劉迎雪 嚴(yán)涓綺

摘?要：在我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(huì)在家中添置魚缸，而該生態(tài)容器可以讓人們實(shí)時(shí)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(jī)App，從而根據(jù)數(shù)據(jù)來對(duì)容器進(jìn)行調(diào)整。本文將討論實(shí)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(hào)：S951+TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(hào)。溫度探測(cè)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(cè)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(cè)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魍瓿傻模瑥亩寽囟葌鞲衅黠@示數(shù)值可以直接表現(xiàn)被測(cè)局部的溫度。通常情況下測(cè)量的精準(zhǔn)度比較高。溫度傳感器不僅可以測(cè)量物體外部溫度的散布情況，同時(shí)也能夠在特定條件下檢測(cè)物體內(nèi)部溫度的散布狀況。然而關(guān)于在運(yùn)動(dòng)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(shí)的活動(dòng)中，普通民眾也會(huì)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(cè)量高度精確、占地小和維穩(wěn)性強(qiáng)。

非接觸式測(cè)溫儀器是一種不與被測(cè)局部直接觸碰的測(cè)溫儀器。這類儀器能夠檢測(cè)活動(dòng)中的物質(zhì)，即使是微型目標(biāo)和溫度變動(dòng)極快的物質(zhì)都可以被檢測(cè)。與此同時(shí)它也能夠被用來檢測(cè)溫度場(chǎng)溫度的散布狀況。在輻射測(cè)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(cè)量措施都僅可以檢測(cè)到輻射溫度、光亮度和比色溫度。然而真正的溫度只有對(duì)黑體所測(cè)量出來的才是準(zhǔn)確的。假設(shè)想要測(cè)量物體的實(shí)際溫度，那么務(wù)必修改材料外表發(fā)射率。然而除了波長(zhǎng)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(cè)量。在制造業(yè)中通常要用輻射測(cè)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(cè)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(duì)測(cè)量溫度，最終能夠獲取測(cè)量外表的切實(shí)溫度。

二、 濕度傳感器

在生活中，人們的各項(xiàng)社會(huì)行為和濕度息息相干。在各種不一樣的運(yùn)用范圍，對(duì)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(cè)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(cè)量范疇。通常情況下，溫濕度的監(jiān)控通常不必實(shí)時(shí)測(cè)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(yùn)用到了人類生活的方方面面，與自動(dòng)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(cè)量的真正目的，應(yīng)用范疇是測(cè)量范疇和控制范疇的合稱。與測(cè)量范疇相同，對(duì)精度的測(cè)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(jià)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(huì)隨著小水珠附著在薄膜上而變動(dòng)，通過此特點(diǎn)能夠測(cè)量濕度。一旦環(huán)境的濕度有著變動(dòng)，電容量會(huì)隨著濕敏電容的介電常數(shù)的變動(dòng)而發(fā)生變動(dòng)，電容改變的程度和其相對(duì)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(cè)環(huán)境濕度的時(shí)候，濕敏元件會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間地裸露放置在將要檢測(cè)的環(huán)境中，污染現(xiàn)象很可能發(fā)生在元件上，如果要長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)環(huán)境會(huì)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(cè)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(jī)溶劑的環(huán)境中。若要精確顯示被測(cè)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(cè)量的建筑物太大，那么應(yīng)該多設(shè)置幾個(gè)傳感器，但注意在應(yīng)用的時(shí)候要提供契合精度要求的適宜電源。因?yàn)榇嬖跐穸葌鞲衅饔兄芨叩碾娫礂l件，不然將會(huì)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(cè)氣體絕對(duì)壓強(qiáng)的儀器，其通常運(yùn)用于和氣體壓強(qiáng)相關(guān)的各類物理、化學(xué)和生物試驗(yàn)中。氣壓傳感器主要由一個(gè)薄膜和一個(gè)頂針組成。同時(shí)在電路上氣壓傳感器連通了一個(gè)用柔性材質(zhì)制成的電阻器。在被測(cè)氣體的壓力發(fā)生變化時(shí)，敏感的薄膜則會(huì)變形并帶動(dòng)頂針變動(dòng)，與此同時(shí)，電路開始工作，該電阻器的阻值會(huì)產(chǎn)生改動(dòng)。一旦電阻器的阻值產(chǎn)生改動(dòng)，會(huì)從傳感元件處隨機(jī)獲得一個(gè)低頻信號(hào)電壓，而后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變動(dòng)會(huì)由數(shù)據(jù)采集器搜集，隨后數(shù)據(jù)采集器會(huì)用計(jì)算機(jī)能夠接納的方式發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

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(jì)，同時(shí)預(yù)留了SPI接口，能夠?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)范圍在0至99%RH，分辨率在0.1%RH，誤差±2%RH，濕度的測(cè)量反應(yīng)時(shí)間為1s。壓力監(jiān)測(cè)范圍在300至1100hPa。

同時(shí)，萬有引力I2C BME280傳感器運(yùn)用博世新型MEMS傳感器，有著極佳的可靠性。壓力測(cè)量在整個(gè)溫度范圍內(nèi)是十分堅(jiān)固的。當(dāng)溫度變化時(shí)，1℃溫度變動(dòng)引起的誤差僅為12.6cm。這樣的穩(wěn)定性可以大大提高本實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)二氧化碳濃度的傳感器，同時(shí)也是用來調(diào)控濃度變成影響植物的生長(zhǎng)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(yùn)用非色散紅外原理對(duì)空氣中的二氧化碳施行檢測(cè)，其有很好的選擇性，不存在對(duì)氧氣的依賴，大范圍運(yùn)用于可能會(huì)爆炸、有可燃性氣體的場(chǎng)合。催化二氧化碳傳感器則是將在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)到的二氧化碳濃度經(jīng)由計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成為規(guī)范的信號(hào)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(dòng)的原理制造而成，由探測(cè)元件和補(bǔ)償元件匹配組合成為電橋的兩個(gè)臂，其碰到可燃?xì)怏w時(shí)探測(cè)元件的電阻會(huì)降低，碰到非可燃?xì)怏w時(shí)檢測(cè)元件的電阻會(huì)增加，而橋路輸出的電壓改變量會(huì)隨氣體的濃度增加而成正比例地增加。

本生態(tài)容器運(yùn)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(yùn)用非彌散紅外（ndir）原理，對(duì)空氣中的二氧化碳進(jìn)行探測(cè)，具備良好的選擇性且不依賴氧氣，并且內(nèi)置溫度補(bǔ)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(cè)技術(shù)與精確的光路設(shè)計(jì)、精細(xì)的電路設(shè)計(jì)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(zhǎng)等特征。傳感器的供電電壓在4.5—5.5V，測(cè)量的范圍在0至幾千ppm，精度在±（50ppm+3%讀數(shù)），響應(yīng)時(shí)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(cè)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(cè)的目標(biāo)。在傳感器中是一個(gè)紅外對(duì)管。它的原理是當(dāng)光線穿過液體時(shí)，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(cè)量洗菜機(jī)、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(shí)間。還可用于江海湖泊、雨污分流、水域檢測(cè)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(zhǎng)時(shí)間記錄水濁度。該傳感器的工作電壓為5V，存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

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(cè)量范圍在0至14pH，測(cè)量環(huán)境的溫度可以在0℃至60℃，響應(yīng)時(shí)間小于1min。

七、 光傳感器

動(dòng)中部經(jīng)濟(jì)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(hào)的元件。本實(shí)驗(yàn)中主要采用的是環(huán)境光傳感器動(dòng)中部經(jīng)濟(jì)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。基于LX1972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(duì)環(huán)境光強(qiáng)度的判斷，從而促進(jìn)友好交互的應(yīng)用動(dòng)中部經(jīng)濟(jì)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(gè)可以實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)的動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整缸內(nèi)條件，節(jié)省人力和成本。

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作者簡(jiǎn)介：

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