一种基于光纤湿度传感器的环境检测系统及方法

1.本发明涉及一种基于光纤湿度传感器的环境检测系统及方法，属于数据采集处理技术领域。


背景技术：

2.当今社会是一个智能化的社会，好的发明创造能给人们带来更好的生活体验。湿度传感器的应用很广泛，在空气湿度量检测、制药过程监测、食品制造过程监测、建筑安全性监测以及人体疾病探查方面都发挥着极其重要的作用。2020年来，新型冠状病毒席卷全球，温度、湿度等环境测量尤其重要。光纤湿度传感器比普通的湿度传感器响应时间更短，灵敏度更高，精确度更高。
3.现在市面上的传统的湿度传感器主要表现在调节能力比较弱，对数据的处理灵敏度不高，光纤湿度传感器应用较少，目前，光纤湿度传感器通常镶嵌到一个位置，然后进行检测，而光纤湿度传感器放置到固定位置，检测效果较差，并且无法移动，在使用中较为不便。
4.使用传统光敏材料的光纤传感器其弊端主要是响应时间慢、寿命有限，材料的吸湿排湿过程需要较长时间，常用的湿敏材料属于有机物，反复的吸湿和排湿加速了老化，使其容易从光纤上剥落而失效。传统的光纤内湿度传感器，很大一部分光纤湿度传感器不可重复，而且体积大，制作复杂，不易产品化，只能停留在实验室，缺少与现有的湿度传感器的竞争优势，具体应用起来十分困难。设计一个既智能又高效的湿度传感器成为众多研究领域中的热点问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于光纤湿度传感器的环境检测系统及方法，可以精确快速检测湿度后进行信息传递。
6.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.第一方面，本发明提供了一种基于光纤湿度传感器的环境检测方法，包括：
8.向光照强度模块发送iic通信请求；
9.接收光照强度模块根据光强模拟信号处理得到的实际光强数字信号；
10.接收温度检测传感器发送的实际温度值；
11.基于实际光强数字信号计算空气中的实际湿度数据；
12.输出实际温度值、实际湿度数据和实际光强数字信号。
13.进一步的，基于实际光强数字信号计算空气中的实际湿度数据，包括：
14.基于实际光强数字信号和预设的光强初值计算光强改变值；
15.将光强改变值除以灵敏度，得到湿度改变值；
16.基于湿度改变值和预设的湿度初值计算得到实际湿度数据。
17.进一步的，基于实际光强数字信号和预设的光强初值计算光强改变值时进行了温
度补偿，所述温度补偿包括：
18.基于实际温度值和预设的温度初值计算温度改变值；
19.将温度改变值转化为光强补偿值；
20.基于实际光强数字信号、光强补偿值和预设的光强初值计算所述光强改变值；
21.所述实际湿度数据计算公式为：
22.rh＝40-((lx
ce-lx
bu
)-lx
chu
)/s
23.lx
bu
＝(t-10)*29.49
24.其中，rh为实际湿度数据，lx
ce
为实际光强数字信号，lx
bu
为光强补偿值，t为当前温度，lx
chu
为预设的光强初值，s为灵敏度。
25.进一步的，向光照强度模块发送iic通信请求间隔的时间为3s。
26.进一步的，输出实际温度、湿度数据和实际光强数字信号，包括：将温度、湿度数据和实际光强数字信号通过wifi模块传输到移动终端，以及，将湿度数据和实际光强数字信号输出至显示屏。
27.第二方面，本发明提供了一种基于光纤湿度传感器的环境检测系统，包括：光纤湿度传感器、温度检测传感器、光照强度模块、嵌入式单片机和显示部，其中：
28.所述光纤湿度传感器用于检测光强模拟信号并输出至光照强度模块；
29.所述光照强度模块接收光纤湿度传感器的光强模拟信号，将光强模拟信号处理得到实际光强数字信号后输出至嵌入式单片机；
30.所述温度检测传感器用于检测实际温度值并输出至嵌入式单片机；
31.所述嵌入式单片机基于实际光强数字信号计算空气中的实际湿度数据，将实际温度值、实际湿度数据和实际光强数字信号通过wifi模块传输到移动终端，以及，将实际温度值、实际湿度数据和实际光强数字信号输出至显示屏；
32.所述显示部和移动终端基于温度、湿度数据和实际光强数字信号进行环境数据显示。
33.进一步的，所述光纤湿度传感器包括光纤，光纤的侧面裸露且涂覆有sio2和tio2薄膜，所述sio2和tio2薄膜均采用改进提拉法制备。
34.进一步的，所述嵌入式单片机基于实际光强数字信号计算空气中的实际湿度数据时根据实际温度值进行了温度补偿，所述实际湿度数据计算公式为：
35.rh＝40-((lx
ce-lx
bu
)-lx
chu
)/s
36.lx
bu
＝(t-10)*29.49
37.其中，rh为实际湿度数据，lx
ce
为实际光强数字信号，lx
bu
为光强补偿值，t为当前温度，lx
chu
为预设的光强初值，s为灵敏度。
38.第三方面，本发明提供了一种基于光纤湿度传感器的环境检测装置，包括处理器及存储介质；
39.所述存储介质用于存储指令；
40.所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据上述任一项所述方法的步骤。
41.第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
42.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
43.一、本发明可以精确快速检测湿度后进行信息传递，且利用光纤湿度传感器的快响应和高精确特性，可以实时精确测量湿度，线性度好，在低相对湿度范围内拟合度r2＝0.996，在高相对湿度范围内为拟合度r2＝0.995，长期工作稳定性好，且制作简单，为光纤湿度传感器的小型化广泛应用提供了一种可靠途径，光纤湿度传感器可以真正的产品化，实际应用工业环境中；
44.二、在本发明中利用stm32f407zgt6的强大功能和光纤湿度传感器的高效，得出的数据可以在tftlcd显示屏上显示，还可以通过wifi模块把数据传输到手机上。这样，一方面可以直接在显示tftlcd显示屏上；另一方面，数据还可以传输到手机上方便查看，手机app可以查看温度、湿度信息，信息化时代，极大的方便了人们获取有用信息；
45.三、在本发明响应和恢复时间快，稳定性和重复性好，光纤湿度传感器响应时间为25s，恢复时间为50s，对比目前市场所售的电子型湿度计响应时间缩短了72％，对比同阶段研究的光学湿度传感器，也同样具备竞争优势，超亲水性tio2薄膜作为传感元件，与传统的多孔材料相比，表面光滑的薄膜更有利于水分子的吸附与解吸，因此大大缩短了响应时间，不会出现湿度测量滞后等问题，更快的测量出环境湿度，且减小了迟滞误差；
46.四、本发明抗电磁干扰能力强，受环境影响较小，可以应用在很多场景中，在电磁场较大、空气质量较差的环境中该传感器依旧稳定，误差可忽略不计；
47.五、本发明使用寿命较长，有较好的长期工作稳定性，不易老化，光纤涂覆材料稳定，不会与空气中的气体发生反应，不会脱落，光纤传感器可以长期使用；
48.六、本发明考虑到温度变化带来的误差影响，检测了温度变化对光纤中光强的变化，并在程序中加入了温度补偿处理，消除了由于温度变化带来的湿度误差。
附图说明
49.图1是本发明实施例一提供的传感器硬件设计总体方案流程；
50.图2是本发明实施例一提供的光纤结构图；
51.图3是本发明实施例一提供的传感器3d模拟图。
具体实施方式
52.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
53.实施例一：
54.一种基于光纤湿度传感器的环境检测系统，通过stm32f4的强大功能和光纤湿度传感器的高效做成小型湿度传感器，根据光纤倏逝波原理制成的光纤湿度传感器，该光纤由sio2和tio2薄膜涂覆在裸露的光纤表面构成，采用改进提拉法制备的sio2和tio2薄膜表面均匀、粗糙度低、粘附性好、有利于水分的吸附与解吸。随着相对湿度的增加，由于tio2薄膜的亲水性，吸附的水降低了sio2薄膜的折射率，增大了sio2薄膜对倏逝波的吸收，最终导致光纤输出功率降低。激光经过透镜组打到光纤上，然后测量光的亮度通过计算就可以得到空气中的湿度，通过tftlcd显示屏显示湿度，还可以通过wifi模块把数据传输到手机上。电源是普通的5v充电锂电池或直接使用220v转5v的供电电源，极大方便了用户使用。传感器硬件设计总体方案流程如图1所示。基于光纤湿度传感器的环境检测系统可以分为嵌入
式单片机控制、光纤湿度传感器和显示三个部分：
55.嵌入式单片机采用功能强大的stm32f407zgt6，单片机向gy-302bh1750光照强度模块发送iic通信请求，该模块把采集到的光强模拟信号转化为数字信号发送到单片机，单片机向gy-302bh1750光照强度模块发送iic通信请求间隔时间为3s，gy-302bh1750光照强度模块接收到光强数字信号后，把得到的光强模拟信号处理得到实际光强数字信号，通过实验测得的光纤湿度传感器数据计算出空气中的实际湿度，例如，在确定湿度初值后，根据灵敏度不同分为两段，初值设置成40相对湿度，在光强改变时，用光强的正值或负值的改变值除以灵敏度，然后相对湿度减去或加上改变的相对湿度即可得到实际湿度。为了减少误差，计算实际湿度的时候加入了温度补偿，即增加dht11模块检测温度数据，温度补偿过程中设置温度初始值为10摄氏度，实际检测的温度每升高1摄氏度光强增加29.5lx，用得到的10进制光强初始值减去温度改变的光强，这样就消除了温度对该传感器的影响。把得到的湿度、温度、光强数值显示在tftlcd显示屏上，然后通过wifi模块把湿度、温度、光强数值发送到服务器，打开手机app就可以查看湿度、温度、光强数值。与此同时通过tftlcd显示屏和手机app还可以向单片机发送指令，以校正温度湿度初值，湿度计算公式为：
56.rh＝40-((lx
ce-lx
bu
)-lx
chu
)/s
57.lx
bu
＝(t-10)*29.49
58.其中，rh为实际湿度数据，lx
ce
为实际光强数字信号，lx
bu
为光强补偿值，t为当前温度，lx
chu
为预设的光强初值，本实施例中lx
chu
为当湿度为40％rh、温度为10℃时，gy-302bh1750读取的光强值，s为灵敏度，当(lx
ce-lx
bu
)》lx
chu
时，s＝27.87，当(lx
ce-lx
bu
)《lx
chu
时，s＝9.33。
59.此光纤湿度传感器的原理是tio2薄膜的亲水性改变了包层sio2薄膜的折射率，最终影响了光在光纤中的传输。由弱波导光纤理论，传输特性pt(z)/pt(0)随着包层折射率n2的减小呈减小趋势，即传输损耗逐渐增大，光纤输出端光功率不断减小。随着相对湿度的增加，由于tio2薄膜的亲水性，吸附的水降低了sio2薄膜的折射率，增大了sio2薄膜对倏逝波的吸收，最终导致光纤输出功率降低。
60.该光纤湿度传感器在低相对湿度(15％-40％rh)和高相对湿度(40％-95％rh)具有不同的线性，对低、高相对湿度的数据进行了拟合，对应的灵敏度分别为27.87和9.33lx/％rh。
61.gy-302bh1750光照强度模块是一种采用iic通讯的光学传感集成模块。该元件主要用于测量环境光强和led亮度调整，而且能以较高的精度对光强进行检测。
62.dht11模块是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。其精度湿度
±
5％rh，温度
±
2℃，量程湿度5～95％rh，温度-20～ 60℃。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个ntc测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个dht11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在otp内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。
63.escp拥有高性能无线soc，给移动平台设计师带来福音，它以最低成本提供最大实用性，为wifi功能嵌入其他系统提供无限可能。
64.esp8266wifi模块是一个完整且自成体系的wifi网络解决方案，能够搭载软件应用，或通过另一个应用处理器卸载所有wifi网络功能。esp8266在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时，能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能，并减少内存需求。另外一种情况是，无线上网接入承担wifi适配器的任务时，可以将其添加到任何基于微控制器的设计中，连接简单易行，只需通过spi/sdio接口或中央处理器ahb桥接口即可。esp8266强大的片上处理和存储能力，使其可通过gpio口集成传感器及其他应用的特定设备，实现了最低前期的开发和运行中最少地占用系统资源。esp8266高度片内集成，包括天线开关balun、电源管理转换器，因此仅需极少的外部电路，且包括前端模块在内的整个解决方案在设计时将所占pcb空间降到最低。装有esp8266的系统表现出来的领先特征有：节能voip在睡眠/唤醒模式之间的快速切换、配合低功率操作的自适应无线电偏置、前端信号的处理功能、故障排除和无线电系统共存特性为消除蜂窝/蓝牙/ddr/lvds/lcd干扰。
65.stm32f407是一款功能强大的嵌入式单片机，板载芯片stm32f407zgt6，144引脚，1024k flash，192k sram，容量大，芯片内嵌资源丰富，包括：6个串口，16个定时器，3个adc共24通道，2个dac，2个can通讯接口，3个spi通讯接口，3个iic通讯接口，4个usart(同步串口)，2个uart(异步串口)，2个usb通讯接口(全速usb otg和高速usb otg)，2个iis音频通讯接口1个sdio通讯接口。单片机有很多扩展元件，搭配tftlcd显示屏，就可以实现数据的显示和对传感器发送指令。
66.该检测系统具有以下优势：
67.1、响应和恢复时间快，对比目前市场所售的电子型湿度计响应时间缩短了72％。
68.2、稳定性和重复性好，抗电磁干扰能力强，受环境影响较小，可以应用在很多场景中，在电磁场较大、空气质量较差的环境中该传感器依旧稳定，误差可忽略不计。
69.3、stm32f407zgt6功能强大，该单片机控制的检测系统可扩展能力强，方便之后换代升级。
70.4、较好的长期工作稳定性，不易老化，光纤涂覆材料比较稳定，不会与空气中的气体发生反应，不会脱落，光纤传感器可以长期使用。
71.5、可以做成小型化湿度检测系统，该光纤湿度传感器是光功率检测型，光纤的输出光功率会因湿度而发生改变，且线性度好，在低相对湿度范围内拟合度r2＝0.996，在高相对湿度范围内为拟合度r2＝0.995，长期工作稳定性好，且制作简单，通过光强检测模块就可以制造出光纤湿度传感器装置，为光纤湿度传感器的小型化广泛应用提供了一种可靠途径。
72.6、手机app可以查看温度、湿度信息，在信息化时代，该系统极大的方便了人们获取有用信息。
73.实施例二：
74.一种基于光纤湿度传感器的环境检测方法，可基于实施例一所述的一种基于光纤湿度传感器的环境检测系统实现，包括：
75.s1：向光照强度模块发送iic通信请求，通信请求间隔的时间为3s；
76.s2：接收光照强度模块根据光强模拟信号处理得到的实际光强数字信号；
77.s3：接收温度检测传感器发送的实际温度值；
78.s4：基于实际光强数字信号计算空气中的实际湿度数据，包括：
79.s41：基于实际光强数字信号和预设的光强初值计算光强改变值，同时进行了温度补偿，温度补偿包括：
80.s411：基于实际温度值和预设的温度初值计算温度改变值；
81.s412：将温度改变值转化为光强补偿值；
82.s413：基于实际光强数字信号、光强补偿值和预设的光强初值计算所述光强改变值；
83.s42：将光强改变值除以灵敏度，得到湿度改变值；
84.s43：基于湿度改变值和预设的湿度初值计算得到实际湿度数据，计算公式为：
85.rh＝40-((lx
ce-lx
bu
)-lx
chu
)/s
86.lx
bu
＝(t-10)*29.49
87.其中，rh为实际湿度数据，lx
ce
为实际光强数字信号，lx
bu
为光强补偿值，t为当前温度，lx
chu
为预设的光强初值，s为灵敏度；
88.s5：输出实际温度值、实际湿度数据和实际光强数字信号，包括：将温度、湿度数据和实际光强数字信号通过wifi模块传输到移动终端，以及，将湿度数据和实际光强数字信号输出至显示屏。
89.实施例三：
90.本发明实施例还提供了一种基于光纤湿度传感器的环境检测装置，可实现实施例一所述的一种基于光纤湿度传感器的环境检测方法，包括处理器及存储介质；
91.所述存储介质用于存储指令；
92.所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行下述方法的步骤：
93.s1：向光照强度模块发送iic通信请求，通信请求间隔的时间为3s；
94.s2：接收光照强度模块根据光强模拟信号处理得到的实际光强数字信号；
95.s3：接收温度检测传感器发送的实际温度值；
96.s4：基于实际光强数字信号计算空气中的实际湿度数据，包括：
97.s41：基于实际光强数字信号和预设的光强初值计算光强改变值，同时进行了温度补偿，温度补偿包括：
98.s411：基于实际温度值和预设的温度初值计算温度改变值；
99.s412：将温度改变值转化为光强补偿值；
100.s413：基于实际光强数字信号、光强补偿值和预设的光强初值计算所述光强改变值；
101.s42：将光强改变值除以灵敏度，得到湿度改变值；
102.s43：基于湿度改变值和预设的湿度初值计算得到实际湿度数据，计算公式为：
103.rh＝40-((lx
ce-lx
bu
)-lx
chu
)/s
104.lx
bu
＝(t-10)*29.49
105.其中，rh为实际湿度数据，lx
ce
为实际光强数字信号，lx
bu
为光强补偿值，t为当前温度，lx
chu
为预设的光强初值，s为灵敏度；
106.s5：输出实际温度值、实际湿度数据和实际光强数字信号，包括：将温度、湿度数据和实际光强数字信号通过wifi模块传输到移动终端，以及，将湿度数据和实际光强数字信
号输出至显示屏。
107.实施例四：
108.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，可实现实施例一所述的一种基于光纤湿度传感器的环境检测方法，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现下述方法的步骤：
109.s1：向光照强度模块发送iic通信请求，通信请求间隔的时间为3s；
110.s2：接收光照强度模块根据光强模拟信号处理得到的实际光强数字信号；
111.s3：接收温度检测传感器发送的实际温度值；
112.s4：基于实际光强数字信号计算空气中的实际湿度数据，包括：
113.s41：基于实际光强数字信号和预设的光强初值计算光强改变值，同时进行了温度补偿，温度补偿包括：
114.s411：基于实际温度值和预设的温度初值计算温度改变值；
115.s412：将温度改变值转化为光强补偿值；
116.s413：基于实际光强数字信号、光强补偿值和预设的光强初值计算所述光强改变值；
117.s42：将光强改变值除以灵敏度，得到湿度改变值；
118.s43：基于湿度改变值和预设的湿度初值计算得到实际湿度数据，计算公式为：
119.rh＝40-((lx
ce-lx
bu
)-lx
chu
)/s
120.lx
bu
＝(t-10)*29.49
121.其中，rh为实际湿度数据，lx
ce
为实际光强数字信号，lx
bu
为光强补偿值，t为当前温度，lx
chu
为预设的光强初值，s为灵敏度；
122.s5：输出实际温度值、实际湿度数据和实际光强数字信号，包括：将温度、湿度数据和实际光强数字信号通过wifi模块传输到移动终端，以及，将湿度数据和实际光强数字信号输出至显示屏。
123.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
124.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
125.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
126.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
127.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。