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半自动花卉大棚农业智能传感器的开发原理

作者:温室大棚厂家 发布于:2020/6/28 22:39:27 点击量:

目前,用于获取半自动花卉大棚设施农业生理生态信息的主要手段是利用电子技术研究开发相应的智能传感器,将生理生态信息的模拟信号转化为可以用于存储和处理的数字信号。21世纪最具代表性的一项高新科技成果是智能传感器,智能传感器是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器,其主要特征是,将传感器监测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起,具有一定的人工智能作用。

图:半自动花卉大棚内的智能温湿度传感器

作为信息采集系统的前端,传感器是一种能把特定的(物理、化学、生物)信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。国家标准GB/T7665-87《传感器通用术语》对传感器的定义如下:能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。目前,智能传感器是当前传感器的发展趋势,从其功能来说是具有一种或多种敏感功能,能够完成信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯,内部可实现自检、自校、自补偿、自诊断、具备以上部分功能或全部功能的器件。从使用角度来看,智能传感器能够满足准确度、稳定性和可靠性的要求。智能传感器硬件组成框架结构如下图所示。

1、敏感元件

目前,半自动花卉大棚设施农业用到的传感器可测量如温度、湿度、光照、C02、EC、pH等项目,电气方面涉及的信号输出有电压、电流、电阻、电容等模拟信号或者脉冲、频率、开关量及标准协议的Onewire、IIC、SPI的数字信号,智能传感器需要将这些信号进行调理或转换,方便最终用户的使用。不同功能传感器敏感元件的选择在以后的具体传感器研制中将予以介绍。

2、输入端补偿保护

传感器相距调理电路的位置在选择合适的接口和降噪电路方面起着关键作用。当传感器与其信号调理电路相对较远时,通常会给电路引入噪声,则需用差分测量方法来消除噪声。

差分放大器的高CMRR可以降低噪声。但是,还需要接地、屏蔽电缆和电磁干扰/静电放电(ElectromagneticInterference/Electro-StaticDischarge,EMI/ESD)滤波器来防止噪声影响测量的准确度。

3、倍号调理

信号调理是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量,如温度、压力、力、流量、运动、位置、pH、光强等。通常,传感器信号不能直接转换为数字数据,这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化,因此,在变换为数据之前必须进行调理。调理就是放大,缓冲、定标模拟信号及滤波,使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后,ADC对模拟信号进行数字化,并把数字信号送到微控制器或其他数字器件,以便用于系统的数据处理。

4、模数转换

模数转换是将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的技术,模数转换包括采样、保持、量化和编程四个过程。采样就是将一个连续变化的信号x(t)转换成时间上离散的采样信号:x(n)。根据奈奎斯特采样定理,对于采样信号x(t),如果采样频率f(max)大于或等于2f(max)[f(max)为:x(t)最高频率成分],则可以无失真地重建恢复原始信号工x(t)。实际上,由于模数转换器器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响,采样速率一般取fs=2.5f(max)。通常采样脉冲的宽度t(w)是很短的,故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化,需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间,这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样位号转换成离散时间、离散幅度的数字信号,量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的,则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些足合并进行的,例如,采样和保持就利用一个电路连续完成,量化和编码也是在转换过程同时实现的,且所用时间又是保持时间的一部分。在传感器信号转换中最常用的是积分型、逐次逼近型、∑-△型模数转换器,随着芯片集成度的提高,很多微处理器将A/D转换器集成到单个芯片中为信号的转换带来了便利。

5、微处理器

微处理器负责控制智能传感器各部分器件的工作,并对数字信号进行处理,可通过校准每一个系统来校正传感器误差。这可在硬件(如数字电位计)或固件(如在非易失性存储器中进行常数校准)上完成,其他的环境参数也可能需要校正。例如,电容式湿度传感器可能需要进行温度校正。这通常在固件屮最易实现,但也可以用硬件来实现。非线性传感器需要额外的校正。查表法和分段线性插值法是对非线性传感器常用的校正方法,其中分段线性插值法把曲线看作若干段首尾相连的直线段,根据每段直线的斜率来求算该线段所在区段内的数据值。相邻两个线段的接点称为标定点。

6、通讯处理电路

为了满足传感器能够适应通用的采集器,需要将信号转换为标准的电压(0-5V、1-5V),电流信号(4-20mA)、RS485、CAN等现场总线、以太网、无线信号(Zigbee、射频),方便不同的使用环境:4-20mA输出,目前智能传感器系统本身都是数字式的,但其通信规定仍采用4-20mA的标准模拟信号,目前常用电流输出芯片是AD694、XTR系列、AM系列,还有部分采用运放进行转换;Modbus通讯协议,当底层通讯采用RS485/工业以太网/无线方式,采用工业标准Modbus协议,实现多传感器的多点远程测量通讯,通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信,已经成为通用工业标准,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控;无线传感器网络,无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术,能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,处理后的信息通过无线方式发送,同时以自组多跳的网络方式传送给观察者,是具有大规模、无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络。

7、电源处理及隔离防护

由于智能传感器系统大都是嵌入式系统,使用现场电源环境干扰比较严重,很多产品因为没有考虑保护而受到严重破坏。雷击、电源浪涌波动、静电、电磁干扰等现象都能够对传感器产品造成致命打击。在电源设计、通讯接口及对外接口需要进行严格的防护,无线设备需要配防雷器、避雷针等。


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