仿真生態(tài)容器的測量傳感器綜述

劉迎雪 嚴(yán)涓綺

摘?要：在我國經(jīng)濟水平持續(xù)提高、科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，智能家居行業(yè)正在迅速發(fā)展和進(jìn)步。當(dāng)前，人們?yōu)榱素S富生活，會在家中添置魚缸，而該生態(tài)容器可以讓人們實時了解容器內(nèi)部的各種情況，并以數(shù)據(jù)形式發(fā)送至手機App，從而根據(jù)數(shù)據(jù)來對容器進(jìn)行調(diào)整。本文將討論實現(xiàn)該技術(shù)的各類傳感器的信息。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);傳感器;生態(tài)容器

中圖分類號：S951+TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-4428（2019）06-0179-02

一、 溫度傳感器

該生態(tài)容器使用到溫度傳感器，此傳感器能夠感知溫度并將溫度轉(zhuǎn)化成可以使用的輸出信號。溫度探測儀的核心是溫度傳感器，其種類龐雜。非接觸式和接觸式是按照測量方式分為的兩類，而熱電阻和熱電偶是依照電子元件特征和傳感材料分成的兩大類。

接觸式溫度傳感器與被測量局部有著極佳的接觸。接觸式溫度傳感器到達(dá)熱平衡是依托傳導(dǎo)或?qū)α魍瓿傻?，從而讓溫度傳感器顯示數(shù)值可以直接表現(xiàn)被測局部的溫度。通常情況下測量的精準(zhǔn)度比較高。溫度傳感器不僅可以測量物體外部溫度的散布情況，同時也能夠在特定條件下檢測物體內(nèi)部溫度的散布狀況。然而關(guān)于在運動中的物體、微型目標(biāo)以及熱容量較小的局部，將發(fā)生比較大的誤差。接觸式溫度傳感器大范圍地被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)和商業(yè)等部門。而在平時的活動中，普通民眾也會使用溫度傳感器，在電子、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域溫度傳感器也有著廣泛的應(yīng)用，如蒸汽壓溫度傳感器、低溫氣體溫度傳感器、聲學(xué)溫度傳感器等。關(guān)于低溫溫度傳感器的限制條件是感溫元件測量高度精確、占地小和維穩(wěn)性強。

非接觸式測溫儀器是一種不與被測局部直接觸碰的測溫儀器。這類儀器能夠檢測活動中的物質(zhì)，即使是微型目標(biāo)和溫度變動極快的物質(zhì)都可以被檢測。與此同時它也能夠被用來檢測溫度場溫度的散布狀況。在輻射測溫法中包含輻射法、亮度法以及比色法。然而，各種輻射溫度測量措施都僅可以檢測到輻射溫度、光亮度和比色溫度。然而真正的溫度只有對黑體所測量出來的才是準(zhǔn)確的。假設(shè)想要測量物體的實際溫度，那么務(wù)必修改材料外表發(fā)射率。然而除了波長和溫度，表面狀態(tài)、微觀組織和涂膜等都影響著表面的發(fā)射率，所以很難精準(zhǔn)地測量。在制造業(yè)中通常要用輻射測量溫度的方法來監(jiān)控特定物體其外表的溫度。在一些狀況下，測量物體外表的發(fā)射率是十分艱巨的。而關(guān)于固體表面溫度的監(jiān)控，則能夠借助附加反射鏡形成黑體空腔。有效排放系數(shù)可用于經(jīng)過儀表校對測量溫度，最終能夠獲取測量外表的切實溫度。

二、 濕度傳感器

在生活中，人們的各項社會行為和濕度息息相干。在各種不一樣的運用范圍，對濕度傳感器在技術(shù)方面的需求也有著很大的差別。站在制造業(yè)的角度來看，同樣是濕度傳感器，構(gòu)造、原料和技術(shù)的差異，其能力和技藝的標(biāo)度也不盡相同。

在與測量相同的分量和溫度下，濕度傳感器的抉擇應(yīng)首先明了其測量范疇。通常情況下，溫濕度的監(jiān)控通常不必實時測量（除了科研、氣象部門外）。如今，傳感器技術(shù)已經(jīng)非常成熟并且運用到了人類生活的方方面面，與自動化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)嚴(yán)密地聯(lián)結(jié)了起來。而管制是其進(jìn)行測量的真正目的，應(yīng)用范疇是測量范疇和控制范疇的合稱。與測量范疇相同，對精度的測量同樣也是傳感器最關(guān)鍵的標(biāo)度之一。由于假設(shè)要到達(dá)不同的進(jìn)度，它的研制資本差異極大，其價格也各不相同。

濕敏元件是濕度傳感器中難度最低的一種。它的原理是將感濕材料制造而成的膜涂抹在基片上，電阻器件的電阻值和電阻率都會隨著小水珠附著在薄膜上而變動，通過此特點能夠測量濕度。一旦環(huán)境的濕度有著變動，電容量會隨著濕敏電容的介電常數(shù)的變動而發(fā)生變動，電容改變的程度和其相對濕度是呈現(xiàn)正比關(guān)系的。由于元件工作環(huán)境的特殊性，在檢測環(huán)境濕度的時候，濕敏元件會被長時間地裸露放置在將要檢測的環(huán)境中，污染現(xiàn)象很可能發(fā)生在元件上，如果要長時間的檢測環(huán)境會降低元件的穩(wěn)定性，并且嚴(yán)重降低了準(zhǔn)確度。

由于濕度傳感器比較特殊，其元件并不是完全封閉的。若想要維護(hù)測量的穩(wěn)定性和可靠性，在使用當(dāng)中應(yīng)該盡可能防止放置在堿性、酸性以及有機溶劑的環(huán)境中。若要精確顯示被測環(huán)境的濕度，還需要防止把傳感器擱置在離建筑物很近以及空氣遲滯的角落。而一旦被測量的建筑物太大，那么應(yīng)該多設(shè)置幾個傳感器，但注意在應(yīng)用的時候要提供契合精度要求的適宜電源。因為存在濕度傳感器有著很高的電源條件，不然將會降低準(zhǔn)確度，或傳感器之間將彼此干擾，從而影響正常工作。

三、 氣壓傳感器

氣壓傳感器是一種用來檢測氣體絕對壓強的儀器，其通常運用于和氣體壓強相關(guān)的各類物理、化學(xué)和生物試驗中。氣壓傳感器主要由一個薄膜和一個頂針組成。同時在電路上氣壓傳感器連通了一個用柔性材質(zhì)制成的電阻器。在被測氣體的壓力發(fā)生變化時，敏感的薄膜則會變形并帶動頂針變動，與此同時，電路開始工作，該電阻器的阻值會產(chǎn)生改動。一旦電阻器的阻值產(chǎn)生改動，會從傳感元件處隨機獲得一個低頻信號電壓，而后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變動會由數(shù)據(jù)采集器搜集，隨后數(shù)據(jù)采集器會用計算機能夠接納的方式發(fā)送給計算機。

本生態(tài)容器使用的是DFRobot公司生產(chǎn)的氣壓傳感器。該傳感器應(yīng)用Gravity-I2C接口設(shè)計，同時預(yù)留了SPI接口，能夠為環(huán)境監(jiān)測和物聯(lián)網(wǎng)管控帶來便利。該傳感器的工作電壓在3.3V至5V之間，工作電流在2mA，分辨率為0.1℃，誤差在±0.5℃。濕度的監(jiān)測范圍在0至99%RH，分辨率在0.1%RH，誤差±2%RH，濕度的測量反應(yīng)時間為1s。壓力監(jiān)測范圍在300至1100hPa。

同時，萬有引力I2C BME280傳感器運用博世新型MEMS傳感器，有著極佳的可靠性。壓力測量在整個溫度范圍內(nèi)是十分堅固的。當(dāng)溫度變化時，1℃溫度變動引起的誤差僅為12.6cm。這樣的穩(wěn)定性可以大大提高本實驗測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

四、 二氧化碳傳感器

二氧化碳傳感器是一種利用二氧化碳是大部分植物光合作用的原料而制造成的用來探測二氧化碳濃度的傳感器，同時也是用來調(diào)控濃度變成影響植物的生長的主要原因。

二氧化碳傳感器分為紅外、催化、熱傳導(dǎo)三類。紅外二氧化碳傳感器運用非色散紅外原理對空氣中的二氧化碳施行檢測，其有很好的選擇性，不存在對氧氣的依賴，大范圍運用于可能會爆炸、有可燃性氣體的場合。催化二氧化碳傳感器則是將在現(xiàn)場探測到的二氧化碳濃度經(jīng)由計算機轉(zhuǎn)換成為規(guī)范的信號輸出，大范圍應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)、石油冶煉、煉化及水處理等行業(yè)。熱傳導(dǎo)二氧化碳傳感器則是根據(jù)混合氣體總導(dǎo)熱系數(shù)隨著待剖析的氣體含量的差別而改動的原理制造而成，由探測元件和補償元件匹配組合成為電橋的兩個臂，其碰到可燃?xì)怏w時探測元件的電阻會降低，碰到非可燃?xì)怏w時檢測元件的電阻會增加，而橋路輸出的電壓改變量會隨氣體的濃度增加而成正比例地增加。

本生態(tài)容器運用的是DFRobot公司制造的高準(zhǔn)確度和可靠性的紅外DAC二氧化碳傳感器，其有效量程可達(dá)幾千ppm。該傳感器運用非彌散紅外（ndir）原理，對空氣中的二氧化碳進(jìn)行探測，具備良好的選擇性且不依賴氧氣，并且內(nèi)置溫度補償。DFbot紅外激光傳感器是一種高靈敏度、高分辨率、低功耗、快速響應(yīng)的高性能傳感器，它將成熟的紅外吸入氣體檢測技術(shù)與精確的光路設(shè)計、精細(xì)的電路設(shè)計和高靈敏度、高分辨率、低功耗、快速響應(yīng)相結(jié)合，防水蒸氣煩擾，無毒，穩(wěn)定性高，使用壽命長等特征。傳感器的供電電壓在4.5—5.5V，測量的范圍在0至幾千ppm，精度在±（50ppm+3%讀數(shù)），響應(yīng)時間為120s，工作的溫度在0—50℃，工作濕度在0—95%RH（無凝結(jié)）。

五、 水濁度傳感器

渾濁度傳感器利用光的原理，經(jīng)過檢測液體的透射率和散射率，綜合判別液體混濁的狀況，完成水質(zhì)檢測的目標(biāo)。在傳感器中是一個紅外對管。它的原理是當(dāng)光線穿過液體時，光線的透過數(shù)量受該液體的污濁程度影響。

傳感器能夠被應(yīng)用在測量洗菜機、魚缸等產(chǎn)品的水污染水平。用液體的混濁程度來判別溶液的清潔度，確定合適的換水時間。還可用于江海湖泊、雨污分流、水域檢測等領(lǐng)域。

本生態(tài)容器使用的是DFRobot公司生產(chǎn)的Arduino水濁度傳感器。該傳感器的精度較高且性能穩(wěn)定，可以持續(xù)較長時間記錄水濁度。該傳感器的工作電壓為5V，存儲溫度在零下10℃至80℃之間。

六、 酸堿度（pH）采集傳感器

氫離子的濃度反映了溶液的酸堿值，pH傳感器正是利用了這一原理制造而成的，并將溶液酸堿度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的輸出信號。

本生態(tài)容器使用的是DFRobot公司生產(chǎn)的模擬pH傳感器。該集成板搭載功率指示器、bnc接口和ph 2.0接口。pH傳感器電極由玻璃電極和參比電極組成。塑料外殼是一種無法填充的復(fù)合電極。該傳感器的模塊電源為5V，測量范圍在0至14pH，測量環(huán)境的溫度可以在0℃至60℃，響應(yīng)時間小于1min。

七、 光傳感器

動中部經(jīng)濟發(fā)展起著光傳感器能迅速感受由紫外光到紅外光的光能量，而且將光能量轉(zhuǎn)變成為信號的元件。本實驗中主要采用的是環(huán)境光傳感器動中部經(jīng)濟發(fā)展起著。

本生態(tài)容器采用的是DFRobot公司生產(chǎn)的模擬環(huán)境光傳感器LX1972?；贚X1972可見光傳感器，可見光照射的響應(yīng)特征與人眼的響應(yīng)特征相似。它可以模擬人眼對環(huán)境光強度的判斷，從而促進(jìn)友好交互的應(yīng)用動中部經(jīng)濟發(fā)展起著。該傳感器的工作溫度為零下40—80℃，照度范圍為1—800Lux。

八、 結(jié)語

智能魚缸與一般傳統(tǒng)魚缸不同，本組研究的智能魚缸是將不同類型的傳感器（包括溫度、濕度、氣壓傳感器、二氧化碳傳感器、Ph傳感器、水濁度傳感器和光傳感器）投入安置在魚缸當(dāng)中，集成為一個可以實時返回數(shù)據(jù)的動態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的投入，使得魚缸內(nèi)的生態(tài)環(huán)境可以被實時監(jiān)控，并根據(jù)返回數(shù)據(jù)及時調(diào)整缸內(nèi)條件，節(jié)省人力和成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃瑋芳，黃偉林，于陽.采用壓力傳感器同時測量動態(tài)壓力與溫度[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（3）：75.

[2]孫一晶.智能建筑電氣自動化設(shè)備的分析與思考[J].科技風(fēng)，2019（4）：178.

[3]趙燕東，梁超，杜升.基于含水率與溫度補償?shù)耐寥纏H值在線實時檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報2019（3）.

[4]王洪燕，李高杰，張崇軍.傳感器的應(yīng)用及發(fā)展研究[J].河南科技，2018.

[5]漆海霞，林圳鑫，蘭玉彬.大數(shù)據(jù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報，2019，21（1）：1-10.

[6]祝娜，王長建，張靜.基于WIFI的無線溫度傳感器設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2018，47（11）：47-50.

[7]周秀歡，陳煒，傅家樂.二氧化碳?xì)怏w傳感器研究進(jìn)展及計量現(xiàn)狀[J].計量與測試技術(shù)，2018，45（9）：29-30.

[8]陳靜.溫度傳感器測溫探頭設(shè)計研究[J].宜春學(xué)院學(xué)報，2018，40（9）：44-46.

[9]梅博杰. 海水二氧化碳現(xiàn)場快速檢測傳感器技術(shù)研究[D].舟山：浙江海洋大學(xué)，2017.

[10]唐甜.二氧化碳傳感器從空中監(jiān)控車輛尾氣排放[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2017（5）：41-42.

[11]余名，唐云建.濁度傳感器的流通池的設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2016（10）：75-76.

[12]紀(jì)瑩蕾. 智能濁度傳感器的研究與設(shè)計[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[13]Margery Conner.環(huán)境光傳感器協(xié)助應(yīng)用變得更智能、更環(huán)保[J].電子設(shè)計技術(shù)，2009，16（11）：42-44，46.

作者簡介：

劉迎雪，女，江蘇南京人，江蘇警官學(xué)院計算機信息網(wǎng)絡(luò)與安全系學(xué)生;

嚴(yán)涓綺，女， 江蘇張家港人，江蘇警官學(xué)院計算機信息網(wǎng)絡(luò)與安全系學(xué)生。