结果合不合预期，就看传感器选择细不细

编者注： 这是一系列文章的第二部分（见下面的文章链接），以一个智能灌溉项目为例，探讨现实世界中大多数控制系统需要解决的各类型的问题。

• 第 1 部分 - 确定基于 Arduino 的灌溉项目范围时需要回答的六个问题
• 第 2 部分 - 谨慎选择传感器，确保获得符合预期的结果
• 第 3 部分 - 分布式控制应用的通信考虑因素

所有智能项目考虑的关键因素不仅仅是此应用能实现的功能，还包括应用必须化解或确保不会发生故障情况。细心选择协同工作的传感器组合可确保系统获取严丝合缝的传感器读数，从而更好地满足这一类要求。

在典型的灌溉系统中，控制器能确保使用合适的致动器，允许和/或阻止来自水源的水通过管道及喷头抵达目的地（图 1）。任何灌溉系统都必须成功实现的主要功能是，确保其负责的每个特定位置都能获得规定的水量。根据各区域内种植的具体作物，每个位置或区域需要的水量可能各不相同。要实现此控制，最简便且最常用的方法是在测定的时间段内提供已知水速，从而提供所需的最小水量。

3

图 1：展示典型灌溉系统功能区的框图。其中每个区域都有可能成为故障源，控制器应该能对其进行检测。（来源：使用 DigiKey 的 Scheme-it 在线示意图和图表绘制工具创建）

3

这种简单的基于定时器的控制器方法将确保灌溉系统其余部分正常工作的责任完全分派给了用户。这适用于小型灌溉系统，未检测到故障所产生的后果也有限。通常情况下，用户负责确保：

1. 控制器、时钟、灌溉定时器计划都在正确运行。
2. 水源以预期的流速提供新鲜、洁净的水。
3. 致动器根据需要持续开启和关闭。
4. 管道不存在泄漏。
5. 所有喷头都能正确地洒水。

智能灌溉系统可使用多种传感器，帮助用户分担部分或大多数责任，在出现上述各种故障时进行检测、响应并通知用户。由于灌溉项目规模庞大，且/或用户无法频繁验证灌溉系统是否处于正常运行状态，未检测到的故障可能会造成严重的水资源浪费，并因违反当地的灌溉限制而招致罚款，因此，尽管智能灌溉系统价格高昂、操作复杂，仍有必要采用此系统。与此同时，通过使用传感器，可根据环境条件的变化智能地增减提供的水量，从而有机会节省开支。

湿度传感器

通过感测每个位置的湿度，控制器能够智能地调整在各个位置提供的水量和供水时间。利用湿度传感器，控制器可以检测湿度，并在需要的时间和位置动态供水，而不是仅仅基于静态的时间表。

湿度是空气中存在的水蒸气，衡量湿度时最常用的单位包括相对湿度、露点/霜点以及百万分率 (ppm)。下面我们来说明一下上述术语。相对湿度是温度的函数，而露点/霜点则是气压的函数，且与温度无关。百万分率单位可提供绝对测量值。

在工业烘干等强调空气干燥度的场合下，通常采用露点/霜点测量值。大多数湿度传感器是相对湿度传感器，可使用不同的检测原理，这些原理会影响到每种传感器最适合的工作环境。

电阻式湿度传感器测量传感器元件的电阻值变化，通常由塑料或玻璃圆筒上的贵金属电极构成。基底涂有盐或导电聚合物，当传感器吸收水蒸气后，导电率会有所增加。由于电阻式湿度传感器无需湿度校准标准，一般可在现场更换。但电阻式湿度传感器表现出很强的温度依赖性，将其安装在温度波动幅度超过 10˚F 的环境时会受到影响。如果将其暴露在凝结环境下，传感器数值也会发生偏移。

电容式湿度传感器则测量相对湿度，在工业、商业和天气遥感应用中得以广泛使用。此类传感器依赖于夹在构成小电容器的一对电极之间的吸湿性介电材料。当传感器吸收水蒸气后，传感器的电容就会增加。电容式湿度传感器能够在高温中工作，并能从凝结状态完全恢复，对化学蒸汽也有相当的抵抗性。然而，电容式湿度传感器存在一项实际制约，即检测元件与信号调节电路之间的距离须小于十英尺。

带有集成温度传感器的 Texas Instruments HDC1008 数字式湿度传感器就是一个优秀的电容式湿度传感器实例。其检测元件位于器件底部，因而在面对污垢、灰尘和其他环境污染物时更为稳定（图 2）。

3

图 2：Texas Instruments HDC1008 湿度传感器的检测元件位于 WLCSP 的底部，增加了对污垢、灰尘和其它环境污染物的抗扰度。（来源：Texas Instruments）

该器件包含集成式电阻元件，可用来对传感器进行测试和除霜解冻。湿度和温度传感器经工厂校准，其 16 位寄存器中包含一个 14 位的值，精度取决于所选转换时间（图 3）。

3

图 3：HDC1008 支持睡眠和测量模式。在睡眠模式中，器件会等待 I²C 输入，以配置转换时间、读取电池状态、触发测量或读取测量值。当测量模式完成时，它会将 DRDYn 线路设为低电平，并返回睡眠模式。（来源：Texas Instruments）

它的功耗很低，在睡眠模式中通常仅消耗 110 nA 电流，因此适用于电池或能源收集应用。该器件包含 BIST（内置自检）功能，能够指示电压电源低于 2.8 V 的情况。这样，系统便能通知用户何时更换电池。每个器件包含一个 40 位的唯一序列号。

故障检测

虽然只要湿度传感器放置得当，智能灌溉控制系统就能避免某个区域过度灌溉或灌溉不足，但是传感器自身无法直接检测整个灌溉组件链上的故障。由于其中汇集了其他种类的传感器，并且巧妙地关联了所有这些传感器提供的数据，因此系统可检测的故障范围更加广泛。

借助水流传感器，智能灌溉控制器能检测在何时有多少水量流过此系统。通过将水流传感器的测量值与预期的操作状态结合在一起，可让控制器检测系统级的故障，例如：

1. 致动器未能关闭，因为没有任何灌溉时水仍在流动。
2. 管道或喷水头可能被堵塞，因为被灌溉区域的水流量低于预期。
3. 管道或喷水头可能出现破裂，因为被灌溉区域的水流量高于预期。

另外，将多种土壤湿度读数与水流量读数相结合，可检测出每个单独站点当前读数与历史读数之间的意外差别，以及每个站点之间的湿度变化率差异（这表明各个湿度传感器位置周围的水流量过大或过小），从而使系统能够缩小出现破裂或堵塞的管道或喷水头位置范围。智能控制器应该能够检测和识别指定传感器所在的区域正在接受灌溉但其湿度并未升高的情况。

如果水流量读数在预期值区间内，这可能表示水流在其他区域发生泄漏，而没有抵达目标区域。但是，这也可能意味着湿度传感器已被移动，用户未能将传感器的新位置传送到控制器中。

结语

只需使用一个定时器来控制系统的工作时间，就能实现小型的简易灌溉项目。随着系统故障造成的影响越来越大，有必要增加传感器，确保可检测故障不会导致大的损失。增加湿度传感器能让控制器避免责任区域过度灌溉或灌溉不足。增加水流传感器能进一步增强控制器的检测能力，以及精确查找灌溉系统输送链上故障位置的能力。

但归根到底，如果灌溉控制系统所控制的灌溉布局效率低下、保养程序不足，或无法精确追踪任何景观或环境变化，无论集成多少智能技术也无济于事。

通过在灌溉系统布局中采用更多类型的传感器并获得更强的可见性，智能灌溉控制器可检测更多有关环境及其对景观各部分影响的信息，从而提高智能灌溉控制器的用水效率。这将是此系列的另一篇文章的讨论主题；不过在讨论该主题之前，此系列的下一篇文章会首先讨论通信注意因素，包括组件间通信、用户界面以及外联网通信。