变送电路。阻抗式湿度传感器的非线性大,但其阻抗的对数与相对湿度成线性关系,因此必须设计线性化处理的电路及温度补偿电路。同时,为了使加在土壤湿度传感器上的信号源为交流,设计了矩形波发生器,产生一定频率[3]和幅值的振荡信号,作为湿度传感器的工作电压。该电路的优点是充分利用了LM324运算放大电路的集成功能,模块紧凑高效。其电路原理图如图2所示,各功能模块如图3所示。
4 设计中有关问题的讨论
4.1 探针的结构与材料
土壤湿度传感器的结构有两种:一种是圆柱状探针结构(如图2所示),一种是板片状探针结构。板片状探针结构表面积大,插入土壤易变形,采用直流电源时极化现象严重;柱状结构强度好,适用于不同硬度的土壤,因此,本设计采用了柱状探针结构。
探针材料常用的有不锈钢、铜合金和石墨等。它们的共同特点是既有导电性,又有耐蚀性。金属导体易被腐蚀,铜合金的耐蚀性比不锈钢好,石墨耐蚀性好但强度差,导电性不如金属好。经试验比较,采用铜合金作为探针的电极材料,并做一定的处理之后再使用。
4.2 传感器几何尺寸的确定
4.2.1 实验步骤与目的
首先,测定土壤含水量w%;然后,确定土壤含水量w%变化时,输出电压变化最大条件下两探针之间的最优距离,从而确定探针间距和尺寸。
4.2.2 实验仪器设备
电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9140A,控温精度为0.1℃)、应变式称重传感器(YZB-1C/2kg,精度等级为0.05)、称重显示仪(T3805,读数精度为0.5)和电子精密天平(JA5002,精度为10mg)。
4.2.3 实验设计方法
采用常规烘干法称重技术[1],把土样放在烘箱中,并保持温度在105~110℃的情况下烘至恒定质量,由失水质量和干土质量求出土壤含水率。此法简单易行,广泛运用,有足够精度,比快速烘干法好。实测同一块油菜田的不同湿度,得出了3组数据,如表1所示。
注:1) 取土日期为2006年10月20日,取土地点为西农油菜田;2) 同样的实验条件重复3次,允许平均误差不得大于1%,取算术平均值。
1) 土壤含水率的测定方法有多种,这里采用常规烘干法中精度较高的烘箱干燥法进行干土质量含水量计算,公式为
undefined
式中 w— 土壤含水率(占干土质量百分比%);
G1— 盒+湿土质量(g);
G2— 盒+干土质量(g);
G0— 盒质量(g)。
测定记录数据和计算结果如表1所示。
2) 确定探针间距采用正交实验设计法[4]。为避免因子水平选偏,在前期实验的基础上选两探针间距、土壤含水量及探针插入土壤深度作为实验因素。这是因为适宜的探针间距能使土壤含水量变化时的电压变化值最大。因此,选取因子为探针间距、土壤水分和插入土壤深度;选取因子水平为三水平,空列为误差,即四因素三水平标准正交实验,其试验结果如表2所示。
4.2.4 实验结果及其分析
使用SPSS软件进行极差和方差分析可知,土壤含水量的变化对土壤湿传输出电压变化影响最为显著,且含水量为16.8224、土壤深度为150mm、探距为15mm时为最优组合。因此,确定探距为15mm,深度为150mm。探针尺寸结构如图1所示。
4.3 变送电路波形、频率及工作原理
LM324-1为电压跟随电路,其输出电压不受后级电路阻抗影响,保证了精确的电压输出。由于水分子为极性分子,在直流电存在的情况下,会电离与分解,从而影响导电与元件的寿命。考虑探针电极不受极化腐蚀,需要加在土壤湿度传感器上的信号源为交流。 LM324-2为矩形波发生电路,产生频率约为1kHz、幅值为3.36V的低频矩形波信号,即
undefined≈1kHz
其中:R4=39kΩ,R3=R5=30kΩ,C1=0.01μF。通过波形发生电路输出低频矩形波信号后,以在土壤湿度传感器上得到一个随水分含量变化的交流电压信号。LM324-3是利用硅二极管正向电压-电流成对数特性的对数变换电路,它采用了具有温度特性的硅二极管,能对传感器起到温度补偿作用。同时,调节电位器能获得较好的温度补偿,其输出电压将随相对湿度的增加而增大。该输出电压经电容滤波再经运算放大器LM324-4对温度补偿的湿度电压信号进行放大。
用Multisim软件[5]对已设计好的变送电路进行仿真,调节电阻与电容值等,对输出电压波形和幅值等进行调试,使模拟电压输出在0~5V的范围内,再进行电路板的制作。
4.4 传感器的标定
土壤湿度传感器湿度-电压试验数据如表3所示。用MATLAB软件对土壤湿度传感器进行标定,用14次测量数据覆盖土壤湿度变化的全量程,选多项式回归模型,即
η=b0+b1x+b2x2+bmxm+ε,ε~N(0,σ2)
为了找出使误差的平方和undefined最小、R2较大的多项式,决定采用四次多项式。用MATLAB编程进行曲线拟合[6],得到代表此湿度传感器的最佳回归曲线和最优回归方程,如图4所示。对得到的回归方程和回归曲线进行分析,其中可决系数R2=0.9159较大,剩余标准差RMSE=0.1892较小,因此将f(x)=-0.0000116x4+0.001171x3-0.04278x2+0.6167x-0.09824作为最终的标定结果。
响应时间的标定:将传感器插入干土壤中,接通工作电源和数字万用表, 将传感器快速拨出插入湿土壤中;启动记时表,并观测万用表的显示值直至稳定,停记时表,所需时间为上升过程响应时间,反之为下降过程响应时间。通过实验测量可知,响应时间都小于15s。
W/%
5 结束语
由标定结果将输出的电压模拟信号经A /D转换后,输入计算机进行自动控制,从而为与计算机联接提供了方便。本传感器的关键是传感器的结构设计和变换电路选择,信号源应选在最佳频率范围内。使用该传感器的喷灌自动控制装置经过1年多的试运行,符合原技术要求。此外,还可对不同土壤的温度和密度进行应泛标定,以减少其影响,扩大应用范围。
参考文献
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数字温湿度传感器 篇8
目前, 烟企仓库的温湿度监控主要采取有线抄表形式, 有线抄表存在布管穿线施工周期长、工程安装成本及维护成本高、系统的扩展升级和与其他网络的兼容等问题[1]。为解决此类问题, 介绍一种基于无线传感网络的仓库温湿度监测系统的设计方案, 系统采用无线通信技术和计算机网络等技术自动读取和处理表计数据, 具有准确、实时性高、施工周期短、扩展性强、维护性好等特点。
1 系统工作原理和设计方案
系统采用Zig Bee的无线数据传输技术, 把温湿度数据收集到一个数据集中器中。然后借助GPRS远程无线通信技术, 把获得的数据信息送到数据管理中心。同时, 数据管理中心可访问和控制任何一个在Zig Bee网络中的设备, 来实现远程控制、监测功能。考虑到虑网络的节点功耗、覆盖能力、网络稳定性等问题, 系统的网络拓扑结构选取为簇树型拓扑结构[2]。系统工作原理如图1所示。
系统包括数据管理中心、数据集中器、数据采集器和用户终端4部分。其中, 数据管理中心的功能主要包括系统管理、数据中心控制、远程抄表、数据查询、报表管理和帮助等, 所有系统命令都由它发出。数据集中器是整个网络的发起者, 管理整个网络, 担当Zig Bee网络中的协调器的角色, 主要任务就是收集数据采集器发出的数据, 存储本地, 经过处理后, 通过GPRS网络把数据发送到数据管理中心, 同时接收和解析从管理中心传来的命令信息, 来控制整个Zig Bee网络。数据采集器实际上是用户终端和数据集中器中间的一个桥梁, 主要功能是把用户终端的数据传送给数据集中器, 并且当接收到上层的命令时, 数据采集终端能够向用户终端发出抄表或者断电的命令;用户终端要能够实时记录各自的数据, 并存储于EEPROM里面, 当数据中心发出抄表命令时, 用户终端将各自存储的数据从EEPROM里面提取出来, 通过Zig Bee网络发送给数据采集器, 用户终端主要完成用户数据的计算、存储和与上层通信[3]。
2 系统硬件设计
硬件方面, 电路主板主要包括一个Zig Bee无线通信模块和一个脉冲信号采集器。Zig Bee无线通信部分, 使用ATmega88V CC1100来实现。信号采集器部分, 主要通过CPU的通用外部中断来采集脉冲信号, 当有水、电、气经过仪表时, 仪表转动产生脉冲, 脉冲信号唤醒CPU进行计数的运算。由于居民用水、用电用气具有明显的间歇性, 通过脉冲信号唤醒机制使CPU大部分时间处于休眠状态, 极大地降低了能耗[4]。
2.1 无线传感器节点设计
无线传感器节点 (即Zig Bee节点) 的基本硬件功能模块主要由数据采集模块、数据处理模块、通信模块和电源模块组成Zig Bee节点的系统框图如图2所示。节点的微处理器采用ATMEL公司的ATmega88V AVR单片机, 射频芯片选用Chipcon公司的CC1100。另外节点配备串口与PC通信, 实现数据的透明传输与测试实验。蜂鸣器与发光二极管用于提示数据的接收与发送。为方便测试节点性能, 在实验阶段, 数据采集模块可直接用输入脉冲信号替代[5]。
2.2 无线通信模块设计
无线通信模块用于传感器节点之间和传感器节点与汇聚节点之间进行数据通信。无线传输方式的最大优点是无需手工布线。本设计选用TI/Chipcon公司的CC1100芯片作为收发前端。无线通信模块的设计主要在于无线通信电路的设计, 如图3所示。CC1100通过4线SPI总线接口 (SI、SO、SCLK和CSn) 实现与单片机通信, CC1100工作在SPI的从模式, 该模式同时用作写缓存数据。SPI接口上所有操作都包含一个读/写位, 一个突发访问位和一个6位地址的头字节。地址和数据转换时, CSn引脚 (低电平有效) 必须保持低电平。如果在转换过程中CSn变为高电平, 则转换取消。当CSn变低, 在开始转换头字节之前, MCU必须一直等待, 直到SO引脚变低。SO变低表明电压调制器已达到稳定, 晶体正在工作中。除非器件处在SLEEP或XOFF状态, SO引脚在CSn变低之后总会立即变低。
2.3 并口下载线设计
根据接口的不同, AVR ISP程序下载线可分为串口、并口和USB接口下载线。相对而言, 并口下载线具有制作简单, 工作稳定等优点, 因而本次设计所制作的下载线选用并口AVR ISP下载线。AVR ISP并口程序下载线电路如图4所示, 为了解决计算机与TTL电平匹配的问题, 利用芯片74HC244或74HC373的驱动作用, 同时芯片的隔离作用对电脑的并口也起到保护作用, 避免单片机板上的线路问题把电脑上的并口烧坏。经实验测试, 制作的AVR ISP并口下载线使用稳定、可靠。
3 系统软件设计
软件方面, 通过对Zig Bee协议栈的操作, 实现网络节点间的Zig Bee无线通信。监控中心需要把来自下位机的监控信息上传到上位机, 也可以处理来自上位机的命令。另外, 也可以考虑把系统的扩充作为软件设计的延伸部分, 便于系统节点的扩充。
3.1 网络的构建
无线抄表系统希望网络是动态生成的, 即是自组织的, 自管理的。网络中的各个节点加入或退出整个网络, 网络的拓扑结构自动形成, 不需要人工的干预。本网络设计时参考了Ad Hoc网络的结构思想, 网络层需要实现以下功能:任何一个节点在上电工作后都能够自动加入网络, 即自动找到自己的父节点;任何一个节点的表计数据经过有限跳的转发能够到达协调器;任何一个节点在因为某种原因离开网络的时候, 整个网络能够自动愈合, 即原来通过该节点转发数据的节点能够找到新的父节点作为转发数据的途径。本网络结构为簇———树形拓扑结构, 如图5所示。
3.2 协议设计
终端软件的主要功能是加入到现在的网络中、读/写仪表的数据、并接收Zig Bee网络上传来的数据和命令, 然后根据命令去操作仪表。终端设备软件执行的是一个无限的循环, 如图6所示。在这个循环中, 只处理硬件中断一种事件。操作和应答中断过程中, 把中断分为3种类型, 网络中管理信息的中断, 网络中数据信息的中断以及硬件的中断。首先要判断属于哪种类型, 然后给出相应的应答信息。
协调器节点是Zig Bee网络的核心, 一方面担任起网络协调器的角色, 另一方面还要完成与数据管理中心的通信。首先系统开始启动;初始化所有的硬件和软件, 并组织以自己为协调器的网络;初始化网络的深度等网络有关的信息, 并定时发送信标帧。随后进入循环检测和处理过程, 查看是否有中断信息的到来, 如果有来自网络中某一节点发送的数据中断, 则对此数据进行整理, 然后发送给GPRS模块, 通过GPRS网络发送到远程的数据中心, 并且给网络中源节点确认信息。如果这个中断是来自网络中管理信息的中断, 例如, 一个节点申请加入到该网络当中, 则根据整个网络的容量, 给出相应的应答信息。数据采集终端节点的程序流程与图6相同。
协调器节点与数据中心之间具体的通信:协调器节点要把数据发送到远程的数据中心, 先是通过串口用AT命令集把数据发到GPRS模块, 由GPRS模块完成数据的发送。当GPRS模块接收到数据, 会通过串口, 以中断的方式告知, 通知控制器来处理数据。
3.3 数据采集器与数据集中器的通信
一般情况下, 把数据集中器设置在住宅小区统一管理的区域内。在数据采集器和数据集中器之间, 为了保证的数据传输的可靠性和抗干扰的能力, 制定严格的通信协议是非常重要的。
数据采集器与数据集中器之间的通信协议采用RS-485总线通信标准。RS-485接口在一个通道上可进行半双工通信, 所以只需两根线便可双向通信, 也可方便地构成一点对多点或多点之间的相互通信网络。而网络总线一般使用双绞线。数据集中器通过与数据采集器之间的专用导线接收终端仪表数据, 按一定的规约打包后, 再将数据经专线传送给集中器加工储存, 然后由集中器传输给数据监控中心。采用这种传输方式, 数据集中器距离采集器不能太远。一般情况下, 将数据采集器安装在集中器附近。
3.4 数据集中器与数据中心的通信
自动抄表系统的数据集中器与数据中心之间的通信, 主要是数据集中器和数据中心的无线Modem模块之间的GPRS通信, 采用的是中心对多点的通信方式, 因此, 数据中心需要有一个固定的IP地址。这种技术的优势主要体现在两个方面:实现了用户数据与无线网络资源的最佳结合;实现了IP协议的透明传送。当下位机需要与远程数据监控中心通信时, 只需将数据交给相应的模块封装成IP包发送给数据集中器, 再由它来发送给GPRS网络。数据集中器也可以随时接收来自数据监控中心对下位机各设备的控制命令。
3.5 数据传输流程
本设计采用数据监控中心主动请求、终端仪表被动响应的方式完成数据在Zig Bee网内的传输。数据传输流程如图7所示。
远程工作人员操作监控主机发送对用户终端仪表使用状况的请求查询命令, 该命令通过GPRS网络传送至网关设备 (数据集中器) , 网关设备根据收到的命令查看路由表选择目的协调器, 目的协调器对隶属于它的簇网络支路进行通信广播, 唤醒需要查询的簇的簇首即数据集中点, 簇首再向本簇成员节点广播, 激活休眠节点进行数据通信;节点采集数据后发送到簇首, 簇首进行数据合成处理后沿原路反馈给数据监控中心。如果未发现目的网络协调器或者与之通信失败, 丢掉该数据包并产生报告信息返回给监控主机存档。系统中的绝大多数节点处在休眠状态, 以节省能量, 延长网络生存期。
4 结束语
文中基于无线传感网络的卷烟企业仓库温湿度监测系统, 采用ATmega88V单片机和CC1100射频芯片实现系统的无线通信, 利用数字式温湿度传感器SHT11作为检测元件, 不需专门架线, 系统结构简单。同时, 系统的网络拓扑结构选取为簇树型拓扑结构, 可降低节点功耗, 覆盖能力和网络稳定性提高, 保证了烟叶、卷烟成品仓库温湿度环境监测的准确性。
摘要：一种基于无线传感网络的仓库温湿度监测系统, 具有准确、实时性高、施工周期短、扩展性强、维护性好等特点。
关键词：无线传感网络,仓库,温湿度监测
参考文献
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