基于柔性電子材料的新型測溫系統(tǒng)

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118）

一、前言

葉溫作為植物生長狀態(tài)的一個顯著特征，植物病害，新老葉片交替都會影響葉溫的變化[1]。測量葉片溫度，對葉溫數(shù)據(jù)處理分析，是了解植物生長狀況的有效途徑。本文結(jié)合Android 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，設(shè)計了一個實時接收葉片溫度的系統(tǒng)，可在手機客戶端接收顯示溫度，并實現(xiàn)實時監(jiān)測及智能化控制。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

本測溫系統(tǒng)中，將柔性貼片黏貼于葉片表面，應(yīng)用其內(nèi)部的熱敏電阻感溫器件，采集植物葉表溫度。選用16 位低功耗的AD7663 為芯片進行信號處理，將包裝好的數(shù)據(jù)經(jīng)由藍牙模塊與手機終端進行半雙工通信，進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送，存儲在手機終端的SDK內(nèi)。最終將數(shù)據(jù)以數(shù)字、圖像等多種方式顯示于程序界面中，用戶也可對數(shù)據(jù)進行裁剪、對比等操作。

三、方法與實現(xiàn)

（一）感知層

感知層通過芯片控制傳感器，選擇探頭為表面式的石墨烯納米片溫度傳感器，其自身平面二維結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在層與層之間容易形成[2]。通過熱傳導(dǎo)原理，觸發(fā)電路中高、低電。高性能集成電路對高低電進行處理，并由數(shù)字比較器接收到不同變化的數(shù)據(jù)，從而進行相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換。雙向數(shù)據(jù)線SDA 在時鐘線SCL 高電平期間進行高低電平的跳變，促使控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)。地址引腳A0，A1 和A2 可用于硬件地址編程，允許在同個I2C 總線上接入8 個AD7663 器件。在器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過I2C 總線以串行的方式進行傳輸。如下展示表面式探頭的工作原理圖3-1。

（二） 網(wǎng)絡(luò)層

系統(tǒng)采用無線短距離藍牙通信技術(shù)，實現(xiàn)固定設(shè)備和移動設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換傳輸。首先由柔性貼片上的藍牙模塊開啟發(fā)送廣播，手機端注冊藍牙接受廣播，藍牙搜索綁定設(shè)備，實現(xiàn)節(jié)點間串口的連接。將傳感器采集到的信息進行信號處理、數(shù)據(jù)打包，建立低功耗藍牙連接，實現(xiàn)節(jié)點之間的無線通信，完成手機端和柔性貼片兩節(jié)點間的連接。

（三）應(yīng)用層

應(yīng)用層根據(jù)實際需要實現(xiàn)需求功能及軟件的控制管理。可以對收集的信息依據(jù)屬性實現(xiàn)自動過濾呈現(xiàn)到用戶手機上。程序能夠搜索到柔性貼片的唯一ID，通過藍牙傳輸，實時顯示測量葉片的溫度值。用戶可進行云端備份且對貼片編號、時間段、溫度區(qū)間等選擇性的下載數(shù)據(jù)。

四、實驗與分析

（一）實驗葉片的選取

本研究選取天南星科觀葉植物如意皇后，其大葉片對自身在蒸騰作用，呼吸作用能很好地自動調(diào)節(jié)[3]。且葉片光滑，葉片厚度為 294.8±14.53μm[4]，生長最適宜溫度為13-18℃。其栽培容易，生長環(huán)境的要求容易實現(xiàn)。研究中采用水培的方法，通過統(tǒng)一配置相同水溶液，將實驗對象放置在相同環(huán)境，定期更換水溶液，選擇葉片相同部位黏貼柔性貼片。

（二）柔性貼片和紅外線檢測方法測量的數(shù)據(jù)對比

如圖4-1 展示二者測量的溫度，其中藍線表示柔性貼片測量數(shù)據(jù)，紅線表示紅外線測量數(shù)據(jù)。橫坐標(biāo)以30秒作為步長，將30秒內(nèi)采集的數(shù)據(jù)取平均值代表一個點的溫度，旨在降低空氣流通及熱量輻射等不確定性干擾因素造成的誤差。

（三）分析計算

藍線的波動在17.61-17.68℃之間，紅線的波動在17.41-17.84℃之間。藍線極差為0.07，紅線極差為0.43。根據(jù)方差公式得到藍線的方差σ12≈0.000018，紅線的方差σ2

2≈0.001065。通過比較可以看出紅外線測量的數(shù)據(jù)波動性大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，較為分散。測量方式的不同，造成數(shù)據(jù)誤差較大。為規(guī)避數(shù)值計量單位的影響，通過標(biāo)準(zhǔn)差與均值比值所得的變異系數(shù)公式1，用相對量反應(yīng)數(shù)據(jù)的變異情況。

通過計算，柔性貼片測得數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為CV1 ≈ 0.000247，紅外線測量數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為CV2 ≈0.001878。比較變異系數(shù)，確定柔性貼片測量的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。綜合上述對比，可得出柔性貼片采集的數(shù)據(jù)比紅外線測量的數(shù)據(jù)更精密。

五、討論與總結(jié)

本系統(tǒng)實現(xiàn)采集葉片溫度數(shù)據(jù)以及進行傳輸，并在手機客戶端接收顯示。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次出發(fā)，將物聯(lián)網(wǎng)理論應(yīng)用于系統(tǒng)本身，對貼片的新型材料進行介紹，闡明這種新型的測量葉溫技術(shù)的實時性，便攜性，簡單操作的特性。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息化數(shù)據(jù)的增多，科技的快速發(fā)展應(yīng)該輔助推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)設(shè)施中的應(yīng)用將更加廣泛。