CN106872650A - 一种二氧化碳浓度校准修正装置及校准修正方法 - Google Patents

一种二氧化碳浓度校准修正装置及校准修正方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106872650A
CN106872650A CN201710134127.6A CN201710134127A CN106872650A CN 106872650 A CN106872650 A CN 106872650A CN 201710134127 A CN201710134127 A CN 201710134127A CN 106872650 A CN106872650 A CN 106872650A
Authority
CN
China
Prior art keywords
calibration
concentration
calibrated
sensor
correction device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710134127.6A
Other languages
English (en)
Inventor
徐振
夏毅军
徐勃
田彬
丰昱
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GLARUN GROUP CO Ltd
Original Assignee
GLARUN GROUP CO Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GLARUN GROUP CO Ltd filed Critical GLARUN GROUP CO Ltd
Priority to CN201710134127.6A priority Critical patent/CN106872650A/zh
Publication of CN106872650A publication Critical patent/CN106872650A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0006—Calibrating gas analysers
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link

Abstract

本发明涉及一种二氧化碳浓度校准修正装置，包括至少一个校准修正装置，所述校准修正装置包括一个已校准二氧化碳浓度传感器、MCU、一种用于显示校准状态信息和实时CO2浓度值的OLED显示屏和指示灯、开机和校准按键及ZigBee模块，还包括服务器，数据库，工作电脑，待校准二氧化碳浓度传感器，有和校准装置相同硬件型号的ZigBee模块，汇聚终端，手机APP和短信。本发明通过对历史数据挖掘，找出最佳校准模式和校准时间，使得校准操作更加高效。同时降低校对的难度，提高了CO2浓度传感器测量准确度，为温室、大棚环境下二氧化碳浓度的监测、二氧化碳施肥提供可靠准确的依据；也为猪室、禽室下风机、气窗的精准控制提供了现实基础。

Description

一种二氧化碳浓度校准修正装置及校准修正方法
技术领域
本发明涉及农业信息化背景下二氧化碳浓度校准和修正技术领域，尤其涉及大棚种植、温室栽培、畜禽养殖等环境下二氧化碳浓度校准修正装置及其方法，同时也适用畜禽养殖中氨气等气体校准修正。
背景技术
随着农业信息化发展不断深入，精准农业信息采集技术已成为这一发展方向的关键性技术之一，精准农业信息对农作物和畜禽生长起到重要指导性作用。特别是二氧化碳，不仅是绿色农作物光合作用必要原料、进而实现高产量的重要保障，而且是影响畜禽生长、肉蛋类产量的重要因素；因此在温室栽培、大棚种植、畜禽养殖等诸多场合，对CO2等气体浓度的精准采集有着至关重要的作用；且随着农场或设施农业基地发展规模的不断扩大，常常使用几个甚至几十个CO2浓度传感器，并往往通过无线组网技术进行采集汇聚；由于CO2浓度传感器长期工作在户内环境下、尤其在高温高湿的温室大棚环境下，其输出信号随着环境、自身器件老化等因素易发生零点漂移现象，造成测量值一致性、灵敏度和精准度较差。因此需要定期校准，校准方法有：氮气零点校准、化学法零点校准、稳定环境短期校准、环境自动长期校准等；通常采用稳定环境短期零点校准，校准时将传感器进行拆卸，置于户外环境，通过指令或按键进行校准；它有以下不足：1、空气中CO2浓度在不同时间和地点的情况下是有波动的，易造成校准不准确；2、普通农业工作人员不具备校准实施的技术条件；3、CO2浓度传感器往往不单独使用，通常配有光照度、空气温湿度、基质温湿度、氨气浓度等传感器的多种，造成校准时拆卸或再安装的过程复杂；4、在校准的此段时间CO2的浓度数据采集将断档，影响到了农业生产。根本解决该问题，需要CO2气体传感器在感测原理及制造工艺等多方面进行突破，成本较高，且周期较长。现有CO2浓度校准修正案例中，校准技术和措施在易用性和经济性上并不能完全涉及，如专利“利用红外光吸收特性自动校准和测量气体浓度的方法和装置”（CN 100494983 C）和“气体传感器自动校准方法及装置”（CN102866232 A）利用集成已知浓度气体的腔室或者气罐进行切换或吹气来进行校准，实现机构较为复杂，制造复杂且成本高，不适用于大面积推广；而有的将传感器置于空气中，通过测量值和实际值差值递归补偿来进行校准，如专利“CO2气体传感器在空气中零点自校准方法”（CN 101975839 A），还有的通过与MCU接口相连接的高精度气体传感器的测量值来进行待校准气体传感器的校准标定，如专利“气体传感器自动校准系统及其气体传感器校准方法”（CN 103399123 A）。笔者认为，上述方法在CO2传感器已被集成使用、数量较多、成本不能过高、实现不宜复杂、不易拆卸等场景要求中，不能完全满足校准应用需求；因此迫切需要一种高易用性、低成本且高效的CO2浓度校准修正机制，提高其测量精度，实现户内环境下CO2浓度的可靠校准修正。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的在于提供一种二氧化碳浓度校准修正装置及其方法。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案：设计一种二氧化碳浓度校准修正装置包括至少一个校准修正装置，所述校准修正装置包括已校准二氧化碳浓度传感器、MCU、由显示屏及指示灯组成的显示装置、组合按键及无线通讯模块；所述已校准二氧化碳浓度传感器通过数字接口或经过信号调理后的模拟信号与MCU连接，所述显示屏通过SPI接口与MCU连接，所述无线通信模块通过串行口与MCU连接，所述的指示灯和组合按键通过GPIO口与MCU连接，所述指示灯及组合按键与MCU的I/O口连接；还包括通过通讯连接的下述部件：
服务器，运行后台软件及专家系统；
数据库，用于存放CO2浓度信息和CO2浓度校准相关信息；
工作电脑，用于运行前台软件；
待校准二氧化碳浓度传感器，包含有和校准装置相同硬件型号的无线通讯模块；
汇聚终端，用于传感数据的接收分析处理并转发；
手机APP和短信，用于后台校准信息的接收和推送；
校准修正装置具有长校准和短校准两种校准修正模式。
所述的专家系统一般由人机交互界面、数据库、模型库、知识库、推理机等几部分功能组成，本发明中特指CO2浓度校准修正专家系统，专家系统根据采集到的CO2浓度等环境数据，结合数学模型、校准经验知识、信息知识和专家知识对CO2浓度进行校准、修正、校准预测和诊断，并进行CO2浓度的后端校准修正。该专家系统集成了多个数学模型，包含：CO2浓度和原始输出值关系模型、CO2浓度误差预测模型、CO2浓度转换修正补偿模型、CO2浓度校准推理预测模型；并通过工作电脑上前台软件和手机APP和短信等多形式进行人机交互。
其中，专家系统中CO2浓度校准推理预测模型，根据往期校准时间、校准历史误差、校准经验知识、设施生产中二氧化碳浓度的变化规律和知识库等，智能预测下一次待校准CO2传感单元校准时间，包含具体哪些天以及时刻具体范围值，并保证单次校准的数量最大化，进而减少工作人员的校准频率。
所述的数据库主要用于保存CO2传感器浓度信息及其他感知数据、特别是温湿度数据，且存放专家系统中用以CO2校准、修正、校准预测和诊断的数据库、数学模型和知识库等内容。
所述的服务器端运行专家系统和后台软件。后台软件在CO2传感器正常工作无需校准时，接收来自汇聚终端的CO2浓度的原始输出值，保存至数据库；利用CO2浓度和原始输出值关系模型，得到转换后的CO2浓度输出值；通过专家系统，利用数据挖掘技术，对数据库中历史数据纵向比较以及其他采集点浓度数据的变化程度横向比较，并结合环境因素等知识库信息，进一步剔除粗大误差数据；利用CO2浓度转换修正补偿模型，找出最佳拟合曲线，进行修正，使其误差范围在指定范围内。通过采集的CO2气体浓度数据，上次校准的时间，历史平均值的飘动，温度的变化情况以及其他参数，通过专家系统的CO2浓度校准推理预测模型，预测各CO2浓度传感单元是否需要进行校准，给出预测的最佳校准时间段，且保证每次校准数量的最大化；并利用有效的校准时间提醒机制，农业工作人员可以通过平台软件、手机APP、短信等多渠道的校准推送信息来执行校准操作。
所述的汇聚终端主要包含处理器、ZigBee通信模块、无线/有线网卡，通过ZigBee通信模块转发来自校准修正装置的CO2准确测量值和待校准CO2浓度传感单元的原始输出值，并通过网卡将数据传输至服务器端。
汇聚装置进行CO2浓度原始输出数据的透传，利用服务器端处理器强大的计算处理能力和CO2浓度和原始输出值关系模型，获取转换处理后的CO2浓度值，并通过ZigBee网络将处理后的CO2浓度值进行回传至CO2浓度传感单元，进而减少气体采集装置端的计算处理功耗，且充分利用了ZigBee网络的带宽。
所述的工作电脑在本发明中，主要运行前台软件，显示采集的经过校准、修正的CO2浓度，并显示其预测的下次校准时间，以及此时是否需要校准，或者是否需要更换二氧化碳浓度传感器等信息。
所述的手机APP和短信，通过基站以2G/3G/4G信号形式接入网络，用以接收来自服务器端CO2浓度信息，并对具体的校准修正信息进行推送。根据手机端APP、手机短信、PC端软件平台3者中任何其一的推送信息，可获取待校准CO2传感器时间、数量、位置信息和校准模式——哪些传感器需要何种校准模式以及校准时间。
所述的待校准修正CO2浓度传感单元，包含MCU、 ZigBee通信模块、温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器、基质温湿度传感器等，主要用于环境数据的感知；在本发明中，主要用于CO2浓度和空气温湿度的感知；它对CO2浓度和空气温湿度连续采样6次，且通过每次采样间的差值，找出差值较大的点，并去除粗大误差；通过ZigBee通信模块来进行传感器原始信号传输，传输至汇聚终端。
所述的校准修正装置，尤其指二氧化碳浓度校准修正装置，该装置为手持式装置；利用其自带固定装置也可固定于支架或地面；校准修正装置作为校准源备用。如附图2所示，它主要包括低功耗微处理器芯片STM32L051C8、已校准过的高精度CO2传感器、一种用于显示校准状态信息和实时CO2浓度值的OLED显示屏和指示灯、开机和校准按键、ZigBee通信模块等；该装置的ZigBee无线通信模块的硬件和待校准修正单元中的硬件相同，它是一种MCU为STM32F101RB、射频收发芯片为AT86RF212B且通信频段为780MHz的无线通信模块，但不限于ZigBee通信模块；校准修正装置供电方式采用锂电池供电；该校准修正装置主要用以提供当前环境下CO2浓度准确输出值，并通过ZigBee网络定位技术，获取校准修正装置的相对位置，识别所要进行校准的待校准CO2浓度传感单元，进而对该单元进行CO2浓度的校准修正；该校准修正装置提供2种校准模式——短校准模式和长校准模式；短校准模式：小浓度范围内的少点校准，且校准时间较短；长校准模式：进行大浓度范围的深度校准，校准参考点较多，且校准时间较长。该校准修正装置亦可单独作为手持式CO2浓度感测器使用。
农业工作人员根据服务器平台端相关推送信息，在具体的时间段将校准装置置于指定CO2传感器（数量可多个）的位置点，启动校准装置，校准装置加入ZigBee网络并定位，根据无线定位技术，特别指ZigBee网络定位技术，获取待校准节点的地址；按下校准按键，等待至对应指示灯黄灯/蓝灯亮起，或OLED屏显示短/长校准完成，则表示短/长校准完成。长校准模式下校准精度将更高，校准过程中无需拆卸。
设置在户内环境下（猪场、禽室、大棚、温室等）待修正校准CO2浓度传感器气体浓度通常分为2种输出方式：一种是模拟信号，一种是数字信号（串口、I2C、SPI、PWM等）；模拟信号包含二种类型：原始模拟信号和二次模拟信号，其中，浓度转换、校准修正均为服务器后端操作。若为数字信号，则一般MCU对采集的CO2浓度模拟信号进行了二次转换处理而产生实际浓度值的信号；此时服务器后端仅仅进行补偿修正操作。若CO2浓度传感器自带校准指令，则可通过无线发送校准指令来进行零点校准或已知浓度下的校准标定。
待校准CO2传感器数目较多时，校准修正装置数量不限于1个，可为多个，并支持多个校准装置同时校准，以加快校准时间。且校准过程中，采用该校准修正装置浓度输出值作为待校准修正装置的CO2测量值输出，使其校准过程中，CO2浓度的采集无断档，可以正常执行农业生产指导。
若农业工作人员无法按时进行校准操作，则专家系统对未校准CO2传感器的气体浓度值进行智能修正，并通过历史数据，在CO2浓度误差预测模型和CO2浓度转换修正补偿模型的作用下，将待校准而未校准的传感器气体浓度进行修正标定，包含温湿度补偿，达到软校准的目的。
若校准后未达到精度要求，即校准无效时，专家系统自动诊断该CO2传感器是否已坏，若已坏则进行更换。
结合无线传感网下温湿度传感器，若温度或者湿度高于上限值，则对该传感节点进行智能断电保护；当大于上限值的80%且小于上限值时，则减少CO2浓度采样频率，减少其老化程度，延长使用寿命。
进一步的，所述无线通讯模块为ZigBee无线通信模块。所述校准修正装置通过ZigBee无线通信模块网络定位技术自动识别待校准对象，识别所要进行校准的待校准CO2浓度传感单元，进而对该单元进行CO2浓度的校准修正；所述待校准对象为待校准的传感器。
进一步的，一种二氧化碳浓度校准修正方法，包含以下步骤，
步骤1、搭建校准环境：启动服务器、专家系统、CO2浓度传感器、汇聚终端及工作电脑，使得所有的CO2浓度传感单元及汇聚终端建立在基于ZigBee网络的无线链路连接，汇聚终端通过以太网服务器后台正常通讯且与校准环境相关的单元均能正常工作；
步骤2、判断是否有校准信息推送：当有校准信息推送时，农业工作人员根据手机app、短信的校准推送信息内容，或者平台展示时的校准提醒信息内容，判断进行校准的时机、需要校准的模式以及待校准点的位置、时间及类型；
当无校准信息推送时，即CO2浓度传感器均能正常工作、无需校准操作的情况下，结合无线传感网下的传感器环境温湿度值，对CO2浓度传感器的采样工作进行智能调节；
步骤3、确定是否执行校准操作：若执行校准操作，则准备带有已经校准过的高精度气体传感器校准装置待用；其校准数量根据校准信息中所需校准点数量和校准模式所确定，可为一个或者多个；
若不执行校准操作，专家系统则对往期CO2浓度数据和校准标准值差值、CO2浓度变化规律、温湿度等相关数据信息进行数据挖掘，并结合知识库信息，对未能按期校准的CO2传感器的气体浓度测量值进行修正、软校准；平台系统会在下一个合适的时间节点，推送该处待校准CO2浓度传感器的校准信息；
步骤4、准备校准装置：农业工作人员根据校准信息，携带校准装置到达指定的待校准CO2传感器安装地点处，启动装置校准按键，校准装置能自动识别该处的校准模式为长校准或为短校准；校准修正装置的OLED显示屏同时会有信息提示；服务器端也会通过手机APP，短信的方式通知农业工作人员该点校准完成，可移除校准修正装置；
步骤5、执行校准操作：定时获取待校准传感器数据，并对该数据进行３次指数平滑，以减少相关故障等造成的数据波动；
步骤6、判断校准是否有效：若校准过程中，校准处理值和实际测量值差值至少3次大于最大误差值，则校准无效，此时服务器后台进行诊断，判断该CO2传感器是否故障，若出现故障，则校准失败信息推送提示需要更换CO2浓度传感器；
若校准过程中，校准处理值和测量实际值差值连续6次小于设定的最大误差值，则校准有效；完成此次校准，进行下一个待校准CO2浓度传感器校准；
若待校准CO2传感器数目较多，则支持多个校准装置同时校准，以加快校准速度；
待校准CO2浓度传感器校准完成后，则服务器端通过短信和手机APP等多形式进行信息推送，通知完成该次校准，农业校准人员可取走校准修正装置；
步骤7、待校准CO2浓度传感器校准完成后，则服务器端通过短信和手机APP等多形式进行信息推送，通知完成该次校准，农业校准人员可取走校准修正装置；
步骤8、按照以上方式依次进行校准。最终完成全部校准工作时，则通知完成全部校准，通知方式与步骤7相同。
进一步的，所述校准过程中，采用校准修正装置浓度输出值作为待校准修正装置的CO2测量值输出，使其校准过程中，CO2浓度的采集无断档，可以正常执行农业生产指导。
有益效果
本发明提供了一种适用于温室环境的二氧化碳浓度校准修正装置及其方法，利用ZigBee网络定位技术，确定校准修正装置相对位置，进而识别所要进行校准的待校准修正装置，校准过程中待校准修正装置无需拆卸，校准过程操作简单便捷，无需额外的操作和专业知识。通过对历史数据挖掘，找出最佳校准模式和校准时间（包括具体的时刻范围），使得校准操作更加高效。且在高温高湿的环境下，通过智能断电或者减少采样频率，延长了CO2浓度传感器的寿命；该发明降低校对的难度，提高了CO2浓度传感器测量准确度，为温室、大棚环境下二氧化碳浓度的监测、二氧化碳施肥提供可靠准确的依据；也为猪室、禽室下风机、气窗的精准控制提供了现实基础。
下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明中的所需硬件结构组成和信息流示意图；
图2为本发明中的所述的校准修正装置结构示意图；
图3为本发明中的所述一种二氧化碳浓度校准修正装置及其方法的流程图；
具体实施方式：
本实施例提供的一种二氧化碳浓度校准修正装置及其修正方法，结合项目实际场景，将CO2浓度传感器安装点位分别设置于：玻璃温室、南四连栋大棚，鸟巢大棚，北四连栋大棚、禽舍及猪舍内。且这些采集节点均带有温湿度传感器，通过ZigBee网络实现CO2浓度等感知数据的透传汇聚。
该二氧化碳浓度校准修正装置包括至少一个校准修正装置，
校准修正装置包括已校准二氧化碳浓度传感器、MCU、由显示屏及指示灯组成的显示装置、组合按键及无线通讯模块；其中，MCU为STM32L051C8，已校准二氧化碳浓度传感器通过数字接口或经过信号调理后的模拟信号与MCU连接，显示屏通过SPI接口与MCU连接，无线通信模块通过串行口与MCU连接，而指示灯和组合按键通过GPIO口与MCU连接，且指示灯及组合按键与MCU的I/O口连接。而无线通讯模块为ZigBee模块，其中的ZigBee模块射频收发芯片为AT86RF212B；供电方式采用锂电池供电；为手持式装置，并自带固定装置：可固定于户内环境下的支架，地面等多场景；该校准修正装置提供2种校准修正模式：长校准模式和短校准模式；长校准模式下，校准浓度值范围大，且所取采样点多，所需校准时间长，校准值粒度更细；该校准修正装置亦可单独作为手持式采集器对CO2浓度直接采集显示；
本实施例中的二氧化碳浓度校准修正装置还包括通过通讯连接的下述部件：
服务器，运行专家系统和后台软件。后台软件在CO2传感器正常工作无需校准时，接收来自汇聚终端的CO2浓度的原始输出值，保存至数据库；利用CO2浓度和原始输出值关系模型，得到转换后的CO2浓度输出值；通过专家系统，利用数据挖掘技术，对数据库中历史数据纵向比较以及其他采集点浓度数据的变化程度横向比较，并结合环境因素等知识库信息，进一步剔除粗大误差数据；利用CO2浓度转换修正补偿模型，找出最佳拟合曲线，进行修正，使其误差范围在指定范围内。通过采集的CO2气体浓度数据，上次校准的时间，历史平均值的飘动，温度的变化情况以及其他参数，通过专家系统的CO2浓度校准推理预测模型，预测各CO2浓度传感单元是否需要进行校准，给出预测的最佳校准时间段，且保证每次校准数量的最大化；并利用有效的校准时间提醒机制，农业工作人员可以通过平台软件、手机APP、短信等多渠道的校准推送信息来执行校准操作。
专家系统，由人机交互界面、数据库、模型库、知识库、推理机等几部分功能组成，本发明中特指CO2浓度校准修正专家系统，专家系统根据采集到的CO2浓度等环境数据，结合数学模型、校准经验知识、信息知识和专家知识对CO2浓度进行校准、修正、校准预测和诊断，并进行CO2浓度的后端校准修正。该专家系统集成了多个数学模型，包含：CO2浓度和原始输出值关系模型、CO2浓度误差预测模型、CO2浓度转换修正补偿模型、CO2浓度校准推理预测模型；并通过工作电脑上前台软件和手机APP和短信等多形式进行人机交互。
其中，专家系统中CO2浓度校准推理预测模型，根据往期校准时间、校准历史误差、校准经验知识、设施生产中二氧化碳浓度的变化规律和知识库等，智能预测下一次待校准CO2传感单元校准时间，包含具体哪些天以及时刻具体范围值，并保证单次校准的数量最大化，进而减少工作人员的校准频率。
数据库，用于存放CO2浓度信息和CO2浓度校准相关信息及运行专家系统和后台软件。后台软件在CO2传感器正常工作无需校准时，接收来自汇聚终端的CO2浓度的原始输出值，保存至数据库；利用CO2浓度和原始输出值关系模型，得到转换后的CO2浓度输出值；通过专家系统，利用数据挖掘技术，对数据库中历史数据纵向比较以及其他采集点浓度数据的变化程度横向比较，并结合环境因素等知识库信息，进一步剔除粗大误差数据；利用CO2浓度转换修正补偿模型，找出最佳拟合曲线，进行修正，使其误差范围在指定范围内。通过采集的CO2气体浓度数据，上次校准的时间，历史平均值的飘动，温度的变化情况以及其他参数，通过专家系统的CO2浓度校准推理预测模型，预测各CO2浓度传感单元是否需要进行校准，给出预测的最佳校准时间段，且保证每次校准数量的最大化；并利用有效的校准时间提醒机制，农业工作人员可以通过平台软件、手机APP、短信等多渠道的校准推送信息来执行校准操作。
工作电脑，用于运行前台软件，显示采集的经过校准、修正的CO2浓度，并显示其预测的下次校准时间，以及此时是否需要校准，或者是否需要更换二氧化碳浓度传感器等信息。
待校准二氧化碳浓度传感器，包含有和校准装置相同硬件型号的无线通讯模块；包含MCU、 ZigBee通信模块、温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器、基质温湿度传感器等，主要用于环境数据的感知；在本发明中，主要用于CO2浓度和空气温湿度的感知；它对CO2浓度和空气温湿度连续采样6次，且通过每次采样间的差值，找出差值较大的点，并去除粗大误差；通过ZigBee通信模块来进行传感器原始信号传输，传输至汇聚终端。
汇聚终端，用于传感数据的接收分析处理并转发；主要包含处理器、ZigBee通信模块、无线/有线网卡，通过ZigBee通信模块转发来自校准修正装置的CO2准确测量值和待校准CO2浓度传感单元的原始输出值，并通过网卡将数据传输至服务器端。
汇聚装置进行CO2浓度原始输出数据的透传，利用服务器端处理器强大的计算处理能力和CO2浓度和原始输出值关系模型，获取转换处理后的CO2浓度值，并通过ZigBee网络将处理后的CO2浓度值进行回传至CO2浓度传感单元，进而减少气体采集装置端的计算处理功耗，且充分利用了ZigBee网络的带宽。
手机APP和短信，用于后台校准信息的接收和推送；通过基站以2G/3G/4G信号形式接入网络，用以接收来自服务器端CO2浓度信息，并对具体的校准修正信息进行推送。根据手机端APP、手机短信、PC端软件平台3者中任何其一的推送信息，可获取待校准CO2传感器时间、数量、位置信息和校准模式。
以下结合附图3对本发明实施例做进一步详述：
首先搭建校准环境，如附图2所示，它主要包括低功耗微处理器芯片STM32L051C8、已校准过的高精度CO2传感器、一种用于显示校准状态信息和实时CO2浓度值的OLED显示屏和指示灯、开机和校准按键、ZigBee通信模块等；该装置的ZigBee无线通信模块的硬件和待校准修正单元中的硬件相同，它是一种MCU为STM32F101RB、射频收发芯片为AT86RF212B且通信频段为780MHz的无线通信模块，但不限于ZigBee通信模块；校准修正装置供电方式采用锂电池供电；该校准修正装置主要用以提供当前环境下CO2浓度准确输出值，并通过ZigBee网络定位技术，获取校准修正装置的相对位置，识别所要进行校准的待校准CO2浓度传感单元，进而对该单元进行CO2浓度的校准修正；该校准修正装置提供2种校准模式——短校准模式和长校准模式；短校准模式：小浓度范围内的少点校准，且校准时间较短；长校准模式：进行大浓度范围的深度校准，校准参考点较多，且校准时间较长。该校准修正装置亦可单独作为手持式CO2浓度感测器使用。
农业工作人员根据服务器平台端相关推送信息，在具体的时间段将校准装置置于指定CO2传感器的位置点，启动校准装置，校准装置加入ZigBee网络并定位，根据无线定位技术，特别指ZigBee网络定位技术，获取待校准节点的地址；按下校准按键，等待至对应指示灯黄灯/蓝灯亮起，或OLED屏显示短/长校准完成，则表示短/长校准完成。长校准模式下校准精度将更高，校准过程中无需拆卸。
启动相关设备和单元，使得所有的CO2浓度传感单元和汇聚终端已经建立基于ZigBee网络的无线链路连接、汇聚终端能通过以太网服务器后台正常通讯、且与校准环境相关的单元均能正常工作。系统第一次启动时，由于没有往期传感和校准相关数据支撑，服务器端往往无法预测第一次校准时间，结合传感器资料，后台系统将其默认设置成2周。除第一次外，系统根据往期校准数据分析处理，预测待校准的传感器节点的日期以及校准的最佳的时段，由此达到最佳的校准效果。并判断该点是否需要进行长校准或者短校准。校准信息可以在工作电脑前台软件的对应CO2浓度显示栏中进行提示，也可用过手机APP端和短信等多形式进行信息推送。
在无校准信息推送，即CO2浓度传感器均能正常工作、无需校准操作的情况下，考虑通常应用下采集CO2浓度的过程中一般都采集其环境温湿度，结合无线传感网下的传感器环境温湿度值，若温度高于CO2传感器工作温度上限，或者湿度大于其工作湿度上限时，则对该传感节点进行智能断电保护；当温湿度大于上限值的80%且小于其上限，则减少对CO2浓度的采样频率，减少其老化程度，一定程度上可以增加CO2传感器的校准周期，并可以延长其使用寿命。
若有校准信息推送，例如有“在10月12日到10月15日的8:00~11:00适宜校准，玻璃温室为短校准、北四连栋为长校准、禽舍为短校准，请准备1或2个校准装置及时校准修正”的校准推送信息。农业工作人员可从手机app、短信或者展示控制平台获取其校准提醒信息，判断哪些位置的待校准CO2浓度传感器在哪些天的哪段时刻需要进行校准；以及需要校准的模式。
若农业工作人员在该提示校准适宜的时间段无法进行校准，专家系统则对往期CO2浓度数据和校准标准值差值、CO2浓度变化规律、温湿度等相关数据信息进行数据挖掘，并结合知识库信息，对未能按期校准的CO2传感器的气体浓度测量值进行修正、软校准；平台系统会在下一个合适的时间节点，推送该处待校准CO2浓度传感器的校准信息，下一次的校准模式通常为长校准模式。
若确定执行校准操作，则准备带有已经校准过的高精度气体传感器校准装置待用；其校准数量根据校准信息中所需校准点数量和校准模式所确定，可为一个或者多个。
农业工作人员根据校准信息，携带校准装置到达指定的待校准CO2传感器安装地点处，按下校准装置的开机按键，则电源指示灯红灯亮，绿灯闪，待绿灯常亮时，则表明该校准装置完成初始化、成功加入ZigBee网络，并已识别出待进行校准的CO2传感器，且CO2传感器的浓度输出已稳定，可进行校准工作。启动装置校准按键，校准装置能自动识别该处的校准模式：长校准或者短校准；短校准完成时，则黄灯亮；长校准完成时，则蓝灯亮；校准修正装置的OLED显示屏同时会有信息提示；服务器端也会通过手机APP，短信等方式通知农业工作人员该点校准完成，可移除校准修正装置。
进行校准时，定时获取待校准传感器数据，并对该数据进行３次指数平滑处理，以减少相关故障等造成的数据波动。根据信号不同，可分为数字和模拟信号，例如TTL信号或4~20MA信号。短校准方式分为2种，若自带校准指令，可通过无线送校准指令，例如英国GSS公司COZIR系列采用NDIR技术的CO2传感器，可以通过F 400 380\r\n指令的方式进行在线校准，400为校准装置测量的真实CO2浓度值，单位为ppm，而360为待校准装置的测量值，则每隔10秒钟，反复进行校准，设置真实CO2浓度值为参数C，待校准装置的测量值为参数C1，则△C=C1-C，当浓度△C<15ppm 连续6次为止，则该种情况下短校准完成；若不带自校准命令，则此时的TTL信号转换后CO2浓度值，通过多点进行拟合，通过专家系统在大量的数据模型中找出最佳拟合曲线模型并计算出系数的值。另一种输出即为原始的非线性信号或者为转换过的线性信号电压或者电流信号，经过信号调理电路后，MCU获取其电压值或将电流转换后的电压值，则此时测量浓度和信号成线性或者非线性，该种情况下，一般CO2浓度对应于输出的模拟信号的回归函数，传感器厂家会给出，是已知的，此时一般修改已知的回归函数的系数值；同理，当校准处理值和测量实际值差值连续6次小于15ppm时，则表明其校准完成。
长校准模式，相对于短校准，长校准的校准采样范围更大且校准值粒度更细、校准精度更高。为取得最佳校准效果，专家系统根据往期的历史数据和知识库等信息，利用CO2浓度校准推理预测模型数学模型，推理预测取得大CO2浓度值变化范围内最短时间段，通常选取正常的工作时间段，获取其日期以及起始时刻和结束时刻，满足了长校准模式下的校准的时效性和精细度。
若校准过程中，校准处理值和实际测量值差值仍旧多次大于最大误差值，则校准无效，服务器后台则进行诊断，判断该CO2传感器是否已坏，若已坏，进行校准失败信息推送提示需要更换CO2浓度传感器；若校准过程中，校准处理值和测量实际值差值连续6次小于设定的最大误差值，则校准有效；完成此次校准，进行下一个待校准CO2浓度传感器校准。
校准过程中，工作人员可选择值守现场，也可以将校准修正装置固定于现场，执行其他工作。
若待校准CO2传感器数目较多，则支持多个校准装置同时校准，以加快校准速度。正常情况下，待校准CO2传感器节点数量不多，且都是短校准的情况下，可以逐个对待校准CO2传感器节点进行校准；当CO2传感器节点数量较多、使用单个二氧化碳浓度校准修正装置无法在指定适宜时间段完成校准时，或者校准模式都为长校准模式情况，支持多个校准修正装置同时进行校准；即可以单个校准装置对待校准设备进行逐一校准，也可多个校准装置同时进行校准。
待校准CO2浓度传感器校准完成后，则服务器端通过短信和手机APP等多形式进行信息推送，通知完成该次校准，农业校准人员可取走校准修正装置。
按照以上方式依次进行校准。最终完成全部校准工作时，则通知完成全部校准，通知方式和7相同。
本发明所述的一种二氧化碳浓度校准修正装置及其方法，不仅仅局限于对CO2气体浓度的校准修正，同时适用于氨气、一氧化碳等气体浓度的校准和修正。
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的结构，而得到的其他结构设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种二氧化碳浓度校准修正装置，其特征在于：
包括至少一个校准修正装置，所述校准修正装置包括已校准二氧化碳浓度传感器、MCU、由显示屏及指示灯组成的显示装置、组合按键及无线通讯模块；所述已校准二氧化碳浓度传感器通过数字接口或经过信号调理后的模拟信号与MCU连接，所述显示屏通过SPI接口与MCU连接，所述无线通信模块通过串行口与MCU连接，所述的指示灯和组合按键通过GPIO口与MCU连接，所述指示灯及组合按键与MCU的I/O口连接；还包括通过通讯连接的下述部件：
服务器，运行后台软件及专家系统；
数据库，用于存放CO2浓度信息和CO2浓度校准相关信息；
工作电脑，用于运行前台软件；
待校准二氧化碳浓度传感器，包含有和校准装置相同硬件型号的无线通讯模块；
汇聚终端，用于传感数据的接收分析处理并转发；
手机APP和短信，用于后台校准信息的接收和推送；
校准修正装置具有长校准和短校准两种校准修正模式。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳浓度校准修正装置，其特征在于：所述无线通讯模块为ZigBee无线通信模块。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳浓度校准修正装置，其特征在于：所述校准修正装置通过ZigBee无线通信模块网络定位技术自动识别待校准对象，识别所要进行校准的待校准CO2浓度传感单元，进而对该单元进行CO2浓度的校准修正；所述待校准对象为待校准的传感器。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳浓度校准修正装置，其特征在于：所述专家系统为CO2浓度校准修正专家系统，集成多个数学模型，包含：CO2浓度和原始输出值关系模型、CO2浓度误差预测模型、CO2浓度转换修正补偿模型、CO2浓度校准推理预测模型；并通过工作电脑上前台软件及手机APP和短信多形式进行人机交互。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳浓度校准修正装置，其特征在于：所述服务器端的专家系统通过整合历史数据及校准信息的数据和知识库，结合CO2浓度校准推理预测模型，用于预测下一次最佳校准时间，并同时满足待校准数量的最大化原则。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳浓度校准修正装置，其特征在于：所述汇聚终端包括处理器、ZigBee通信模块、无线或有线网卡；所述ZigBee无线通信模块的硬件和校准修正单元中的硬件相同，通过串行口与处理器相连，所述无线网卡通过USB接口的方式与处理器连接，所述有线网卡为百兆网卡，通过MII/RMII接口和处理器连接。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳浓度校准修正装置，其特征在于：所述的待校准修正CO2浓度传感单元，用于环境数据的感知，包含MCU、 ZigBee通信模块、温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器、基质温湿度传感器，所述ZigBee无线通信模块的硬件和校准修正单元中的硬件相同，通过串行口和处理器MCU相连，所述温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器、基质温湿度传感器以0~5v，4~20MA的模拟信号或者I2C信号的数字信号形式，通过模拟接口或数字接口与MCU连接。
8.根据权利要求1所述的二氧化碳浓度校准修正装置，其特征在于：所述校准修正装置还设有用于固定于支架、铁柱或地面的固定装置，所述固定装置包括固定于地面的折叠式立架，所述立架的上部设有伸缩式的悬挂钩及磁铁吸盘。
9.根据权利要求1所述的二氧化碳浓度校准修正装置，其特征在于：所述校准修正装置作为手持式采集器对CO2浓度直接采集显示。
10.一种二氧化碳浓度校准修正方法，其特征在于：包含以下步骤，
步骤1、搭建校准环境：启动服务器、专家系统、CO2浓度传感器、汇聚终端及工作电脑，使得所有的CO2浓度传感单元及汇聚终端建立在基于ZigBee网络的无线链路连接，汇聚终端通过以太网服务器后台正常通讯且与校准环境相关的单元均能正常工作；
步骤2、判断是否有校准信息推送：当有校准信息推送时，农业工作人员根据手机app、短信的校准推送信息内容，或者平台展示时的校准提醒信息内容，判断进行校准的时机、需要校准的模式以及待校准点的位置、时间及类型；
当无校准信息推送时，即CO2浓度传感器均能正常工作、无需校准操作的情况下，结合无线传感网下的传感器环境温湿度值，对CO2浓度传感器的采样工作进行智能调节；
步骤3、确定是否执行校准操作：若执行校准操作，则准备带有已经校准过的高精度气体传感器校准装置待用；其校准数量根据校准信息中所需校准点数量和校准模式所确定，可为一个或者多个；
若不执行校准操作，专家系统则对往期CO2浓度数据和校准标准值差值、CO2浓度变化规律、温湿度等相关数据信息进行数据挖掘，并结合知识库信息，对未能按期校准的CO2传感器的气体浓度测量值进行修正、软校准；平台系统会在下一个合适的时间节点，推送该处待校准CO2浓度传感器的校准信息；
步骤4、准备校准装置：农业工作人员根据校准信息，携带校准装置到达指定的待校准CO2传感器安装地点处，启动装置校准按键，校准装置能自动识别该处的校准模式为长校准或为短校准；校准修正装置的OLED显示屏同时会有信息提示；服务器端也会通过手机APP，短信的方式通知农业工作人员该点校准完成，可移除校准修正装置；
步骤5、执行校准操作：定时获取待校准传感器数据，并对该数据进行３次指数平滑，以减少相关故障等造成的数据波动；
步骤6、判断校准是否有效： 若校准过程中，校准处理值和实际测量值差值至少3次大于最大误差值，则校准无效，此时服务器后台进行诊断，判断该CO2传感器是否故障，若出现故障，则校准失败信息推送提示需要更换CO2浓度传感器；
若校准过程中，校准处理值和测量实际值差值连续6次小于设定的最大误差值，则校准有效；完成此次校准，进行下一个待校准CO2浓度传感器校准；
若待校准CO2传感器数目较多，则支持多个校准装置同时校准，以加快校准速度；
待校准CO2浓度传感器校准完成后，则服务器端通过短信和手机APP等多形式进行信息推送，通知完成该次校准，农业校准人员可取走校准修正装置；
步骤7、待校准CO2浓度传感器校准完成后，则服务器端通过短信和手机APP等多形式进行信息推送，通知完成该次校准，农业校准人员可取走校准修正装置；
步骤8、按照以上方式依次进行校准,
最终完成全部校准工作时，则通知完成全部校准，通知方式与步骤7相同。
11.根据权利要求10所述二氧化碳浓度校准修正方法，其特征在于：所述校准过程中，采用校准修正装置浓度输出值作为待校准修正装置的CO2测量值输出，使其校准过程中，CO2浓度的采集无断档，可以正常执行农业生产指导。
CN201710134127.6A 2017-03-08 2017-03-08 一种二氧化碳浓度校准修正装置及校准修正方法 Pending CN106872650A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710134127.6A CN106872650A (zh) 2017-03-08 2017-03-08 一种二氧化碳浓度校准修正装置及校准修正方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710134127.6A CN106872650A (zh) 2017-03-08 2017-03-08 一种二氧化碳浓度校准修正装置及校准修正方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106872650A true CN106872650A (zh) 2017-06-20

Family

ID=59171082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710134127.6A Pending CN106872650A (zh) 2017-03-08 2017-03-08 一种二氧化碳浓度校准修正装置及校准修正方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106872650A (zh)

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107389878A (zh) * 2017-08-31 2017-11-24 广东美的制冷设备有限公司 传感器的自校验方法、装置及计算机可读存储介质
CN109164216A (zh) * 2018-10-08 2019-01-08 重庆市方腾科技有限公司 一种带输出补偿的甲烷传感器及零点补偿方法
CN110487967A (zh) * 2019-08-26 2019-11-22 广西玉柴机器集团有限公司 一种利用空气的NOx传感器在线校正方法及信号采集装置
CN110514788A (zh) * 2019-08-20 2019-11-29 上海畅制电子科技有限公司 一种气体传感器的标定方法、装置、设备和存储介质
CN110646569A (zh) * 2019-06-17 2020-01-03 上海是杰工业技术有限公司 一种预测气体传感器使用寿命的方法、装置和计算设备
CN111983154A (zh) * 2020-09-01 2020-11-24 河南艾牧智能设备有限公司 一种畜禽舍co2检测精度自动校准的方法
CN112129893A (zh) * 2020-09-23 2020-12-25 烟台创为新能源科技股份有限公司 一种电池热失控监测系统的co传感器在线校准方法
CN112461998A (zh) * 2020-11-10 2021-03-09 四川君逸数码科技股份有限公司 一种地下管廊气体传感器自动校准方法
CN112611407A (zh) * 2019-09-18 2021-04-06 霍夫曼工程服务有限公司 可校准工具和可校准工具的操作方法
CN112683837A (zh) * 2021-01-26 2021-04-20 杭州麦乐克科技股份有限公司 一种基于红外技术的二氧化碳浓度检测方法
CN112903618A (zh) * 2021-03-05 2021-06-04 中国计量科学研究院 一种微型化二氧化碳探测仪的校准系统
CN112963948A (zh) * 2021-04-22 2021-06-15 上海美控智慧建筑有限公司 一种新风机控制方法、装置、设备及存储介质
CN113654207A (zh) * 2021-07-29 2021-11-16 青岛海尔空调器有限总公司 用于传感器的控制方法、控制装置和服务器
CN113848015A (zh) * 2021-09-27 2021-12-28 山东理工大学 基于ZigBee的压力传感器在线校准系统
CN114323104A (zh) * 2021-12-23 2022-04-12 沈阳环境科学研究院 一种车辆环境检测传感器在线校准系统
CN117250320A (zh) * 2023-11-15 2023-12-19 珠海科创储能科技有限公司 气体传感器的校准方法、装置、存储介质及电子设备

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107389878A (zh) * 2017-08-31 2017-11-24 广东美的制冷设备有限公司 传感器的自校验方法、装置及计算机可读存储介质
CN109164216A (zh) * 2018-10-08 2019-01-08 重庆市方腾科技有限公司 一种带输出补偿的甲烷传感器及零点补偿方法
CN110646569A (zh) * 2019-06-17 2020-01-03 上海是杰工业技术有限公司 一种预测气体传感器使用寿命的方法、装置和计算设备
CN110514788A (zh) * 2019-08-20 2019-11-29 上海畅制电子科技有限公司 一种气体传感器的标定方法、装置、设备和存储介质
CN110487967A (zh) * 2019-08-26 2019-11-22 广西玉柴机器集团有限公司 一种利用空气的NOx传感器在线校正方法及信号采集装置
CN112611407A (zh) * 2019-09-18 2021-04-06 霍夫曼工程服务有限公司 可校准工具和可校准工具的操作方法
CN112611407B (zh) * 2019-09-18 2023-08-25 霍夫曼工程服务有限公司 可校准工具和可校准工具的操作方法
CN111983154A (zh) * 2020-09-01 2020-11-24 河南艾牧智能设备有限公司 一种畜禽舍co2检测精度自动校准的方法
CN112129893B (zh) * 2020-09-23 2022-09-13 烟台创为新能源科技股份有限公司 一种电池热失控监测系统的co传感器在线校准方法
CN112129893A (zh) * 2020-09-23 2020-12-25 烟台创为新能源科技股份有限公司 一种电池热失控监测系统的co传感器在线校准方法
CN112461998A (zh) * 2020-11-10 2021-03-09 四川君逸数码科技股份有限公司 一种地下管廊气体传感器自动校准方法
CN112683837A (zh) * 2021-01-26 2021-04-20 杭州麦乐克科技股份有限公司 一种基于红外技术的二氧化碳浓度检测方法
CN112683837B (zh) * 2021-01-26 2023-07-21 杭州麦乐克科技股份有限公司 一种基于红外技术的二氧化碳浓度检测方法
CN112903618A (zh) * 2021-03-05 2021-06-04 中国计量科学研究院 一种微型化二氧化碳探测仪的校准系统
CN112963948A (zh) * 2021-04-22 2021-06-15 上海美控智慧建筑有限公司 一种新风机控制方法、装置、设备及存储介质
CN113654207A (zh) * 2021-07-29 2021-11-16 青岛海尔空调器有限总公司 用于传感器的控制方法、控制装置和服务器
CN113848015A (zh) * 2021-09-27 2021-12-28 山东理工大学 基于ZigBee的压力传感器在线校准系统
CN114323104A (zh) * 2021-12-23 2022-04-12 沈阳环境科学研究院 一种车辆环境检测传感器在线校准系统
CN117250320A (zh) * 2023-11-15 2023-12-19 珠海科创储能科技有限公司 气体传感器的校准方法、装置、存储介质及电子设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106872650A (zh) 一种二氧化碳浓度校准修正装置及校准修正方法
CN203433329U (zh) 一种智能温室大棚物联网远程监控装置
Simbeye et al. Design and deployment of wireless sensor networks for aquaculture monitoring and control based on virtual instruments
CN104122915B (zh) 一种具有远程标定和冗余网络的温室大棚环境监控系统及其监控方法
US10292340B2 (en) System and method for providing illumination to plants
CN102981484B (zh) 一种基于物联网的温室智能控制系统
CN107613021A (zh) 基于云模式的农业物联网信息管理系统
CN105607681A (zh) 一种农业信息化生产无线监测系统
CN105116848A (zh) 居住建筑室内环境监测与健康等级评价物联网系统
Geng et al. A mobile greenhouse environment monitoring system based on the internet of things
CN206178509U (zh) 基于Web服务器和ZigBee的大棚远程监控系统
CN205229126U (zh) 一种基于gprs的鸡舍环境参数远程监测与控制系统
CN205620838U (zh) 一种温室大棚环境因子智能监控系统
KR102018526B1 (ko) 팜 클라우드 시스템에 사용되는 팜 클라우드 서버 및 온실용 복합 환경 제어장치
KR20190143678A (ko) IoT 기반 온실 환경 관리 시스템
CN204443395U (zh) 一种温室大棚控制系统
CN109471400A (zh) 一种基于云计算的智慧农业管理方法及管理平台
CN109471473A (zh) 一种温室大棚智能控制系统
CN107037790A (zh) 一种集中型农业监控系统
Romanov et al. Wireless sensor networks for smart agriculture
CN106656224A (zh) 通信节点以及物联网通信系统
KR101590996B1 (ko) 도시형 식물 공장의 통합 제어 시스템
Chuanan et al. Implementation of greenhouse monitoring system based on RF transceiver
Achour et al. Design and implementation of greenhouse remote monitor system
CN115442405A (zh) 一种智慧农业生产管理服务系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20170620