自研溫度傳感芯片在智慧農(nóng)業(yè)中的示范應(yīng)用

朱文旗，常 昊，劉超超，王洪昌，李萬里，鑒海防

（1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144；2.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；3.北京天創(chuàng)金農(nóng)科技有限公司，北京 100025；4.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083）

0 引 言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，最具標(biāo)志性的生產(chǎn)技術(shù)是溫室大棚種植技術(shù)。溫室大棚需要對許多環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)控，如溫度、光照、濕度、二氧化碳濃度等，但在諸多因素中，溫度控制是最為基礎(chǔ)的。溫度作為環(huán)境的重要指標(biāo)之一，其本身具有時滯性和強(qiáng)非線性。除此之外，溫室大棚內(nèi)的溫度控制還有兩大難題：

1）干擾因素多：溫室大棚是一個半封閉、半開放的循環(huán)系統(tǒng)，大棚內(nèi)溫度易受到外界氣候的干擾與影響，光照是影響大棚內(nèi)溫度、濕度的關(guān)鍵要素。室外空氣溫度、濕度、土壤性質(zhì)都會影響室內(nèi)溫度和濕度的穩(wěn)定性。

2）分布不均勻：以北方常見的蔬菜大棚為例，大棚往往會建成一個扇形空間。這種結(jié)構(gòu)自身的空間分布就是不均勻的，再加上設(shè)備分布、太陽輻射的不均勻性使得大棚內(nèi)的溫度分布差異較大。據(jù)統(tǒng)計，大棚內(nèi)高低溫差可以達(dá)到4~6℃。

而市面上的溫控系統(tǒng)多采取電阻式的溫度傳感器，存在精度低、反應(yīng)慢等不足。模擬溫度傳感器（如TMP235）使用模擬輸出方式來傳遞溫度，在使用時需要ADC模塊對其輸出進(jìn)行數(shù)字化，并查表確定溫度。而系統(tǒng)所使用的自研IC2031溫度傳感器內(nèi)部使用SMBus通信接口，結(jié)合低功耗ADC設(shè)計技術(shù)以及內(nèi)部的校準(zhǔn)算法，可以大幅提高測溫精度和系統(tǒng)的適用性，使溫度監(jiān)控系統(tǒng)更加智能化和數(shù)字化。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文IC2031測溫系統(tǒng)主要用于對蔬菜大棚的溫度實(shí)時檢測、顯示和統(tǒng)計，其整體框架如圖1所示。該系統(tǒng)控制核心為STM32F103單片機(jī)，外接5 V直流電源進(jìn)行供電，通過IC2031溫度傳感器獲取溫度值，并顯示在0.96寸液晶屏幕上，同時溫度的實(shí)時情況通過ATKESP8266 WiFi模塊上傳到上位機(jī)，方便用戶觀察和統(tǒng)計。

圖1 IC2031測溫系統(tǒng)整體框架

2 IC2031自研溫度傳感器芯片

溫度傳感部分的設(shè)計為本文的重點(diǎn)。傳感采用自研的IC2031芯片，為實(shí)現(xiàn)高精度、快響應(yīng)、低損耗、低成本的指標(biāo)，芯片設(shè)計過程中采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 基于SMBus通信接口復(fù)用設(shè)計技術(shù)

基于SMBus通信協(xié)議復(fù)用設(shè)計實(shí)現(xiàn)封裝后校準(zhǔn)芯片的關(guān)鍵技術(shù)在于校準(zhǔn)指令與內(nèi)部電路的匹配和校準(zhǔn)方案的設(shè)計。設(shè)計的指令和數(shù)據(jù)的格式為8位，指令的低7位包含的信息是操作地址，最高位代表操作的類型。SDA數(shù)據(jù)配合SCL將指令打入指令寄存器中，指令譯碼器對指令寄存器的輸出進(jìn)行譯碼，得到指令中操作類型和操作地址的信息；之后操作數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)總線寄存器中；最后，根據(jù)指令譯碼器的輸出將指令的操作地址通道打開，數(shù)據(jù)被送到地址對應(yīng)的寄存器中。

本文設(shè)計的封裝后在線校準(zhǔn)方案中電路實(shí)現(xiàn)是通過SMBus總線指令將數(shù)據(jù)寫入校準(zhǔn)模塊中，在模擬燒錄的模式下對芯片的帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行修調(diào)，達(dá)到要求后再通過指令控制將修調(diào)位的熔絲熔斷，達(dá)到溫度校準(zhǔn)的目的。

2.2 低功耗設(shè)計技術(shù)

低功耗的ADC設(shè)計技術(shù)是基于SAR型ADC，采樣電路使用開關(guān)電容來傳遞電壓的設(shè)計，轉(zhuǎn)換電路使用時序分時控制。

A/D轉(zhuǎn)換電路工作時序包括采樣和轉(zhuǎn)換兩個階段。在采樣階段，采樣開關(guān)打開，前面的核心感溫電路將差分信號輸入ADC采樣電容的一端，基準(zhǔn)電路將基準(zhǔn)電壓（）輸入到采樣電容的另一端，采樣電容會記錄兩端的電壓差，此時比較器不工作，串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路保持清零狀態(tài)。采樣結(jié)束后，采樣開關(guān)關(guān)閉，基準(zhǔn)電路的輸出端關(guān)閉，采樣電容的輸入端接地，輸出端電壓下降。在網(wǎng)絡(luò)的電荷重新分配的作用下，比較器V和V兩端的輸入壓差比例縮小，比較器開始工作，比較采樣保持電路輸出與DAC輸出的大小，并將結(jié)果存儲在逐次逼近型寄存器中。寄存器的輸出反饋回DAC電路，得到一個新的基準(zhǔn)電壓，新的電壓輸入到比較器中進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換，結(jié)果同樣存儲在寄存器中。如此循環(huán)工作，ADC進(jìn)行逐次比較，直到DAC輸出電壓逐漸逼近參考電壓，串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路輸出相應(yīng)的并行結(jié)果，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段結(jié)束，ADC清零，工作狀態(tài)恢復(fù)至采樣階段，A/D轉(zhuǎn)換一次過程結(jié)束。

2.3 校準(zhǔn)算法設(shè)計

在集成電路制造加工時，工藝偏差會使得制造加工出的產(chǎn)品存在一定誤差。因此，在設(shè)計中需要既考慮工藝偏差，還預(yù)留冗余設(shè)計，但由于電路工作狀態(tài)的高精細(xì)度，導(dǎo)致電路僅能在一定范圍內(nèi)消除工藝偏差，使電路工作狀態(tài)符合預(yù)期。當(dāng)工藝偏差超出冗余設(shè)計的匹配能力時，會導(dǎo)致電路工作狀態(tài)不能滿足預(yù)期要求。所以，本文在電路設(shè)計中引入補(bǔ)償校準(zhǔn)邏輯電路。以解決工藝偏差帶來的負(fù)面影響，保證設(shè)計制造的集成電路處于正常工作狀態(tài)，并能夠輸出滿足性能指標(biāo)要求的結(jié)果。溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)流程如圖2所示。

圖2 溫度校準(zhǔn)流程

3 硬件設(shè)計

溫度傳感器新的應(yīng)用場景是溫度傳感器芯片設(shè)計與相關(guān)外圍應(yīng)用電路設(shè)計的全新方向。

本設(shè)計基于自主研發(fā)的本地/遠(yuǎn)端雙通道數(shù)字式傳感芯片，并將其應(yīng)用在智能生態(tài)、智能農(nóng)業(yè)等典型的溫濕度傳感器芯片應(yīng)用場合。本文高性能溫度傳感芯片的有效設(shè)計需要搭建簡潔、合適的外圍電路，芯片外圍電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 芯片外圍電路設(shè)計

3.1 數(shù)字式溫度傳感芯片IC2031

IC2031是帶有內(nèi)置本地溫度傳感器的遠(yuǎn)程溫度傳感器監(jiān)視器。遠(yuǎn)程溫度傳感器二極管連接的晶體管通常是低成本的NPN或PNP型晶體管或微控制器、微處理器或FPGA中的二極管，對于多個集成電路，遠(yuǎn)程精度為±1℃，無需校準(zhǔn)。二極管連接晶體管遠(yuǎn)程感溫電路如圖4所示，其中兩線串行接口接收SMBus寫字節(jié)、讀字節(jié)、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)命令來配置設(shè)備，產(chǎn)品包括串聯(lián)電阻消除、可編程非理想因子、寬的遠(yuǎn)程溫度測量范圍（最高可達(dá)+150℃）和二極管故障檢測。

圖4 二極管連接晶體管遠(yuǎn)程感溫電路

3.2 主控電路

STM32F103器件采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz。該產(chǎn)品系列具有16 KB~1 MB FLASH、多種控制外設(shè)、USB全速接口和CAN。STM32具有高效的IC接口，方便與多種外部設(shè)備進(jìn)行通信，與本設(shè)計中的數(shù)字式溫度傳感芯片可進(jìn)行穩(wěn)定、高速地交互。STM32核心板支持高速信號輸出，溫度信息可視化能夠得到體現(xiàn)。

3.3 顯示設(shè)置

OLED液晶顯示裝置的優(yōu)點(diǎn)在于顯示清晰、數(shù)據(jù)顯示量大、使用方便、操作簡單。本設(shè)計中使用一塊0.96寸OLED顯示屏來進(jìn)行溫度顯示，當(dāng)用戶在布置單個節(jié)點(diǎn)溫度傳感器時，可以隨時進(jìn)行查看，提高傳感器布控的效率。OLED顯示驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 OLED顯示驅(qū)動電路

3.4 數(shù)字式溫度傳感芯片PCB板設(shè)計

實(shí)際的數(shù)字式溫度傳感芯片PCB與原理圖設(shè)計均使用Cadance Capture CIS與Cadance PCB Editor強(qiáng)大的設(shè)計軟件進(jìn)行，芯片外圍電路原理圖與PCB版圖如圖6所示。二極管連接晶體管遠(yuǎn)程感溫電路PCB版圖如圖7所示。

圖6 芯片外圍電路原理圖與PCB版圖

圖7 二極管連接晶體管遠(yuǎn)程感溫電路PCB版圖

4 系統(tǒng)的部署與應(yīng)用

智能化蔬菜大棚溫度檢測系統(tǒng)適用于蔬菜大棚、機(jī)房、糧倉等室內(nèi)環(huán)境中，通過在多個觀測點(diǎn)布置傳感器芯片實(shí)現(xiàn)對整體空間內(nèi)的溫度檢測，并將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時反饋至中控平臺，建模生成環(huán)境溫度場；同時配合空調(diào)、加熱器、風(fēng)扇等溫控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)環(huán)境內(nèi)溫度的智能調(diào)節(jié)。

4.1 智能化溫度監(jiān)控軟件

PC端溫度監(jiān)控軟件采用C#語言編寫，編程環(huán)境為Visual Studio 2017，基于.NET Framework框架，可以安裝于絕大多數(shù)Windows操作系統(tǒng)的計算機(jī)中，其界面如圖8所示。程序主要用于接收中控單元通過ATKESP8266發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，并顯示在圖形化界面中，同時支持用戶數(shù)據(jù)的本地保存。

圖8 PC端溫度監(jiān)控軟件界面

4.2 中控單元

中控單元是主控計算機(jī)與溫度傳感器之間的橋梁，將溫度傳感器芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并發(fā)送至主控計算機(jī)，同時將計算機(jī)發(fā)出的指令轉(zhuǎn)換為傳感器芯片可以識別的動作指令。中控單元基于STM32F103，程序采用C語言編寫，編程環(huán)境為KeilμVision5，并借助STM32CubMX開發(fā)工具初始化端口，利用其提供的HAL庫函數(shù)能極大地簡化開發(fā)過程。

程序在設(shè)計過程中使用模塊化編程的方法，主要的模塊有IC2031溫度采集模塊、OLED顯示模塊、串口輸出模塊和WiFi傳輸模塊，可在主函數(shù)中將各模塊初始化，調(diào)用執(zhí)行實(shí)現(xiàn)指定功能。其整體流程如圖9所示，各模塊運(yùn)行步驟如下：

圖9 單片機(jī)程序整體流程

1）系統(tǒng)初始化：位于單片機(jī)程序的起始位置，主要由HAL庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)，依次對串口、IC和液晶模塊進(jìn)行初始化。

2）獲取溫度數(shù)據(jù)：此部分為單片機(jī)程序的關(guān)鍵，準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)穩(wěn)定有效的基礎(chǔ)。通過單片機(jī)向IC2031溫度傳感器芯片的指定IC地址發(fā)送和接收指令，實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測溫功能的參數(shù)配置和溫度數(shù)據(jù)的獲取，最后單片機(jī)將讀取到的十六進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制等待使用。

3）OLED顯示模塊：OLED模塊的配置提高了單個溫度傳感器模塊的可視化效果，方便用戶觀察單個節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。該模塊主要包括清空顯示屏、數(shù)據(jù)顯示和刷新顯示屏三部分。

4）檢測模塊功能：主要用于和主控計算機(jī)間通過串口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。配置串口工作模式為異步傳輸，然后向計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)并等待應(yīng)答。

5）ATK-ESP8266傳輸：通過該模塊可以實(shí)現(xiàn)同一Wi Fi環(huán)境下，中控單元和主控計算機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。配置ESP8266為STA模式，然后建立TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 溫度傳感器布控

溫度傳感芯片作為感知探頭，是整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。針對示范環(huán)境對溫度控制要求高、布置多個測試節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用需求，采用本項目研制的智能化高精度本地/遠(yuǎn)端多通道溫度傳感芯片作為感知單元，輔以遠(yuǎn)端測溫二極管，實(shí)現(xiàn)對整個示范環(huán)境溫度的高精度監(jiān)測和控制。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求，在大棚內(nèi)布置單個測溫節(jié)點(diǎn)，也可以進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)的布控，從而實(shí)現(xiàn)對整個大棚空間內(nèi)溫度的測量。單節(jié)點(diǎn)與雙節(jié)點(diǎn)布控示意圖見圖10。

圖10 溫度傳感芯片的單節(jié)點(diǎn)與多節(jié)點(diǎn)布控

5 實(shí)際測溫效果

5.1 空氣溫度測量

空氣溫度測量示意圖如圖11所示。在實(shí)際測溫過程中，將溫度傳感器和中控單元進(jìn)行封裝，從而實(shí)現(xiàn)美觀、防潮的效果，方便系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的部署。

圖11 空氣溫度測量

5.2 系統(tǒng)在大棚現(xiàn)場內(nèi)部署

在實(shí)際測試中，完成了系統(tǒng)在大棚內(nèi)的部署，如圖12所示。從用戶的反饋來看，系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確、穩(wěn)定，可以進(jìn)一步推廣使用。

圖12 大棚現(xiàn)場圖

5.3 測溫精度

為驗(yàn)證系統(tǒng)的測溫精度，選用10只IC2031芯片在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行測溫。測溫范圍選取-55~125℃，測溫間隔選取2℃。測溫結(jié)束后，將10只晶體管的溫度值取平均，再經(jīng)過系統(tǒng)校正后與真實(shí)溫度進(jìn)行對比，結(jié)果如圖13所示。由圖13可以發(fā)現(xiàn)，測試溫度線與真實(shí)溫度線重合度較高，說明IC2031具有較高的測溫精度，可以用于蔬菜大棚內(nèi)的溫度檢測。

圖13 測試溫度與真實(shí)溫度對比

5.4 測溫速度

將本系統(tǒng)使用的IC2031測溫模塊與市面上常用的SHT30測溫模塊進(jìn)行對比，測溫結(jié)果如圖14所示。在對兩個模塊同時進(jìn)行加溫時發(fā)現(xiàn)，IC2031對溫度有更高的敏感性，并且升溫降溫要遠(yuǎn)快于SHT30，可以更加及時、精確地獲取溫度數(shù)據(jù)，測溫效果更好。

圖14 IC2031與SHT30測溫效果對比

6 結(jié) 語

本文設(shè)計的智能化蔬菜大棚溫度檢測系統(tǒng)，通過單片機(jī)STM32F103來讀取溫度傳感器IC2031溫度寄存器中的數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行處理并實(shí)時顯示在OLED液晶屏上，且通過ATK-ESP8266模塊通過WiFi將數(shù)據(jù)傳給PC上位機(jī)，方便用戶觀察和統(tǒng)計。

實(shí)際測溫結(jié)果表明，本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便，處理數(shù)據(jù)快速靈活，且IC2031傳感器測溫穩(wěn)定、準(zhǔn)確，說明該系統(tǒng)設(shè)計方案正確、可行，可有效實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚等復(fù)雜環(huán)境的分布式溫度檢測。