一种空气状态多参数监测系统及多参数监测方法

1.本发明属于设施农业环境监测技术领域，特别涉及一种空气状态多参数监测系统及多参数监测方法。


背景技术：

2.在设施农业生产中，大气压、相对湿度、含湿量、干球温度、湿球温度、露点温度、比焓、比容等空气状态参数是分析评价设施建筑环境状况，开展保温、通风、采暖、降温、除湿、增湿等环境调控的重要依据。特别是在空间层面和时间层面连续获取空气状态参数，将有助于建立设施建筑的环境机理模型，为设施环境的精准控制及相关调控系统的开发提供数据支撑。因此，连续开展空气状态多参数监测，在设施农业生产等领域具有重要意义。
3.目前常用的空气状态监测仪器或设备，通常是针对其中一个或两个状态参数，鲜有针对多种空气状态参数同时监测的系统。比如最常用的温湿度计，它只可以连续监测空气干球温度和相对湿度，如果需要含湿量、露点温度、比焓、比容等空气状态参数，必须运用相关热力学公式，通过复杂的计算得到，使用起来非常不方便。同时，其相对湿度测量大多采用电容式湿度传感器，往往存在测量精度较低，稳定性不理想等问题。因此亟需研发一种可以在不同海拔地区、不同气压条件下使用的空气状态多参数连续监测系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种空气状态参数监测系统及多参数监测方法，其特征在于，所述空气状态多参数监测系统包括：msp430微处理器及其数据处理软件、锂电池供电模块、时钟模块、tf卡存储模块、oled屏模块、两路pt1000温度传感器组件、外置模数转换器、风速控制模块、气压传感器模块、按键控制电路、供水模块和数据处理软件；其中，msp430微处理器分别连接锂电池供电模块、时钟模块、tf卡存储模块、oled屏模块、外置模数转换器、风速控制模块、气压传感器模块和按键控制电路；所述外置模数转换器与两路pt1000温度传感器连接，其中一路温度传感器与供水模块连接。
5.所述锂电池供电模块由18650锂电池、主控自锁按键、电压监控芯片及低压差线性稳压器组成；锂电池供电模块用于为监测系统供电。
6.所述时钟模块采用pcf8563模块，用于记录湿空气状态参数的测量时间点。
7.所述tf卡存储模块用于存储测量时间点及相应空气状态参数数据；
8.所述oled屏模块用于显示系统菜单与当前监测数据。
9.所述外置模数转换器采用ads1248芯片，其外围电路采用txs0104芯片隔离ads1248的spi总线。用于数据传输；并且外置模数转换器的外围电路通过接线端子与两路pt1000温度传感器连接，分别用于测量干球温度与湿球温度；所述供水模块为测量湿球温度的pt1000温度传感器提供需要的用水；所述pt1000温度传感器均为三线制，精度达到aa级，且两个pt1000温度传感器经过严格的配对测试，并且用于测定湿球温度的pt1000传感器表面经过亲水性处理。
10.所述风速控制模块用于在温度测量过程中为温度传感器提供一定的空气流通速率。
11.所述气压传感器模块采用bmp280模块；用于测量大气压强。
12.所述按键控制电路用于监测模式选择与软件校正。
13.一种利用空气状态参数监测系统的多参数监测方法，其特征在于，使用空气状态参数监测系统时，先按下锂电池供电模块的主控自锁按键，oled屏模块显示系统菜单，主菜单含有三个选项：
14.(1)记录模式：选择该选项并按下确认按键后，msp430微处理器及数据处理软件开始工作，msp430微处理器的数据处理软件发指令给oled屏模块显示系统菜单，主菜单含有三个选项：
15.(1)记录模式：选择该选项并按下确认按键后，系统按数据处理软件程序默认记录时间间隔，实时记录当前时间的空气状态参数并存储数据至tf卡，在非记录时间段，微控制器自动进入低功耗模式，除锂电池供电模块外其他模块关断；当选择其他监测模式时，按复位按键重新进入主菜单；
16.(2)测量模式：选择该选项并按下确认按键后，oled屏模块显示干球温度、湿球温度、相对湿度等主要湿空气状态参数，每6秒更新一次数值；风扇模块处于常开状态；tf卡不存储数据；
17.(3)设置系统：选择该选项并按下确认按键后，出现次菜单页面，含有“记录间隔时间设置”、“时间设置”，“温度校正”选项；“记录间隔时间”可设置10分钟、15分钟、20分钟，30分钟；“时间设置”用于校准pcf8563模块，“温度校正”可输入温度测量值与真实值之间的一次函数关系式的系数与常数，进入选项后，选择要调整的位数，按向上向下按键选择数字，按确认键确认；按两次返回键返回主菜单，上述通过测量干球温度、湿球温度，大气压强三个参数，利用系统的数据处理软件运算求得其他湿空气状态参数，记录对应测量时间并存储数据。
18.所述数据处理软件根据系统测定的干球温度、湿球温度和大气压力得到其它的空气状态参数：相对湿度、含湿量、露点温度、比焓及比容。其计算公式如下：
19.1.相对湿度：
[0020][0021]
式中：
[0022]
φ—相对湿度，％；
[0023]
p
ws
—干球温度的饱和水蒸气分压力，pa；
[0024]
p
ws*
—湿球温度的饱和水蒸气分压力，pa；
[0025]
a—干湿表系数，1/℃；数值与风速、湿球直径有关；
[0026]
t—干球温度，℃；
[0027]
tw—湿球温度，℃。
[0028]
2.含湿量
[0029]
[0030]
式中：
[0031]
d—含湿量，kg/kg(a)；
[0032]d*
—湿球温度的饱和空气含湿量，kg/kg(a)；
[0033]
t—干球温度，℃；
[0034]
t
w-湿球温度，℃。
[0035]
3.露点温度
[0036][0037][0038]
式中：
[0039]
t
d-露点温度，℃；
[0040]
t-湿球温度，℃；
[0041]
φ-相对湿度，％。
[0042]
p
w-水蒸气分压力，pa
[0043]
4.比焓，h＝1.01t d(2501 1.85t)
[0044]
式中：
[0045]
t-当前湿空气温度值，℃。
[0046]
d-含湿量，kg/kg(a)；
[0047]
5.比容
[0048][0049]
式中：
[0050]
v-比容，m3/kg；
[0051]
p-大气压，pa；
[0052]
p
w-水蒸气分压力，pa；
[0053]
本发明的有益效果是本发明技术方案具有如下优点：所开发系统可以同时获得大气压、相对湿度、含湿量、干球温度、湿球温度、露点温度、比焓、比容等多个空气状态参数，满足不同海拔地区、不同气压条件下使用，携带方便；所开发系统的电路组成大部分采用低静态电流的元器件，负载开关进行对模块的电源管理，系统待机时可达到低功耗状态，记录时间更长。
附图说明
[0054]
图1为空气状态参数监测系统整体结构示意图。
具体实施方式
[0055]
本发明提供一种空气状态参数监测系统及多参数监测方法，所述空气状态多参数
监测系统包括：msp430微处理器、锂电池供电模块、时钟模块、tf卡存储模块、oled屏模块、两路pt1000温度传感器件、外置模数转换器、风速控制模块、大气压传感器模块、按键控制电路、供水模块和数据处理软件。下面结合附图对本发明进一步详细说明。
[0056]
如图1所示，msp430微处理器分别连接锂电池供电模块、时钟模块、tf卡存储模块、oled屏模块、外置模数转换器、风速控制模块、气压传感器模块和按键控制电路；所述外置模数转换器与两组pt1000温度传感器连接，其中一路温度传感器与供水模块连接。
[0057]
所述锂电池供电模块由18650锂电池、主控自锁按键、电压监控芯片及低压差线性稳压器组成；锂电池供电模块用于为监测系统供电。
[0058]
所述时钟模块采用pcf8563模块，用于记录湿空气状态参数的测量时间点。
[0059]
所述tf卡存储模块用于存储测量时间点及相应湿空气状态参数数据；
[0060]
所述oled屏模块用于显示系统菜单与当前监测数据。
[0061]
所述外置模数转换器采用ads1248芯片，其外围电路采用txs0104芯片隔离ads1248的spi总线。用于数据传输；并且外置模数转换器的外围电路通过接线端子与两组pt1000温度传感器连接，该温度传感器组用于测量干球温度与湿球温度；所述供水模块为测量湿球温度的pt1000温度传感器提供需要的用水；所述pt1000温度传感器均为三线制，精度达到aa级，且两个pt1000温度传感器经过严格的配对测试，并且用于测定湿球温度的pt1000传感器表面经过亲水性处理。
[0062]
所述风速控制模块用于在温度测量过程中为温度传感器提供一定的空气流通速率。
[0063]
所述气压传感器模块采用bmp280模块；用于测量大气压强。
[0064]
所述按键控制电路用于监测模式选择与软件校正。
[0065]
所述数据处理软件根据系统测定的干球温度、湿球温度和大气压力得到相对湿度、含湿量、露点温度、比焓、比容等空气状态参数。
[0066]
所述pt1000温度传感器模块共有两路pt1000温度传感器。这两路pt1000温度传感器经过严格的配对检测，分别测量干球温度和湿球温度，与外置模数转换器相连接；外置模数转换器与微控制器相连接来传输数据；风速控制模块用于在温度测量过程中为温度传感器提供一定的空气流通速率；按键控制电路用于监测模式选择与温度软件校正。大气压传感器模块用来检测仪器工作时的大气压力。
[0067]
实施例
[0068]
空气状态参数监测系统通过直接测量空气的干球温度、湿球温度和大气压力，然后通过数据处理软件，利用以下的热力学理论得到相对湿度、含湿量、露点温度、比焓、比容等多个空气状态参数；包括下面计算公式，
[0069]
1.相对湿度：
[0070][0071]
式中：
[0072]
φ—相对湿度，％；
[0073]
p
ws
—干球温度的饱和水蒸气分压力，pa；
[0074]
p
ws*
—湿球温度的饱和水蒸气分压力，pa；
[0075]
a—干湿表系数，1/℃；数值与风速、湿球直径有关；
[0076]
t—干球温度，℃；
[0077]
tw—湿球温度，℃。
[0078]
2.含湿量
[0079][0080]
式中：
[0081]
d—含湿量，kg/kg(a)；
[0082]d*
—湿球温度的饱和空气含湿量，kg/kg(a)；
[0083]
t—干球温度，℃；
[0084]
tw—湿球温度，℃。
[0085]
3.露点温度
[0086][0087][0088]
式中：
[0089]
td—露点温度，℃；
[0090]
t—湿球温度，℃；
[0091]
φ—相对湿度，％。
[0092]
pw—水蒸气分压力，pa
[0093]
4.比焓，h＝1.01t d(2501 1.85t)
[0094]
式中：
[0095]
t—当前湿空气温度值，℃。
[0096]
d—含湿量，kg/kg(a)；
[0097]
5.比容
[0098][0099]
式中：
[0100]
v—比容，m3/kg；
[0101]
p—大气压，pa；
[0102]
pw—水蒸气分压力，pa
[0103]
下面描述空气状态参数监测系统整体运行流程及系统菜单内容。
[0104]
使用空气状态参数监测系统时，按下锂电池供电模块的主控自锁按键，oled屏模块显示系统菜单，主菜单含有三个选项：
[0105]
(1)记录模式：选择该选项并按下确认按键后，msp430微处理器及数据处理软件开始工作，msp430微处理器的数据处理软件发指令给oled屏模块显示系统菜单，主菜单含有
三个选项：
[0106]
(1)记录模式：选择该选项并按下确认按键后，系统按数据处理软件程序默认记录时间间隔，实时记录当前时间的空气状态参数并存储数据至tf卡；在非记录时间段，微控制器进入低功耗模式，除锂电池供电模块其他模块关断。选择其他监测模式按复位按键重新进入主菜单。
[0107]
(2)测量模式：选择该选项并按下确认按键后，oled屏模块显示干球温度、湿球温度、相对湿度等主要湿空气状态参数，每6秒更新一次数值；风扇模块处于常开状态；tf卡不存储数据。
[0108]
(3)设置系统：选择该选项并按下确认按键后，出现次菜单页面，含有“记录间隔时间设置”、“时间设置”，“温度校正”选项；“记录间隔时间”可设置10分钟、15分钟、20分钟，30分钟；“时间设置”用于校准pcf8563模块，“温度校正”可输入温度测量值与真实值之间的一次函数关系式的系数与常数，进入选项后，选择要调整的位数，按向上向下按键选择数字，按确认键确认。按两次返回键返回主菜单。
[0109]
本发明提供的空气状态参数监测系统可应用于设施农业环境监测中，通过测量干球温度、湿球温度，大气压强三个参数，利用数据处理软件运算求得其他湿空气状态参数，记录对应测量时间并存储数据，且具有运行功耗低、测量精度高的特点。