【正文】 20%，檢測(cè)前需預(yù)熱大約 12h，因?yàn)樗鶕?jù)電解質(zhì)原理設(shè)計(jì)的傳感器，所以為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，預(yù)熱時(shí)間越久越好， CO2 采集電路原理圖如圖 34 所示。傳感器外圍的電阻、電容的值都已經(jīng)配置好，光照采 集電路原理圖如圖 33 所示。 光照采集電路設(shè)計(jì) 光 照采集部分使用了 NH203T 傳感器，該傳感器工作電壓范圍為 ~24V，測(cè)量范圍為 0~300000lx，線性度為 177。 +12V 1 VDD 2 PC1 OUT 1 3 PA6 OUT 2 4 GND GND 圖 32 土壤溫度含水量采集電路原理圖 The circuit principle diagram of water content and temperature acquisition in soil 17 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 其中 OUT1 輸出土壤溫度， OUT2 輸出土壤含水量，溫度換算關(guān)系 T ? 60 ? U ? 40 (34) 式中： T 為當(dāng)前輸出溫度值，單位是 ℃ ； U 為測(cè)量電壓，單位是 V； 60、 40 為 常數(shù)?！?，該傳感器特點(diǎn)是抗腐蝕性能好，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快， 防水且可長(zhǎng)期埋入土壤中使用，采用優(yōu)質(zhì)的鋼針材料，可經(jīng)受住土壤中的酸堿腐蝕，承受較強(qiáng)的外力沖擊，適用于多種土質(zhì)，具備電源反接保護(hù)功能。 土壤中采集溫度、含水量的傳感器是 NHSF48 土壤水分傳感器， NHSF48 土壤水分傳感器是通過測(cè)量體積百分比來(lái)得出土壤水分含量的，模 擬輸出，電壓輸出范圍為 0~2V，工作電壓是 5~24V，土壤水分測(cè)量量程0~100%，土壤水分測(cè)量精度為 177。 表 32 溫度補(bǔ)償系數(shù) Table 32 Temperature pensation coefficient SORH t1 t2 12bit 8bit 如濕度測(cè)量值完全飽和那么濕度值高于 99%，此時(shí)濕度值就是 100%。 表 31 濕度補(bǔ)償系數(shù) Table 31 Humidity pensation coefficient SORH C1 C2 C3 12bit － 4 － 106 8bit － 4 － 104 當(dāng)濕度傳感器溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)際測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn) 25℃ 相差較大時(shí)，需修 16 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 正濕度傳感器的溫度系數(shù) RH ture ? (T ? 25) ? (t1 ? t 2 ? SORH ) ? RHlinear (32) 式中： RHtrue 是濕度測(cè)量值； 25 是溫度值，單位是 ℃ ； t1 和 t2 是溫度補(bǔ)償系 數(shù)。因?yàn)闇囟葘?duì)濕度有很大的影響，所以需要對(duì)濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，該傳感器與微處理器之間的通信采用單總線數(shù)據(jù)格式，測(cè)量分辨率為 16bit，傳感器的采樣周期不低于 2s，在連接硬件電路時(shí)，信號(hào)線接 3k 的上 拉電阻，目的是提高信號(hào)的質(zhì)量，空氣溫濕度采集原理圖如圖 31 所示。并分析了 ZigBee 無(wú)線通信的技術(shù)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中 ZigBee 的參數(shù)設(shè)置以及分別在學(xué)校內(nèi)和高速公路上對(duì) ZigBee 傳輸距離的測(cè) 試，為后續(xù)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程奠定了理論基礎(chǔ)。 圖 24 校內(nèi)測(cè)試 ZigBee 傳輸距離 Testing ZigBee transmission distance in school 校內(nèi)實(shí)驗(yàn)后，又在基本無(wú)障礙物的空曠地點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，如圖 25 所示，得出傳輸距離大約為 1500m 左右，也未達(dá)到理論視距 2021m，由于實(shí)際應(yīng)用在農(nóng)田中，基本不存在障礙物，再利用中繼通信，擴(kuò)展傳輸距離，達(dá)到大面積監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的目的，所以本系統(tǒng)使用的 ZigBee 模塊可是基本滿足系統(tǒng)要求。接口是 485 參數(shù)設(shè)置界面如圖 23 所示。本文用到的兩塊 ZigBee，一塊 ZigBee 模塊與上位機(jī)相連，它的接口為 232，節(jié)點(diǎn)類型是終 端節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)類型采用星形網(wǎng)，地址編碼是 ASCII，發(fā)送方式采用主從方 12 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 式，波特率是 9600Hz，數(shù)據(jù)源址是不輸出，具體 232 模塊的參數(shù)設(shè)置界面如圖 22 所 示。 ZigBee 的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的精細(xì)農(nóng)業(yè)多參數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的 ZigBee 模塊，由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。因此通過 ZigBee 技術(shù)組起的網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，本文選用星形網(wǎng)絡(luò)但以后儀器投入使用為了穩(wěn)定性和可靠性，也可拓展為網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)選擇的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)并不復(fù)雜，星形網(wǎng)便能滿足要求，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，出現(xiàn)故障時(shí)容易檢查并且排除障礙，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。 11 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 ZigBee 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的需要一般有最簡(jiǎn)單的適合應(yīng)用在小范圍的星型 拓?fù)?，在星型拓?fù)浠A(chǔ)上擴(kuò)展起來(lái)的通過多跳方式通信，復(fù)雜但卻更靈活并且具有高可靠性的網(wǎng)狀拓?fù)湟约盎旌闲途W(wǎng)等三種形式 [32] 。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中具有終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三種邏輯設(shè)備 類型，在整個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，多用樹形或網(wǎng)狀形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [31]，其網(wǎng)絡(luò)中心必須由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，但路由節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)，在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中。 RFD 一般都是作為通信終端，而且只能和某一個(gè) FFD 精簡(jiǎn)功能物理設(shè)備 進(jìn)行通信，并且每個(gè) RFD 之間是不能相互通信的。兩種物理設(shè)備的特點(diǎn)如表 21 所示。 ZigBee 通信設(shè)備的分類 ZigBee 技術(shù)又叫紫峰技術(shù)，是一種短距離的無(wú)線通信技術(shù) ， 該技術(shù)特 點(diǎn)是功耗低、傳輸距離短。但是為了實(shí)現(xiàn)精 細(xì)農(nóng)業(yè)的需求，此 ZigBee 需要進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，可以由 2021m 的傳輸距離進(jìn)行無(wú)線擴(kuò)展，進(jìn)而滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求，在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用。每個(gè) ZigBee 設(shè) 備同個(gè)網(wǎng)路系統(tǒng)中不能有相同地址的節(jié)點(diǎn)，并且只具有唯一的地址標(biāo)識(shí)，設(shè)備地址一般 采用 2 字節(jié)地址表示，所有設(shè)備的網(wǎng)路類型、網(wǎng)絡(luò) ID、工作頻點(diǎn)在同一通信網(wǎng)絡(luò)中必須相同，該模塊具備中繼路由和終端設(shè)備等強(qiáng)大的無(wú)線功能，最大視距傳輸距離是 2021m，采用的是 DSSS 擴(kuò)頻技術(shù)，所以抗干擾能力很強(qiáng)，串口應(yīng)用靈活，具有透明方式或指令格式傳輸，發(fā)送模式靈活，可以選擇兩種發(fā)送模式，廣播或是目標(biāo)地址，并且包括多種節(jié)點(diǎn)類 10 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 型以及多種組網(wǎng)類型。 2. 無(wú)線數(shù)傳模塊的選擇 本系統(tǒng)采用上海順舟科技有限公司的 SZ05ZigBee 無(wú)線數(shù)傳模塊，供電電壓為 5V，該系列 ZigBee 無(wú)線數(shù)傳模塊擁有 多種串口數(shù)據(jù)接口，方便使用，主要有 RS23 RS48 TTL 等三種數(shù)據(jù)接口。該處理器的特點(diǎn)是速度快、性能強(qiáng)、功耗低、價(jià)格 便宜，兼容性強(qiáng)等。 微處理芯片及其他模塊的選擇 1. 微處理芯片的選擇 根據(jù)精細(xì)農(nóng)業(yè)多參數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬 件的設(shè)計(jì)要求，并且本系統(tǒng)需利用嵌入操作系統(tǒng)來(lái)管理整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所以通過對(duì)單片機(jī)的性能、功耗進(jìn)行綜合對(duì)比之后，選擇 ARM 公司的 STM32F107 芯片作為系統(tǒng)的微處理芯片。該光電傳感器的波長(zhǎng)范圍是 400~1100nm，峰值 波長(zhǎng)為 900nm。 5. 光電二極管的選擇 光 電二極管 (PhotoDiode)是由 PN 結(jié)組成具有單 方向?qū)щ娦阅艿陌雽?dǎo)體器件，在電路中它是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電傳感器件，而并不是作整流 元 件使用。該傳感器測(cè)量范圍為 0~25%，響應(yīng)時(shí)間小于 15s，輸出信號(hào)范圍為 ~ 的電流信號(hào)。而 O2 傳感器被連接到所應(yīng)用的系統(tǒng)上是通過傳感器的兩個(gè)引腳，而兩個(gè)引腳除此功能之外還通過集電器連接著兩個(gè)電極。該 傳感器里面包含了密封容器的電極，并且是兩個(gè)，自身供電，陰極是聚四氟乙烯并且涂有活性催化劑，陽(yáng)極是鉛塊。測(cè)量范圍為 350~10000ppm，靈敏度為 44~72mV，響應(yīng)時(shí)間 ，測(cè)量精確度為在 10000ppm 下 CO2 約 ? 20%，檢測(cè)前需預(yù)熱至少 12h，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。 3. CO2 傳感器的選擇 本文選擇的 CO2 傳感器是 TGS4161 固體電解質(zhì)傳感器，它是通過兩個(gè)固態(tài)電解質(zhì)組成的敏感元件并且結(jié)合基板上的 RuO2 加熱器組成，它測(cè)試 CO2 氣體濃度的原理是通過檢測(cè)兩個(gè)電極間電壓的變化。利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化 (0~300000lx)，電壓范圍 ~24V，精確度為 ? 5%。本系統(tǒng)采用光照傳感器 NH203T 進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)、光照的采集，它是一個(gè)數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路并且具有三個(gè)量程可供選擇。該傳感器響應(yīng)時(shí)間小于 1s，土壤水分測(cè)量精度 ? ％，溫度測(cè)量量程為 40~80℃ ，溫度測(cè)量精度為 ? ℃ ，供電電壓 5~24V。該測(cè)量土 壤含水量傳感器的特點(diǎn)是高精度、高靈敏度，通過土壤介電常數(shù)的測(cè)量，可以直接真實(shí)、穩(wěn)定地反映各種土壤的水分含量。 AM2301 是單線 8 哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 制串行接口，從而系統(tǒng)的集成變得簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍是 0~100％ RH，測(cè)量精度是 ? 3％ RH，濕度分辨率是 ％ RH，溫度分辨率是 ℃ ，供電電壓 ~。傳感器與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連并由電容式感濕元件和 NTC 測(cè)溫元件組成，并且它含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，所以為了確保傳感器具有高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，固其采用溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)。 根據(jù)系統(tǒng)的功能參數(shù)來(lái)選擇微處理器，無(wú)線數(shù)傳模塊以及各個(gè)傳感器。 2. 工作濕度： 0~100%RH。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)置好參數(shù)的上下限進(jìn)行比較時(shí)，環(huán)境因子超過科學(xué)設(shè)定時(shí)便會(huì)報(bào)警，與此同時(shí)，上位機(jī)也提供了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的歷史曲線圖，方面隨時(shí)掌握監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的情況，以及數(shù)據(jù)的比較和分析。 數(shù)據(jù)采集終端 監(jiān)測(cè)中心服務(wù)端 空氣 CO2 傳感器 地 空氣 O2 表 傳感器 以 空 氣 溫濕 上 度 傳 感器 微處 空 氣 光照 理器 ZigBee ZigBee 上位機(jī) 傳感器 地 土 壤 溫濕 表 度 傳 感器 以 土 壤 光電 下 傳感器 電源 蓄電 模塊 池