基于手机 APP 的便携式智能无线 FDR 传感器系统的设计

姜 晶，张 宪，修威国，毕冬云，刘 慧

（中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001）

基于手机 APP 的便携式智能无线 FDR 传感器系统的设计

姜 晶，张 宪，修威国，毕冬云，刘 慧

（中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001）

设计了一种基于频域反射法（FDR）且具有充电功能的无线便携式传感器，能够实现自动采集、无线传输、便携充电等功能。该采集单元以单片机为核心，采用MC9S082AW60进行数据采集，通过无线传输技术进行实时传输，实现了FDR传感器的高精度、实时性强、携带方便等优点。该传感器使用简单，携带方便，适合操作人员在现场随时进行采集。

无线传输；FDR；便携式

引言

水资源是人类赖以生存的根本，因此需要积极快速地开展节水设备的推广和应用。这其中监测的重点为水分，而目前此类传感器测量的精度不高，并且为分立式有线测量，大面积组网监测实现困难，因此现需要一种分布式、网络化、精度高的测量水分的测量装置。本设计是基于频域反射（FDR）技术设计原理，它具有充电功能，并结合WiFi无线数据传输接口，实现了无线数据传输的同时可以通过手机APP进行在线监测，且不受电缆布线的困扰。

1 设计原理

FDR法相对于其它方法更简单，测量更方便。FDR法工作频率较低，在测量上实现相对容易，因此本传感器采用的工作原理w为FDR法。根据频率的变化来确定土壤水分含量[1]。它的设计原理是由一对圆形铜环作为电容的两个极，传输的电介质为含有水分的土壤，有铜环和振荡器分频器组成一个震荡调谐电路。由于水的介电常数要远高于其他介质的介电常数，当土壤的含水量发生变化时，其介电常数也会发生相应的变化，由此产生了电容量的变化。当水分增加时与电容值也会增加，而频率又与电容量成正比，因此可以根据频率的改变来确定目标土壤的水分含量。下面的数学模型就是根据这个原理建立即[2]：将土壤水分的变化量转化为相应的频率信号，从而转换成归一化的频率SF如公式（1），利用其变化量来测量其体积含水量（V %）如公式（2）：

其中：FS：所测频率；

Fa：放置空气中的频率；Fw：放置水中的频率。体积含水量V %是土壤水分占有的体积（Vw）与土壤体积（Ve）之比，

输出频率与体积含水量的关系为SF = a×Vb+ c，其中a，b是由大样本数值确定为常数项，由c这个常数项是由相关系数r来确定。相关系数的理论模型为：假设x、y是两个随机的变量。Xi，yi是他们的各次取值，i＝1， 2，…，n。，是它们的几何平均值。定义变量x、y的相关系数为：

对上式进行简化，可以得到如下计算形式：

其中：n：测量次数；

2 无线设计

WiFi是无线网络通信的工业标准，该技术是将手机或者手持设备终端通过无线的方式进行相连接的一种技术[3]，并且可以开发通用的APP软件，使得现场的工作人员通过手机，手持设备在线接收传输的数据。WiFi网络结构由接入点AP和无线网卡组成。AP是有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，通过装有无线网卡的设备分享有线局域网络甚至广域网络的资源，它的实现是一个内置无线发射器的HUB或者是路由，而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的终端设备[4]。本测试仪利用手机终端APP进行数据接收，如图1所示。

3 充电模块设计

从测量仪需要在农田中测量的实际使用需求考虑出发，若测量仪可以自带电源将很好地解决了电源的依赖，而电池的待机性能却成为制约测量仪使用的瓶颈，小型化、长工作时间也成为电源的内在要求,根据实际应用的需求，增加了在线充电的功能，即在测量仪内置锂电池，可以通过直流设备进行充电，也可以通过大容量充电宝进行充电[5]。在充电开始阶段为恒流充电阶段：电池的电压较低，充电的电流基本不变随着充电的继续进行，电池的电压逐渐上升。当单体电池的电压升到预设值时，充电器立即转入恒压充电，这样可以避免充电电压超过预设值时对锂电池的永久性损坏。

充电电路的原理设计如图2所示。

图1 手机终端APP

图2 充电电路原理设计

图3 FDR传感器设计原理框图

4 FDR传感器的设计

本测量仪选用微处理单MC9S08AW60作为中央处理器，传感器主要分为七大部分，如图3所示[6]。设计中采用振荡频率在280 MHz振荡器作为信号源，分频后扫描频率为50～70 kHz，信号电压经过传输线与谐振电路，产生反射形成频率信号后经过单片机处理形成归一化曲线从而标记出水分的实际含量。以大数据样本数的作为初始值来确定a，b，c的值，从而确定SF曲线[7]。如图4所示，可见相关系数接近于1，是十分理想的拟合曲线。

图4 FDR传感器及数据拟合曲线

图5 实验数据轨迹

5 实验数据

FRD传感器分别标记为深度10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm，60 cm以及70 cm处的数值，将待实验的传感器与烘干法的结果进行7次的对比标定，即标定为5 %、10 %、15 %、20 %、25 %、30 %、35 %的介质柱，通过SF计算，得到的实际体积含水量实验数据轨迹如图5所示。

从实际测试的数据及实际体积含水量与希望体积含水量之间的比对结果来看，其拟合度非常高，因此具有良好的精度和线性度，满足实际使用的需要。

6 结束语

本设计利用FDR法设计的传感器，实现了多个传感探头对垂直深度的测量，无线快速连接，不需进行布线埋设，并且在户外可外接充电的移动电源进行充电，它可以实现产量最大化、品质最优化，降低生产成本，并且可以大范围部署，通过无线网络化技术实现自动监测。

[1] 黄飞龙,黄宏智,李昕娣,林金田.基于频域反射的土壤水分探测传感器设计.传感技术学报[J], 2011, 24(9):1367-1370.

[2]张宪,姜晶,王劲松.基于FDR技术的土壤水分传感器设计[J].自动化技术与应用, 2011, 30(11):61-65.

[3]王巧利.基于介电原理的浅层土壤水分测量方法研究[D] 北京:北京林业大学, 2015.

[4]高炉东,张继光,王黎明,等.土壤水分传感器实验室校准与一致性分析.安徽农业科学[J]. 2015, 20(126):56-60.

[5]李加念,贾闯.电容式土壤水分传感器的电导变异性试验研究[J].传感器与微系, 2014 , 8(12):28-32.

[6]张瑞卿,戈振扬,单伟,等.基于FDR原理的自动灌溉系统设计[J].传感器与微系统, 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，硕士，工程师，主要从事智能传感器及测量技术工作。