基于柔性電子材料的新型測溫系統

（吉林農業大學信息技術學院，吉林 長春 130118）

一、前言

葉溫作為植物生長狀態的一個顯著特征，植物病害，新老葉片交替都會影響葉溫的變化[1]。測量葉片溫度，對葉溫數據處理分析，是了解植物生長狀況的有效途徑。本文結合Android 技術、物聯網技術和無線傳輸技術，設計了一個實時接收葉片溫度的系統，可在手機客戶端接收顯示溫度，并實現實時監測及智能化控制。

二、系統結構總體設計

本測溫系統中，將柔性貼片黏貼于葉片表面，應用其內部的熱敏電阻感溫器件，采集植物葉表溫度。選用16 位低功耗的AD7663 為芯片進行信號處理，將包裝好的數據經由藍牙模塊與手機終端進行半雙工通信，進行數據包的發送，存儲在手機終端的SDK內。最終將數據以數字、圖像等多種方式顯示于程序界面中，用戶也可對數據進行裁剪、對比等操作。

三、方法與實現

（一）感知層

感知層通過芯片控制傳感器，選擇探頭為表面式的石墨烯納米片溫度傳感器，其自身平面二維結構，使導電網絡在層與層之間容易形成[2]。通過熱傳導原理，觸發電路中高、低電。高性能集成電路對高低電進行處理，并由數字比較器接收到不同變化的數據，從而進行相應的信號轉換。雙向數據線SDA 在時鐘線SCL 高電平期間進行高低電平的跳變，促使控制單元發送數據。地址引腳A0，A1 和A2 可用于硬件地址編程，允許在同個I2C 總線上接入8 個AD7663 器件。在器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過I2C 總線以串行的方式進行傳輸。如下展示表面式探頭的工作原理圖3-1。

（二） 網絡層

系統采用無線短距離藍牙通信技術，實現固定設備和移動設備之間的數據交換傳輸。首先由柔性貼片上的藍牙模塊開啟發送廣播，手機端注冊藍牙接受廣播，藍牙搜索綁定設備，實現節點間串口的連接。將傳感器采集到的信息進行信號處理、數據打包，建立低功耗藍牙連接，實現節點之間的無線通信，完成手機端和柔性貼片兩節點間的連接。

（三）應用層

應用層根據實際需要實現需求功能及軟件的控制管理。可以對收集的信息依據屬性實現自動過濾呈現到用戶手機上。程序能夠搜索到柔性貼片的唯一ID，通過藍牙傳輸，實時顯示測量葉片的溫度值。用戶可進行云端備份且對貼片編號、時間段、溫度區間等選擇性的下載數據。

四、實驗與分析

（一）實驗葉片的選取

本研究選取天南星科觀葉植物如意皇后，其大葉片對自身在蒸騰作用，呼吸作用能很好地自動調節[3]。且葉片光滑，葉片厚度為 294.8±14.53μm[4]，生長最適宜溫度為13-18℃。其栽培容易，生長環境的要求容易實現。研究中采用水培的方法，通過統一配置相同水溶液，將實驗對象放置在相同環境，定期更換水溶液，選擇葉片相同部位黏貼柔性貼片。

（二）柔性貼片和紅外線檢測方法測量的數據對比

如圖4-1 展示二者測量的溫度，其中藍線表示柔性貼片測量數據，紅線表示紅外線測量數據。橫坐標以30秒作為步長，將30秒內采集的數據取平均值代表一個點的溫度，旨在降低空氣流通及熱量輻射等不確定性干擾因素造成的誤差。

（三）分析計算

藍線的波動在17.61-17.68℃之間，紅線的波動在17.41-17.84℃之間。藍線極差為0.07，紅線極差為0.43。根據方差公式得到藍線的方差σ12≈0.000018，紅線的方差σ2

2≈0.001065。通過比較可以看出紅外線測量的數據波動性大，數據不穩定，較為分散。測量方式的不同，造成數據誤差較大。為規避數值計量單位的影響，通過標準差與均值比值所得的變異系數公式1，用相對量反應數據的變異情況。

通過計算，柔性貼片測得數據的變異系數為CV1 ≈ 0.000247，紅外線測量數據的變異系數為CV2 ≈0.001878。比較變異系數，確定柔性貼片測量的數據更穩定。綜合上述對比，可得出柔性貼片采集的數據比紅外線測量的數據更精密。

五、討論與總結

本系統實現采集葉片溫度數據以及進行傳輸，并在手機客戶端接收顯示。從系統結構層次出發，將物聯網理論應用于系統本身，對貼片的新型材料進行介紹，闡明這種新型的測量葉溫技術的實時性，便攜性，簡單操作的特性。隨著精準農業信息化數據的增多，科技的快速發展應該輔助推動現代農業的進步，物聯網技術在農業設施中的應用將更加廣泛。