系统架构：传感器原理、性能指标和软件部分

1.硬件部分

传感器设计包括传感器结构设计、硬件电路设计,传感器固件程序设计。硬件电路由传感器激励电路、运放调理电路、单片机芯片和温度采集电路组成。

本传感器是一种圆环电容式结构,面向测量土壤含水纵向分布的介电式传感器。其传感原理是借助两个带状电极间电磁场的边缘分布效应(Fringe Effect),如图6-3所示。

电极间的电场耦合强度与电极周围材料的介电特性密切相关,只要两电极间的电场能量足以穿透套管,电极间电场耦合强度则与套管外的土体含水量有关。在电场作用下,两个电极构成一个电抗元件,其电特性既可能呈容性也可能呈感性。

图6-3　传感器原理及结构示意图

当土体的含水量上升时,表观介电常数也增大,电容慢慢升高,导致电容两端的电压慢慢降低。即含水量的变化会导致电压信号发生变化,变化的交流电压信号经过芯片处理后,经测量输出稳定直流电压信号。

输入电压在经过低通滤波器后电压值会变小,第二个平方单元与放大器组成的负反馈电路进行调节电压值的大小,激励电路产生的稳定直流电压信号过小,需通过运放调理电路将电压信号放大再输入单片机。运放调理电路通过对激励电路的输出信号进行差分放大,以增大单片机输入端的电压信号。相关性能指标见表6-1。

表6-1　传感器性能指标参数表(www.xing528.com)

2.软件部分

传感器节点的固件程序主要完成含水量的信息采集和数据的传输任务,此外需要完成测量标定工作。使用烘干法制作10组湿度样本,再使用基于FDR的传感器电路逐一测量每个样本的有效输出电压,进行率定和拟合。

软件部分包括上位机数据采集、传输、存储、整理、分析、输出等功能。其测试流程如图6-4所示。

图6-4　软件测试流程示意图

主程序首先完成定时器、ADC和UART的初始化,然后将中断打开,就进入循环等待状态。定时器中断到来时就按设定时间启动ADC中断,每当ADC中断到来时就完成一次数据采集,根据标志位判断是否为连续测量,如果是则发送数据到主节点,如果不是则直接退出中断。当UART中断到来时,使用状态机来判断是否成功接收完一帧数据,主机向终端节点发送的一帧数据为8B,这是在应用层的用户协议中定义的。状态机每接收一个字节的数据就将它存入数组中,并将状态值加1,当状态值为7时再接收一个字节的数据,就完成了一帧数据的接收工作。然后对数据帧解码,根据数据帧中的主机指令,完成相应的工作,然后退出中断。

无论上位机是否发送测量指令,ADC中断总由定时器中断按设定时间启动,完成一次数据采集工作,并将数据存储起来。每完成一次采集就更新一次存储数据。如果主机发送的是单次测量指令,就把当前的测量数据发送给主节点。如果是连续测量,每完成一次数据采集就把数据发送给主节点。主机发送标定指令时,数据帧的数据位是当前实际测量的湿度值,当接收到3个以上的实际测量湿度值时,就完成在线标定工作。主机发送查询指令时,在线的传感器节点会返回反馈应答数据帧,主机接收到应答数据帧后就在对应节点设定标识。