自研温度传感芯片在智慧农业中的示范应用

朱文旗，常 昊，刘超超，王洪昌，李万里，鉴海防

（1.北方工业大学，北京 100144；2.中国科学院微电子研究所，北京 100029；3.北京天创金农科技有限公司，北京 100025；4.中国科学院半导体研究所，北京 100083）

0 引 言

在农业生产领域，最具标志性的生产技术是温室大棚种植技术。温室大棚需要对许多环境因素进行调控，如温度、光照、湿度、二氧化碳浓度等，但在诸多因素中，温度控制是最为基础的。温度作为环境的重要指标之一，其本身具有时滞性和强非线性。除此之外，温室大棚内的温度控制还有两大难题：

1）干扰因素多：温室大棚是一个半封闭、半开放的循环系统，大棚内温度易受到外界气候的干扰与影响，光照是影响大棚内温度、湿度的关键要素。室外空气温度、湿度、土壤性质都会影响室内温度和湿度的稳定性。

2）分布不均匀：以北方常见的蔬菜大棚为例，大棚往往会建成一个扇形空间。这种结构自身的空间分布就是不均匀的，再加上设备分布、太阳辐射的不均匀性使得大棚内的温度分布差异较大。据统计，大棚内高低温差可以达到4~6℃。

而市面上的温控系统多采取电阻式的温度传感器，存在精度低、反应慢等不足。模拟温度传感器（如TMP235）使用模拟输出方式来传递温度，在使用时需要ADC模块对其输出进行数字化，并查表确定温度。而系统所使用的自研IC2031温度传感器内部使用SMBus通信接口，结合低功耗ADC设计技术以及内部的校准算法，可以大幅提高测温精度和系统的适用性，使温度监控系统更加智能化和数字化。

1 系统整体设计

本文IC2031测温系统主要用于对蔬菜大棚的温度实时检测、显示和统计，其整体框架如图1所示。该系统控制核心为STM32F103单片机，外接5 V直流电源进行供电，通过IC2031温度传感器获取温度值，并显示在0.96寸液晶屏幕上，同时温度的实时情况通过ATKESP8266 WiFi模块上传到上位机，方便用户观察和统计。

图1 IC2031测温系统整体框架

2 IC2031自研温度传感器芯片

温度传感部分的设计为本文的重点。传感采用自研的IC2031芯片，为实现高精度、快响应、低损耗、低成本的指标，芯片设计过程中采用了以下关键技术：

2.1 基于SMBus通信接口复用设计技术

基于SMBus通信协议复用设计实现封装后校准芯片的关键技术在于校准指令与内部电路的匹配和校准方案的设计。设计的指令和数据的格式为8位，指令的低7位包含的信息是操作地址，最高位代表操作的类型。SDA数据配合SCL将指令打入指令寄存器中，指令译码器对指令寄存器的输出进行译码，得到指令中操作类型和操作地址的信息；之后操作数据被存储在数据总线寄存器中；最后，根据指令译码器的输出将指令的操作地址通道打开，数据被送到地址对应的寄存器中。

本文设计的封装后在线校准方案中电路实现是通过SMBus总线指令将数据写入校准模块中，在模拟烧录的模式下对芯片的带隙基准电压进行修调，达到要求后再通过指令控制将修调位的熔丝熔断，达到温度校准的目的。

2.2 低功耗设计技术

低功耗的ADC设计技术是基于SAR型ADC，采样电路使用开关电容来传递电压的设计，转换电路使用时序分时控制。

A/D转换电路工作时序包括采样和转换两个阶段。在采样阶段，采样开关打开，前面的核心感温电路将差分信号输入ADC采样电容的一端，基准电路将基准电压（）输入到采样电容的另一端，采样电容会记录两端的电压差，此时比较器不工作，串并数据转换电路保持清零状态。采样结束后，采样开关关闭，基准电路的输出端关闭，采样电容的输入端接地，输出端电压下降。在网络的电荷重新分配的作用下，比较器V和V两端的输入压差比例缩小，比较器开始工作，比较采样保持电路输出与DAC输出的大小，并将结果存储在逐次逼近型寄存器中。寄存器的输出反馈回DAC电路，得到一个新的基准电压，新的电压输入到比较器中进行下一次转换，结果同样存储在寄存器中。如此循环工作，ADC进行逐次比较，直到DAC输出电压逐渐逼近参考电压，串并数据转换电路输出相应的并行结果，数据转换阶段结束，ADC清零，工作状态恢复至采样阶段，A/D转换一次过程结束。

2.3 校准算法设计

在集成电路制造加工时，工艺偏差会使得制造加工出的产品存在一定误差。因此，在设计中需要既考虑工艺偏差，还预留冗余设计，但由于电路工作状态的高精细度，导致电路仅能在一定范围内消除工艺偏差，使电路工作状态符合预期。当工艺偏差超出冗余设计的匹配能力时，会导致电路工作状态不能满足预期要求。所以，本文在电路设计中引入补偿校准逻辑电路。以解决工艺偏差带来的负面影响，保证设计制造的集成电路处于正常工作状态，并能够输出满足性能指标要求的结果。温度补偿校准流程如图2所示。

图2 温度校准流程

3 硬件设计

温度传感器新的应用场景是温度传感器芯片设计与相关外围应用电路设计的全新方向。

本设计基于自主研发的本地/远端双通道数字式传感芯片，并将其应用在智能生态、智能农业等典型的温湿度传感器芯片应用场合。本文高性能温度传感芯片的有效设计需要搭建简洁、合适的外围电路，芯片外围电路设计如图3所示。

图3 芯片外围电路设计

3.1 数字式温度传感芯片IC2031

IC2031是带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器二极管连接的晶体管通常是低成本的NPN或PNP型晶体管或微控制器、微处理器或FPGA中的二极管，对于多个集成电路，远程精度为±1℃，无需校准。二极管连接晶体管远程感温电路如图4所示，其中两线串行接口接收SMBus写字节、读字节、发送字节和接收字节命令来配置设备，产品包括串联电阻消除、可编程非理想因子、宽的远程温度测量范围（最高可达+150℃）和二极管故障检测。

图4 二极管连接晶体管远程感温电路

3.2 主控电路

STM32F103器件采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72 MHz。该产品系列具有16 KB~1 MB FLASH、多种控制外设、USB全速接口和CAN。STM32具有高效的IC接口，方便与多种外部设备进行通信，与本设计中的数字式温度传感芯片可进行稳定、高速地交互。STM32核心板支持高速信号输出，温度信息可视化能够得到体现。

3.3 显示设置

OLED液晶显示装置的优点在于显示清晰、数据显示量大、使用方便、操作简单。本设计中使用一块0.96寸OLED显示屏来进行温度显示，当用户在布置单个节点温度传感器时，可以随时进行查看，提高传感器布控的效率。OLED显示驱动电路如图5所示。

图5 OLED显示驱动电路

3.4 数字式温度传感芯片PCB板设计

实际的数字式温度传感芯片PCB与原理图设计均使用Cadance Capture CIS与Cadance PCB Editor强大的设计软件进行，芯片外围电路原理图与PCB版图如图6所示。二极管连接晶体管远程感温电路PCB版图如图7所示。

图6 芯片外围电路原理图与PCB版图

图7 二极管连接晶体管远程感温电路PCB版图

4 系统的部署与应用

智能化蔬菜大棚温度检测系统适用于蔬菜大棚、机房、粮仓等室内环境中，通过在多个观测点布置传感器芯片实现对整体空间内的温度检测，并将温度数据实时反馈至中控平台，建模生成环境温度场；同时配合空调、加热器、风扇等温控设备，实现环境内温度的智能调节。

4.1 智能化温度监控软件

PC端温度监控软件采用C#语言编写，编程环境为Visual Studio 2017，基于.NET Framework框架，可以安装于绝大多数Windows操作系统的计算机中，其界面如图8所示。程序主要用于接收中控单元通过ATKESP8266发送的温度数据，并显示在图形化界面中，同时支持用户数据的本地保存。

图8 PC端温度监控软件界面

4.2 中控单元

中控单元是主控计算机与温度传感器之间的桥梁，将温度传感器芯片发送的数据进行解析并发送至主控计算机，同时将计算机发出的指令转换为传感器芯片可以识别的动作指令。中控单元基于STM32F103，程序采用C语言编写，编程环境为KeilμVision5，并借助STM32CubMX开发工具初始化端口，利用其提供的HAL库函数能极大地简化开发过程。

程序在设计过程中使用模块化编程的方法，主要的模块有IC2031温度采集模块、OLED显示模块、串口输出模块和WiFi传输模块，可在主函数中将各模块初始化，调用执行实现指定功能。其整体流程如图9所示，各模块运行步骤如下：

图9 单片机程序整体流程

1）系统初始化：位于单片机程序的起始位置，主要由HAL库函数实现，依次对串口、IC和液晶模块进行初始化。

2）获取温度数据：此部分为单片机程序的关键，准确的温度数据是整个系统稳定有效的基础。通过单片机向IC2031温度传感器芯片的指定IC地址发送和接收指令，实现进行测温功能的参数配置和温度数据的获取，最后单片机将读取到的十六进制温度数据转换为十进制等待使用。

3）OLED显示模块：OLED模块的配置提高了单个温度传感器模块的可视化效果，方便用户观察单个节点的温度数据。该模块主要包括清空显示屏、数据显示和刷新显示屏三部分。

4）检测模块功能：主要用于和主控计算机间通过串口模块进行数据传输。配置串口工作模式为异步传输，然后向计算机发送数据并等待应答。

5）ATK-ESP8266传输：通过该模块可以实现同一Wi Fi环境下，中控单元和主控计算机之间的无线数据传输。配置ESP8266为STA模式，然后建立TCP/IP协议进行数据传输。

4.3 温度传感器布控

温度传感芯片作为感知探头，是整套系统的数据来源。针对示范环境对温度控制要求高、布置多个测试节点的应用需求，采用本项目研制的智能化高精度本地/远端多通道温度传感芯片作为感知单元，辅以远端测温二极管，实现对整个示范环境温度的高精度监测和控制。用户可以根据实际需求，在大棚内布置单个测温节点，也可以进行多节点的布控，从而实现对整个大棚空间内温度的测量。单节点与双节点布控示意图见图10。

图10 温度传感芯片的单节点与多节点布控

5 实际测温效果

5.1 空气温度测量

空气温度测量示意图如图11所示。在实际测温过程中，将温度传感器和中控单元进行封装，从而实现美观、防潮的效果，方便系统在实际环境中的部署。

图11 空气温度测量

5.2 系统在大棚现场内部署

在实际测试中，完成了系统在大棚内的部署，如图12所示。从用户的反馈来看，系统测温准确、稳定，可以进一步推广使用。

图12 大棚现场图

5.3 测温精度

为验证系统的测温精度，选用10只IC2031芯片在恒温箱内进行测温。测温范围选取-55~125℃，测温间隔选取2℃。测温结束后，将10只晶体管的温度值取平均，再经过系统校正后与真实温度进行对比，结果如图13所示。由图13可以发现，测试温度线与真实温度线重合度较高，说明IC2031具有较高的测温精度，可以用于蔬菜大棚内的温度检测。

图13 测试温度与真实温度对比

5.4 测温速度

将本系统使用的IC2031测温模块与市面上常用的SHT30测温模块进行对比，测温结果如图14所示。在对两个模块同时进行加温时发现，IC2031对温度有更高的敏感性，并且升温降温要远快于SHT30，可以更加及时、精确地获取温度数据，测温效果更好。

图14 IC2031与SHT30测温效果对比

6 结 语

本文设计的智能化蔬菜大棚温度检测系统，通过单片机STM32F103来读取温度传感器IC2031温度寄存器中的数据，然后对其进行处理并实时显示在OLED液晶屏上，且通过ATK-ESP8266模块通过WiFi将数据传给PC上位机，方便用户观察和统计。

实际测温结果表明，本文系统结构简单、调试方便，处理数据快速灵活，且IC2031传感器测温稳定、准确，说明该系统设计方案正确、可行，可有效实现蔬菜大棚等复杂环境的分布式温度检测。