基于手機(jī) APP 的便攜式智能無(wú)線 FDR 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姜 晶，張 憲，修威國(guó)，畢冬云，劉 慧

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，哈爾濱 150001）

基于手機(jī) APP 的便攜式智能無(wú)線 FDR 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姜 晶，張 憲，修威國(guó)，畢冬云，劉 慧

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，哈爾濱 150001）

設(shè)計(jì)了一種基于頻域反射法（FDR）且具有充電功能的無(wú)線便攜式傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)采集、無(wú)線傳輸、便攜充電等功能。該采集單元以單片機(jī)為核心，采用MC9S082AW60進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)了FDR傳感器的高精度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器使用簡(jiǎn)單，攜帶方便，適合操作人員在現(xiàn)場(chǎng)隨時(shí)進(jìn)行采集。

無(wú)線傳輸；FDR；便攜式

引言

水資源是人類(lèi)賴以生存的根本，因此需要積極快速地開(kāi)展節(jié)水設(shè)備的推廣和應(yīng)用。這其中監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)為水分，而目前此類(lèi)傳感器測(cè)量的精度不高，并且為分立式有線測(cè)量，大面積組網(wǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)困難，因此現(xiàn)需要一種分布式、網(wǎng)絡(luò)化、精度高的測(cè)量水分的測(cè)量裝置。本設(shè)計(jì)是基于頻域反射（FDR）技術(shù)設(shè)計(jì)原理，它具有充電功能，并結(jié)合WiFi無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)可以通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，且不受電纜布線的困擾。

1 設(shè)計(jì)原理

FDR法相對(duì)于其它方法更簡(jiǎn)單，測(cè)量更方便。FDR法工作頻率較低，在測(cè)量上實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，因此本傳感器采用的工作原理w為FDR法。根據(jù)頻率的變化來(lái)確定土壤水分含量[1]。它的設(shè)計(jì)原理是由一對(duì)圓形銅環(huán)作為電容的兩個(gè)極，傳輸?shù)碾娊橘|(zhì)為含有水分的土壤，有銅環(huán)和振蕩器分頻器組成一個(gè)震蕩調(diào)諧電路。由于水的介電常數(shù)要遠(yuǎn)高于其他介質(zhì)的介電常數(shù)，當(dāng)土壤的含水量發(fā)生變化時(shí)，其介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，由此產(chǎn)生了電容量的變化。當(dāng)水分增加時(shí)與電容值也會(huì)增加，而頻率又與電容量成正比，因此可以根據(jù)頻率的改變來(lái)確定目標(biāo)土壤的水分含量。下面的數(shù)學(xué)模型就是根據(jù)這個(gè)原理建立即[2]：將土壤水分的變化量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻率信號(hào)，從而轉(zhuǎn)換成歸一化的頻率SF如公式（1），利用其變化量來(lái)測(cè)量其體積含水量（V %）如公式（2）：

其中：FS：所測(cè)頻率；

Fa：放置空氣中的頻率；Fw：放置水中的頻率。體積含水量V %是土壤水分占有的體積（Vw）與土壤體積（Ve）之比，

輸出頻率與體積含水量的關(guān)系為SF = a×Vb+ c，其中a，b是由大樣本數(shù)值確定為常數(shù)項(xiàng)，由c這個(gè)常數(shù)項(xiàng)是由相關(guān)系數(shù)r來(lái)確定。相關(guān)系數(shù)的理論模型為：假設(shè)x、y是兩個(gè)隨機(jī)的變量。Xi，yi是他們的各次取值，i＝1， 2，…，n。，是它們的幾何平均值。定義變量x、y的相關(guān)系數(shù)為：

對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以得到如下計(jì)算形式：

其中：n：測(cè)量次數(shù)；

2 無(wú)線設(shè)計(jì)

WiFi是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)是將手機(jī)或者手持設(shè)備終端通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行相連接的一種技術(shù)[3]，并且可以開(kāi)發(fā)通用的APP軟件，使得現(xiàn)場(chǎng)的工作人員通過(guò)手機(jī)，手持設(shè)備在線接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。WiFi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由接入點(diǎn)AP和無(wú)線網(wǎng)卡組成。AP是有線局域網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，通過(guò)裝有無(wú)線網(wǎng)卡的設(shè)備分享有線局域網(wǎng)絡(luò)甚至廣域網(wǎng)絡(luò)的資源，它的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)內(nèi)置無(wú)線發(fā)射器的HUB或者是路由，而無(wú)線網(wǎng)卡則是負(fù)責(zé)接收由AP所發(fā)射信號(hào)的終端設(shè)備[4]。本測(cè)試儀利用手機(jī)終端APP進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，如圖1所示。

3 充電模塊設(shè)計(jì)

從測(cè)量?jī)x需要在農(nóng)田中測(cè)量的實(shí)際使用需求考慮出發(fā)，若測(cè)量?jī)x可以自帶電源將很好地解決了電源的依賴，而電池的待機(jī)性能卻成為制約測(cè)量?jī)x使用的瓶頸，小型化、長(zhǎng)工作時(shí)間也成為電源的內(nèi)在要求,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，增加了在線充電的功能，即在測(cè)量?jī)x內(nèi)置鋰電池，可以通過(guò)直流設(shè)備進(jìn)行充電，也可以通過(guò)大容量充電寶進(jìn)行充電[5]。在充電開(kāi)始階段為恒流充電階段：電池的電壓較低，充電的電流基本不變隨著充電的繼續(xù)進(jìn)行，電池的電壓逐漸上升。當(dāng)單體電池的電壓升到預(yù)設(shè)值時(shí)，充電器立即轉(zhuǎn)入恒壓充電，這樣可以避免充電電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)對(duì)鋰電池的永久性損壞。

充電電路的原理設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 手機(jī)終端APP

圖2 充電電路原理設(shè)計(jì)

圖3 FDR傳感器設(shè)計(jì)原理框圖

4 FDR傳感器的設(shè)計(jì)

本測(cè)量?jī)x選用微處理單MC9S08AW60作為中央處理器，傳感器主要分為七大部分，如圖3所示[6]。設(shè)計(jì)中采用振蕩頻率在280 MHz振蕩器作為信號(hào)源，分頻后掃描頻率為50～70 kHz，信號(hào)電壓經(jīng)過(guò)傳輸線與諧振電路，產(chǎn)生反射形成頻率信號(hào)后經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理形成歸一化曲線從而標(biāo)記出水分的實(shí)際含量。以大數(shù)據(jù)樣本數(shù)的作為初始值來(lái)確定a，b，c的值，從而確定SF曲線[7]。如圖4所示，可見(jiàn)相關(guān)系數(shù)接近于1，是十分理想的擬合曲線。

圖4 FDR傳感器及數(shù)據(jù)擬合曲線

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)軌跡

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

FRD傳感器分別標(biāo)記為深度10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm，60 cm以及70 cm處的數(shù)值，將待實(shí)驗(yàn)的傳感器與烘干法的結(jié)果進(jìn)行7次的對(duì)比標(biāo)定，即標(biāo)定為5 %、10 %、15 %、20 %、25 %、30 %、35 %的介質(zhì)柱，通過(guò)SF計(jì)算，得到的實(shí)際體積含水量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)軌跡如圖5所示。

從實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)及實(shí)際體積含水量與希望體積含水量之間的比對(duì)結(jié)果來(lái)看，其擬合度非常高，因此具有良好的精度和線性度，滿足實(shí)際使用的需要。

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用FDR法設(shè)計(jì)的傳感器，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)傳感探頭對(duì)垂直深度的測(cè)量，無(wú)線快速連接，不需進(jìn)行布線埋設(shè)，并且在戶外可外接充電的移動(dòng)電源進(jìn)行充電，它可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最大化、品質(zhì)最優(yōu)化，降低生產(chǎn)成本，并且可以大范圍部署，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

[1] 黃飛龍,黃宏智,李昕娣,林金田.基于頻域反射的土壤水分探測(cè)傳感器設(shè)計(jì).傳感技術(shù)學(xué)報(bào)[J], 2011, 24(9):1367-1370.

[2]張憲,姜晶,王勁松.基于FDR技術(shù)的土壤水分傳感器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2011, 30(11):61-65.

[3]王巧利.基于介電原理的淺層土壤水分測(cè)量方法研究[D] 北京:北京林業(yè)大學(xué), 2015.

[4]高爐東,張繼光,王黎明,等.土壤水分傳感器實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)與一致性分析.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)[J]. 2015, 20(126):56-60.

[5]李加念,賈闖.電容式土壤水分傳感器的電導(dǎo)變異性試驗(yàn)研究[J].傳感器與微系, 2014 , 8(12):28-32.

[6]張瑞卿,戈振揚(yáng),單偉,等.基于FDR原理的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng), 2014, 2(35):33-37.

[7] JF Yang, T Li, QF Lu, ZM Chen. Calibration Method Based on RBF Neural Networks for Soil Moisture Content Sensor [J]. Agriculture Science & Technology, 2010,11.

Design of Portable Intelligent Wireless FDR Sensor System Based on Mobile Phone APP

JIANG Jing，ZHANG Xian，XIU Wei-guo，BI Dong-yun，LIU Hui
(The 49th Research Institute, China Electronic Technology Group Corporation, Harbin 150001)

In this paper, a wireless portable sensor based on frequency domain reflection (FDR) and charging function is designed, which can realize the functions of automatic collection, wireless transmission, portable charging, etc. Taking the single chip microcomputer as the core, the acquisition unit uses MC9S08AW60 to carry on the data collection, and carries on the real-time transmission through the wireless transmission technology, which realizes the FDR sensor high precision, the real-time strong, carries conveniently, etc. The sensor is easy to use and convenient to carry, and is suitable for operators to collect at any time on the spot.

wireless transmission；FDR；portable

TP212.1

A

1004-7204（2017）02-0070-03

姜晶（1978-），女，碩士，工程師，主要從事智能傳感器及測(cè)量技術(shù)工作。