農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，包括：主控芯片，多路照度測量模塊，溫度傳感器，濕度傳感器，多種不同類型的通信模塊，LCD顯示電路；所述主控芯片具有多個IIC接口、多個AD轉(zhuǎn)換接口、多個不同類型的通信串口、顯示電路接口；各路所述照度測量模塊分別經(jīng)所述IIC接口與所述主控芯片相連，用于采集照度并傳輸給所述主控芯片；所述溫度傳感器和濕度傳感器分別經(jīng)所述AD轉(zhuǎn)換接口與所述主控芯片相連。本發(fā)明提供的傳感器，具有高精度、性能可靠、易于數(shù)據(jù)分享的優(yōu)點，該智能傳感器系統(tǒng)具有高精度、自檢測、自診斷，穩(wěn)定可靠，是適用于農(nóng)林作物環(huán)境因子測量的多功能智能傳感器。
【專利說明】農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)林業(yè)環(huán)境因子監(jiān)測領域，尤其涉及農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]不同的植物對陽光、溫度、空氣濕度等氣象條件的需求各不相同。研究表明，陽光、溫度、空氣濕度等氣象條件對于苗木撫育、作物生長、病蟲害防治等方面具有直接影響。但農(nóng)林業(yè)氣象傳感器存在由于性能漂移、非線性而導致的精度低問題，且數(shù)據(jù)統(tǒng)計周期長、數(shù)據(jù)量少，無法滿足“精準農(nóng)林業(yè)”對氣象條件與農(nóng)林作物生長關(guān)系分析的科研需求。
[0003]現(xiàn)有的相應精度高的傳感器主要為氣象站專用傳感器，但多為進口傳感器，價格非常昂貴，且需要專用采集器，普通的傳感器精度方面達不到要求，且針對于農(nóng)林用環(huán)境專業(yè)比較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0005]本發(fā)明提供了一種農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，包括:主控芯片，多路照度測量模塊，溫度探頭，濕度探頭，多種不同類型的通信模塊，LCD顯示電路；
[0006]所述主控芯片具有多個IIC接口、多個AD轉(zhuǎn)換接口、多個不同類型的通信串口、顯示電路接口；
[0007]各路所述照度測量模塊分別經(jīng)所述IIC接口與所述主控芯片相連，用于采集照度并傳輸給所述主控芯片；
[0008]所述溫度探頭和濕度探頭分別經(jīng)所述AD轉(zhuǎn)換接口與所述主控芯片相連，分別用于檢測溫度和濕度并傳輸給所述主控芯片；
[0009]各所述通信模塊分別經(jīng)相應類型的所述通信串口與所述主控芯片相連，用于實現(xiàn)通信模塊和主控芯片之間的通信交互；
[0010]所述IXD顯示電路經(jīng)所述顯示電路接口與所述主控芯片相連接，用于顯示時間、溫度、濕度和光照強度。
[0011]針對精準農(nóng)林業(yè)對溫度、濕度、光照強度的特殊要求，本發(fā)明提供的智能傳感器，具有高精度、性能可靠、易于數(shù)據(jù)分享的優(yōu)點，該智能傳感器的主控芯片從溫濕度傳感器采集到的溫度、濕度和多路照度測量模塊采集到的光照強度數(shù)據(jù)，以及對照度的多數(shù)據(jù)融合和補償?shù)忍幚?，實現(xiàn)了高精度測量，以及通過多個通信模塊來支持多樣化的通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，具有高精度等適合農(nóng)林作物環(huán)境因子測量的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】[0012]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0013]圖1為本發(fā)明中農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器硬件構(gòu)架圖；
[0014]圖2為本發(fā)明中農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器溫度探頭中四線制PT100鉬電阻電路圖；
[0015]圖3為本發(fā)明中農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器外部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明中基于農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器檢測方法主程序流程圖；
圖5為本發(fā)明一實施例中傳感器算法結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。在本發(fā)明的一個附圖或一種實施方式中描述的元素和特征可以與一個或更多個其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應當注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領域普通技術(shù)人員已知的部件和處理的表示和描述?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0018]隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，多傳感器的組網(wǎng)和多數(shù)據(jù)的融合實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡化是現(xiàn)代監(jiān)測的大趨勢，通常傳感器為單一因子檢測，若對存在耦合現(xiàn)象的幾個測量因子隨著環(huán)境變化會形成誤差，從而影響其精確度，如溫度、空氣濕度，溫度變化會對濕度測量敏感元件測量有影響，通過多種測量因子的同時測量并進行數(shù)據(jù)融合處理和校正后能夠有效降低誤差，提高傳感器精度，而通過多傳感器的數(shù)據(jù)融合可以降低單個傳感器的偶然誤差，提高傳感器測量精度。
[0019]如圖1所示為本發(fā)明中提供的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器硬件構(gòu)架圖，所述農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，包括:主控芯片，多路照度測量模塊，溫度探頭，濕度探頭，多種不同類型的通信模塊，LCD顯示電路；
[0020]所述主控芯片具有多個IIC接口、多個AD轉(zhuǎn)換接口、多個不同類型的通信串口、顯示電路接口；
[0021]各路所述照度測量模塊分別經(jīng)所述IIC接口與所述主控芯片相連，用于采集照度并傳輸給所述主控芯片；
[0022]所述溫度探頭和濕度探頭分別經(jīng)所述AD轉(zhuǎn)換接口與所述主控芯片相連，分別用于檢測溫度和濕度并傳輸給所述主控芯片；
[0023]各所述通信模塊分別經(jīng)相應類型的所述通信串口與所述主控芯片相連，用于實現(xiàn)通信模塊和主控芯片之間的通信交互；
[0024]所述IXD顯示電路經(jīng)所述顯示電路接口與所述主控芯片相連接，用于顯示時間、溫度、濕度和光照強度。
[0025]所述主控芯片為ARM Cortex-M3構(gòu)架的STM32F103ZET6，內(nèi)置多個12位逐次逼近型AD采樣通道，用普通IO 口模擬了 4路IIC接口，分別為IIC0-1IC3。
[0026]各路所述照度測量模塊分別經(jīng)所述IIC接口中的IIC1-1IC3與所述主控芯片相連，用于采集照度并傳輸給所述主控芯片。
[0027]本發(fā)明提供的智能傳感器可以針對農(nóng)林業(yè)對溫度、濕度和光照強度的特殊要求，進行高精度、性能可靠的測量，該智能傳感器的主控芯片從溫度傳感器、濕度傳感器和多路照度測量模塊采集光照強度的相關(guān)數(shù)據(jù)，并且通過多個通訊接口進行多樣化通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，具有高精度等適合農(nóng)林作物環(huán)境因子測量的優(yōu)點。
[0028]可選的，所述智能傳感器系統(tǒng)還包括:存儲電路，復位電路和/或電源電路，
[0029]所述存儲電路經(jīng)所述IICO接口與所述主控芯片相連，用于存儲照度測量模塊、溫度探頭和濕度探頭檢測到的數(shù)據(jù)；
[0030]所述復位電路與所述主控芯片相連接，用于對所述農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器進行復位；
[0031]所述電源電路與所述主控芯片相連接，用于對所述農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器系統(tǒng)提供電能。
[0032]上述各照度測量模塊和溫濕度探頭檢測相應的光照強度和溫度、濕度之類的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)采集好之后，所述主控芯片將數(shù)據(jù)傳輸給存儲電路，存儲在所述存儲電路中，所述存儲電路型號為其型號為EEPR0M24C02。
[0033]所述電源電路，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后有5V、3.3V和12V，用于對所述農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器中不同模塊供電，主控芯片供電為3.3V，溫度探頭和濕度探頭供電為12V，照度模塊為5V。
[0034]所述主控芯片中包括看門狗定時器，用于對所述系統(tǒng)進行保護，當系統(tǒng)進入死循環(huán)或者異常狀態(tài)時，看門狗定時器則傳遞信號給復位電路，對所述系統(tǒng)進行復位，保證系統(tǒng)正常的運行。
[0035]可選的，所述主控芯片還包括:看門狗定時器和內(nèi)部實時時鐘，所述看門狗定時器用于對內(nèi)部實時時鐘顯示的內(nèi)部時間進行監(jiān)控、并且當所述農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器異常時對其進行保護。
[0036]可選的，所述主控芯片為ARM Cortex-M3構(gòu)架的STM32F103型號芯片；和/或，
[0037]所述照度測量模塊為型號為:BH1750的照度傳感器；
[0038]本發(fā)明提供的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器中采用的主控芯片為ARM Cortex-M3構(gòu)架的STM32F103，所述芯片具有較高的性能，低成本和低功耗等優(yōu)點，并且所述的多個AD采樣通道為12位逐次逼近型，設置普通的IO 口模擬多個IIC時序，加上自帶的看門狗定時器和內(nèi)部實時時鐘，減少了外部的復雜電路，在硬件的層面上降低了功耗，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0039]通過所述主控芯片STM32設置普通IO 口，模擬3路IIC時序，從而經(jīng)3路照度檢測模塊實現(xiàn)對3路照度進行采集。
[0040]采用三路照度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并且通過所述主控芯片進行數(shù)據(jù)融合，采用自適應加權(quán)融合算法，根據(jù)各傳感器所提供的測量值，以自適應的方式尋找各個傳感器對應的最優(yōu)加權(quán)因子，使得融合后的結(jié)果達到最優(yōu)。
[0041]可選的，所述照度傳感器的采集范圍為0-655361X，相對精度為±4%。照度傳感器測量范圍寬、線形度好、防水性能好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠，適用于各種場所，尤其適用于農(nóng)業(yè)大棚、城市照明等場所，上述采集范圍的選擇更適用于農(nóng)林業(yè)。
[0042]可選的，所述濕度探頭為三線制輸出電容式濕度傳感器。所述電容式濕度傳感器是用有機高分子膜做介質(zhì)的一種小型電容器。傳感器置于大氣中，當大氣中水汽透過上電極進入介質(zhì)層，介質(zhì)層吸收水汽后，介質(zhì)系數(shù)發(fā)生變化，導致電容器電容量發(fā)生變化，電容量的變化正比于相對濕度。所述濕度傳感器的采集范圍為:最大允許誤差±3%RH (O~90)%RH，±5%RH (90~100)%RH。所述傳感器的濕度在(O~100)%RH范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的(O~1)V直流電壓，且呈現(xiàn)線性關(guān)系，通過信號調(diào)理電路后AD采集入主控芯片，在芯片中經(jīng)過線性化處理和轉(zhuǎn)換后得到濕度值。
[0043]可選的，所述溫度探頭中的電阻為四線制PT100鉬電阻。如圖3所示，為了從硬件上消除引線電阻的影響，使用兩路激勵電流補償由于引線電阻引起的誤差，設置參考電壓使模擬電壓輸入范圍根據(jù)基準電壓呈比例變化，消除激勵電流變化對精度影響。
[0044]可選的，所述溫度探頭的采集范圍為:-40~60°C，溫度精度最大允差為±0.2°C。
[0045]可選的，多個不同類型的通信串口包括:兩個UART通信接口和一 CAN控制器；
[0046]多種不同類型通信模塊包括:RS232通信模塊、RS485通信模塊和CAN通信模塊；
[0047]所述RS232通信模塊經(jīng)一 UART通信接口與所述主控芯片相連，所述RS485通信模塊經(jīng)另一 UART通信接口與所述主控芯片相連，所述CAN通信模塊經(jīng)所述CAN通信接口與所述主控芯片相連。
[0048]所述農(nóng)林用溫濕度 照度智能傳感器采用了多個通信模塊，通過多個通信模塊與所述的主控芯片相連，實現(xiàn)了多樣化的通訊方式。
[0049]可選的，多路所述照度測量模塊具體為3路所述照度測量模塊，通過將所述的3路照度測量模塊通過主控芯片的IIC1、IIC2、IIC3接口相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并且通過3路的照度測量模塊對相應的照度進行測量，并且所述主控芯片對測量得到的數(shù)據(jù)進行處理，得到更加精確和更加可靠的信息。
[0050]所述照度測量模塊中的BH1750fiv傳感器會隨著溫度的變化出現(xiàn)溫漂，根據(jù)BH1750fiv官方數(shù)據(jù)手冊，其測量值與實際值比值k與溫度t (單位。C )變化呈現(xiàn)線性關(guān)系，
[0051]經(jīng)線性化處理后得到溫度補償?shù)男Ｕ?。對采集到?個照度值進行溫度漂移處理后，進行多照度傳感器的數(shù)據(jù)融合得到精準度更高的照度值。
[0052]多照度傳感器的數(shù)據(jù)融合采用了自適應加權(quán)融合算法，其基本原理是在總均方誤差最小的最優(yōu)條件下，根據(jù)各傳感器所提供的測量值，以自適應的方式尋找各個傳感器對應的最優(yōu)加權(quán)因子，使得融合后的結(jié)果達到最優(yōu)，其具體算法如下:
[0053]設三路照度傳感器BH1750fiv采集到的照度經(jīng)溫度補償后分別設為XpX2、X3，其加權(quán)因子分別為W1^2I3，設每個傳感器的方差分別為σ 1、σ2、σ3其算法結(jié)構(gòu)圖如圖5所
/Jn ο
[0054]
[0055]則其融合后的X的值應滿足:[0056]
【權(quán)利要求】
1.一種農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，其特征在于，包括:主控芯片，多路照度測量模塊，溫度探頭，濕度探頭，多種不同類型的通信模塊，LCD顯示電路； 所述主控芯片具有多個IIC接口、多個AD轉(zhuǎn)換接口、多個不同類型的通信串口、顯示電路接口 ； 各路所述照度測量模塊分別經(jīng)所述IIC接口與所述主控芯片相連，用于采集照度并傳輸給所述主控芯片； 所述溫度探頭和濕度探頭分別經(jīng)所述AD轉(zhuǎn)換接口與所述主控芯片相連，分別用于檢測溫度和濕度并傳輸給所述主控芯片； 各所述通信模塊分別經(jīng)相應類型的所述通信串口與所述主控芯片相連，用于實現(xiàn)通信模塊和主控芯片之間的通信交互； 所述IXD顯示電路經(jīng)所述顯示電路接口與所述主控芯片相連接，用于顯示時間、溫度、濕度和光照強度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，其特征在于，還包括:存儲電路，復位電路和/或電源電路， 所述存儲電路經(jīng)所述IIC接口與所述主控芯片相連，用于存儲照度測量模塊、溫度探頭和濕度探頭檢測到的數(shù)據(jù)； 所述復位電路與所述主控芯片相連接，用于對所述農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器進行復位； 所述電源電路與所述主控芯片相連接，用于對所述農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器提供電能。`
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，其特征在于，所述主控芯片還包括:看門狗定時器和內(nèi)部實時時鐘，所述看門狗定時器用于對內(nèi)部實時時鐘顯示的內(nèi)部時間進行監(jiān)控、并且當所述農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器異常時對其進行保護。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，其特征在于， 所述主控芯片為ARM Cortex-M3構(gòu)架的STM32F103型號芯片；和/或， 所述照度測量模塊為型號為:BH1750的照度傳感器；和/或， 所述濕度探頭為三線制輸出電容式濕度傳感器；和/或， 所述溫度探頭中的電阻為四線制PTlOO鉬電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1述的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，其特征在于，所述照度測量模塊的采集范圍為:0-655361x，相對精度為±4%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1述的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，其特征在于，所述溫度探頭的采集范圍為:-40~60°C，溫度精度最大允差為±0.2V。
7.根據(jù)權(quán)利要求1述的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，其特征在于，所述濕度探頭的采集范圍為:最大允許誤差±3%RH (O~90) %RH, ±5%RH (90~100) %RH。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，其特征在于，多個不同類型的通信串口包括:兩個UART通信接口和一 CAN控制器； 多種不同類型通信模塊包括:RS232通信模塊、RS485通信模塊和CAN通信模塊； 所述RS232通信模塊經(jīng)一 UART通信接口與所述主控芯片相連，所述RS485通信模塊經(jīng)另一 UART通信接口與所述主控芯片相連，所述CAN通信模塊經(jīng)所述CAN控制器與所述主控芯片相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)林用溫濕度照度智能傳感器，其特征在于，多路所述照度測量模塊具體為3路所述照·度測量模塊。
【文檔編號】G01D21/02GK103822662SQ201410047195
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月10日
【發(fā)明者】許彥峰, 趙齊, 曾丹紅, 李健 申請人:北京林業(yè)大學