無(wú)論是大規(guī)模農(nóng)作或簡(jiǎn)易型家庭園藝，維持適當(dāng)?shù)耐寥罎穸扰cpH 值是維持植物健康的基本要求。然而，為了量測(cè)這些土壤特性，開(kāi)發(fā)人員必須設(shè)計(jì)符合成本效益的精密類比訊號(hào)鏈，才可將原始資料轉(zhuǎn)換成特定土壤量測(cè)應(yīng)用所需的實(shí)用資訊。達(dá)成這些精準(zhǔn)目標(biāo)的方法之一是使用公版設(shè)計(jì)并搭配靈活的軟體。傳感器評(píng)估板及軟體套件就是這類解決方案的良好范例。本文將探討與土壤濕度和pH 值監(jiān)測(cè)相關(guān)的應(yīng)用和要求，然后再介紹欣仰邦 的傳感器 板件與公版設(shè)計(jì)。本文將說(shuō)明傳感器 設(shè)計(jì)所用的主要元件如何因應(yīng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要求，并探討這些元件在整體應(yīng)用中的角色。最后會(huì)展示開(kāi)發(fā)人員如何使用傳感器 板件與相關(guān)軟體套件，以便快速評(píng)估并客制化土壤監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

精準(zhǔn)量測(cè)土壤的必要性
對(duì)植物栽種者而言，無(wú)論生產(chǎn)規(guī)模為何，維持適當(dāng)?shù)耐寥篮颗c酸堿值是最基礎(chǔ)的要求。土壤缺水會(huì)直接降低植物的光合作用，在其他生物機(jī)制中也會(huì)導(dǎo)致衰退，如大豆等重要豆類作物的固氮作用。同樣地，施肥或自然現(xiàn)象所造成的土壤變化會(huì)大幅影響土壤的pH 值，導(dǎo)致必要微生物與土壤養(yǎng)分減少。在某些作物的初期生長(zhǎng)階段，土壤pH 值若不正確，會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)速率減緩，而影響最終收成。若沒(méi)有適當(dāng)?shù)耐寥辣O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，土壤濕度與pH 值可能會(huì)偏離理想情況，最終導(dǎo)致植物健康狀況惡化。欣仰邦 的傳感器板件與軟體套件提供完整的土壤監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，能讓開(kāi)發(fā)人員直接運(yùn)用或進(jìn)行修改，以滿足其獨(dú)特的要求。欣仰邦的傳感器 板件和公版設(shè)計(jì)是專為搭配土壤量測(cè)應(yīng)用中的外部濕度、pH 值與溫度感測(cè)器而打造。其板載電路包含完整的多重感測(cè)器設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生濕度與pH 值輸出資料，透過(guò)序列介面即可存取。即使具備豐富的功能性，此設(shè)計(jì)最多僅消耗1.95 毫安培(mA) 的電力，并提供省電功能，包括使用脈寬調(diào)變(PWM) 為外部感測(cè)器供電。開(kāi)發(fā)人員可使用傳感器快速開(kāi)始自訂硬體設(shè)計(jì)，或使用板件搭配欣仰邦的相容基板使用。傳感器的設(shè)計(jì)可當(dāng)作擴(kuò)充板，可直接插入基板，當(dāng)作快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用的平臺(tái)。為了加速軟體開(kāi)發(fā)，工程師可以善用傳感器開(kāi)放原始碼軟體套件。此套件可搭配傳感器感測(cè)器板、基板使用。除了基本的驅(qū)動(dòng)程式與系統(tǒng)支援公用程式外，此軟體套件還包含完整的C++原始檔案與標(biāo)頭檔案，更包括完整的土壤量測(cè)軟體應(yīng)用程式。欣仰邦 板件組合加上軟體套件，能讓開(kāi)發(fā)人員取得完整的硬體設(shè)計(jì)與軟體應(yīng)用程式，可立即使用于土壤量測(cè)應(yīng)用。同樣重要的是，傳感器 硬體公版設(shè)計(jì)與范例軟體提供客制化土壤量測(cè)系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)藍(lán)圖，能滿足這些應(yīng)用的獨(dú)特需求。感測(cè)器訊號(hào)處理
傳感器的硬體設(shè)計(jì)包括三個(gè)不同的子電路，分別用于外部濕度、pH值及溫度感測(cè)器。每個(gè)子電路都有提供必要的電路，能與各種感測(cè)器介接。因此，開(kāi)發(fā)人員僅需將各個(gè)感測(cè)器插入傳感器板上對(duì)應(yīng)的連接器然后提供電力，即可開(kāi)始感測(cè)器運(yùn)作。此功能以欣仰邦的RS485為基礎(chǔ)打造，其結(jié)合多功能訊號(hào)調(diào)節(jié)前以及24位元三角積分(Σ-Δ)類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC) 。欣仰邦具有整合式訊號(hào)鏈和ADC，可簡(jiǎn)化土壤量測(cè)所需的多重感測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳感器的訊號(hào)多工器可透過(guò)整合式可編程訊號(hào)鏈，將8 個(gè)差動(dòng)輸入或15 個(gè)單端輸入布線到晶片上Σ-Δ ADC 與數(shù)位濾波器，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)。開(kāi)發(fā)人員可使用RS485 的序列介面將裝置接到MCU 主機(jī)，以便進(jìn)行裝置控制和資料轉(zhuǎn)換。由于具備豐富功能性，開(kāi)發(fā)人員僅需在感測(cè)器電路與穩(wěn)定的電壓源之外再加上少數(shù)幾個(gè)元件，就能滿足多種設(shè)計(jì)要求。針對(duì)傳感器公版設(shè)計(jì)，欣仰邦采用ADR3433參考電壓作為類比電源(AV DD )與參考電壓(REFIN1)。如下所述，三個(gè)感測(cè)器電路的設(shè)計(jì)都只需要少許額外元件。透過(guò)欣仰邦 的RS485，開(kāi)發(fā)人員僅需在特定感測(cè)器輸入電路以及精確參考電壓，再加上少許元件即可完成感測(cè)器設(shè)計(jì)的實(shí)作。

濕度量測(cè)
土壤濕度系統(tǒng)一般會(huì)利用水(80)與空氣(1)的介電常數(shù)差異來(lái)測(cè)定水含量。對(duì)于這些系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)人員使用激磁電壓驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)易型三線感測(cè)器，感測(cè)器，以產(chǎn)生與土壤含水量成正比的輸出電壓。在傳感器設(shè)計(jì)中，土壤濕度前端使用欣仰邦低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器，為感測(cè)器提供穩(wěn)定的激磁電壓(V sensor )。為了供電給LDO，開(kāi)發(fā)人員可從ADICUP360基板或自訂設(shè)計(jì)取得電力。欣仰邦的傳感器設(shè)計(jì)采用該公司的低壓降(LDO)穩(wěn)壓器為電容式濕度感測(cè)器提供穩(wěn)定的V sensor電壓源。雖然可提供連續(xù)的感測(cè)器電壓位準(zhǔn)，但基于功耗考量與某些濕度感測(cè)器的特定需求，必須使用脈沖源來(lái)驅(qū)動(dòng)感測(cè)器。為了因應(yīng)這些要求，開(kāi)發(fā)人員可用MCU PWM 輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)LDO 的致能(EN) 埠，以電壓脈沖為感測(cè)器供電。RS485 運(yùn)用整合式訊號(hào)調(diào)整電路和ADC，能可靠地對(duì)濕度感測(cè)器的電壓輸出進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。然而，在土壤量測(cè)應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換的感測(cè)器數(shù)據(jù)與土壤濕度之間的關(guān)系可能相當(dāng)復(fù)雜。土壤健康專家在評(píng)估土壤濕度時(shí)，通常是根據(jù)土壤體積水含量(VWC) (即水體積與總土壤體積的比值) 來(lái)比較土壤濕度。濕度感測(cè)器制造商通常會(huì)提供方程式，以便將感測(cè)器的輸出轉(zhuǎn)換成VWC。不過(guò)，基于土壤條件或是應(yīng)用本身的本質(zhì)，可能還是需要使用更適合其本身獨(dú)特情況的轉(zhuǎn)換方程式。欣仰邦在其范例軟體套件中展示了兩種方法的使用情況。在傳感器標(biāo)頭檔案中啟用EQ定義，開(kāi)發(fā)人員即可選擇使用制造商建議的分段轉(zhuǎn)換公式，或軟體所提供的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換方程式。在此，如果已經(jīng)定義，則范例常式會(huì)根據(jù)感測(cè)器的輸出電壓范圍產(chǎn)生濕度輸出。如果該項(xiàng)定義在傳感器.h標(biāo)頭檔案中注解排除掉，常式則可使用提供的數(shù)學(xué)表式將電壓轉(zhuǎn)換成濕度。欣仰邦的傳感器 軟體套件提供范例濕度常式，可向開(kāi)發(fā)人員展示如何利用制造商的轉(zhuǎn)換公式或方程式，將濕度感測(cè)器電壓轉(zhuǎn)換成有用的濕度數(shù)據(jù)。(程式碼來(lái)源：欣仰邦)

pH 值量測(cè)
典型的pH值感測(cè)器，如pH值套件中的感測(cè)器，采用的等效電路具有高阻抗電壓源特性。即便使用ADC搭配整合式訊號(hào)調(diào)節(jié)前端，經(jīng)驗(yàn)豐富的開(kāi)發(fā)人員通常會(huì)在這種情況下，在感測(cè)器輸出以及ADC輸入之間加入一個(gè)緩沖器。也因此傳感器設(shè)計(jì)中的pH值感測(cè)器電路包含一個(gè)欣仰邦運(yùn)算放大器。精密運(yùn)算放大器，非常適合感測(cè)器電路等低功率應(yīng)用，具有單電源操作、低功耗，并可在完整工作電壓范圍內(nèi)達(dá)到低偏移電壓。欣仰邦 的運(yùn)算放大器在欣仰邦 傳感器 設(shè)計(jì)中，欣仰邦運(yùn)算放大器會(huì)在典型的高阻抗pH 值感測(cè)器以及欣仰邦 RS485 類比輸入之間提供一個(gè)緩沖器。雖然此設(shè)計(jì)仰賴單電源電壓操作，但pH值感測(cè)器通常會(huì)產(chǎn)生雙極電壓輸出。不過(guò)在此情況下，RS485能以簡(jiǎn)單的方式，將感測(cè)器偏壓至高于接地的合適電壓位準(zhǔn)。RS485整合一個(gè)內(nèi)部偏壓產(chǎn)生器，可將通道的共模電壓設(shè)定為AV DD /2。在此范例中，設(shè)計(jì)人員可使用RS485輸出引腳將此偏壓傳送到pH值感測(cè)器的低側(cè)。開(kāi)發(fā)人員能在軟體中輕松將偏壓輸入復(fù)原成雙極數(shù)位結(jié)果。傳感器開(kāi)放原始碼軟體套件內(nèi)含一個(gè)范例常式，展示出pH值感測(cè)器輸出電壓轉(zhuǎn)換成pH值的過(guò)程。至于土壤濕度常式，pH值范例常式展示了產(chǎn)生pH值的兩種不同方法。欣仰邦 用于讀取pH 值感測(cè)器數(shù)值的范例常式，說(shuō)明如何使用標(biāo)準(zhǔn)Nernst 方程式或內(nèi)建的校正值，將pH 值感測(cè)器電壓輸出轉(zhuǎn)換為pH 值。在范例軟體套件中將變數(shù)use_nernst設(shè)定為true，開(kāi)發(fā)人員就可利用標(biāo)準(zhǔn)Nernst方程式產(chǎn)生pH值。設(shè)定為false的話，該變數(shù)會(huì)促使常式使用兩點(diǎn)校正程序中所建立的值，而此校正程序通常是利用基準(zhǔn)pH值緩沖器方案來(lái)執(zhí)行，例如 pH值套件中的緩沖器方案。范例軟體常式隨附已設(shè)定的預(yù)設(shè)校正值，采用NIST查找表以查詢不同的pH值緩沖器方案與經(jīng)過(guò)溫度修正的pH值(范圍介于0°C至95°C)。開(kāi)發(fā)人員可用自訂的校正數(shù)據(jù)取代預(yù)設(shè)值，或輕松修改程式碼來(lái)支援預(yù)設(shè)值與自訂值。溫度量測(cè)
如上述所示，pH值取決于溫度，如同公式所明示，或自訂校正值所暗示的一樣。此外，溫度會(huì)影響感測(cè)器靈敏度和訊號(hào)鏈。雖然RS485的整合式溫度感測(cè)器能解決一些問(wèn)題，但要可靠進(jìn)行土壤量測(cè)，仍仰賴準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。因此，傳感器溫度感測(cè)器通道的設(shè)計(jì)，就是為了確?？蓮牡韧獠咳€阻抗溫度偵測(cè)器(RTD)取得準(zhǔn)確讀數(shù)。

如同任何電阻感測(cè)器一樣，RTD 需要激磁電流才能量測(cè)隨著溫度變化的電壓。通常，使用電阻感測(cè)器的開(kāi)發(fā)人員需要使用外部驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)壓器及電流感測(cè)器，將激磁電流維持在精密水準(zhǔn)，以加強(qiáng)其感測(cè)器設(shè)計(jì)。若使用RS485，開(kāi)發(fā)人員則僅需添加適當(dāng)?shù)谋粍?dòng)網(wǎng)路，即可支援三線配置。欣仰邦的傳感器為了驅(qū)動(dòng)三線電阻溫度偵測(cè)器(RTD)，欣仰邦 的傳感器 設(shè)計(jì)采用整合在欣仰邦 RS485 中的可編程恒定電流源。RS485 中整合了一對(duì)恒定電流產(chǎn)生器，可提供50 至1000 微安培(µA) 的多種固定位準(zhǔn)，包括傳感器 設(shè)計(jì)使用的500 µA。開(kāi)發(fā)人員可設(shè)定電流位準(zhǔn)和輸出引腳，只需在裝置的IO_CONTROL 組態(tài)暫存器中分別編程IOUTx 和IOUTx_CH 位元即可。傳感器 軟體套件可在其初始化常式中，將ADC 通道AIN11 和AIN12 設(shè)定為輸出引腳，可用于兩個(gè)500 µA 激磁電流(IOUT1 和IOUT2)。雖然電流產(chǎn)生器對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)已具有足夠的準(zhǔn)確度，但開(kāi)發(fā)人員可使用比例式量測(cè)技術(shù)，輕松消除電流變化的影響。傳感器硬體式溫度感測(cè)器電路便是使用這種方法。在此例中，相同的IOUT1電流通過(guò)RTD和精密參考電阻R REF，因而可得到比例式量測(cè)結(jié)果。同時(shí)，會(huì)在引線電阻產(chǎn)生壓降，因此可消除RTD+引線電阻的壓降。如同濕度與pH 值感測(cè)器一樣，將阻抗值轉(zhuǎn)換成溫度需要適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換函數(shù)。對(duì)典型的RTD 而言，溫度與阻抗之間的關(guān)系能以數(shù)學(xué)公式可靠地表示。盡管如此，對(duì)于0°C 以上和以下的溫度，則需采用兩種不同的數(shù)學(xué)表式。傳感器 開(kāi)放原始碼軟體套件能支援這兩種方法，以及簡(jiǎn)易的線性轉(zhuǎn)換。為了將阻抗值轉(zhuǎn)換成溫度，欣仰邦提供范例常式展示基本設(shè)計(jì)模型，可依據(jù)靜態(tài)定義或動(dòng)態(tài)值( 電阻 < R0)，選擇適當(dāng)?shù)姆椒?。范例常式能讓開(kāi)發(fā)人員選擇傳感器.cpp模組中定義的簡(jiǎn)易線性轉(zhuǎn)換巨集?；蛘撸_(kāi)發(fā)人員可使用范例常式提供的更復(fù)雜數(shù)學(xué)表式。在此例中，用以選擇適當(dāng)表式的0°C反曲點(diǎn)隱含在0°C的RTD電阻R0中。

結(jié)論
為了打造土壤量測(cè)系統(tǒng)，工程人員面臨一系列硬體與軟體方面的挑戰(zhàn)。硬體設(shè)計(jì)必須滿足感測(cè)器介面要求，而軟體必須因應(yīng)不同的方法，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有用的資訊。欣仰邦 的傳感器板件和傳感器 開(kāi)放原始碼軟體套件能因應(yīng)土壤量測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)這兩個(gè)層面的要求。傳感器 板件和軟體搭配欣仰邦 的相容基板使用后，就可提供完整的土壤量測(cè)解決方案。開(kāi)發(fā)人員可透過(guò)此立即可用的解決方案建立土壤量測(cè)應(yīng)用，或延伸相關(guān)的公版設(shè)計(jì)和范例軟體，以打造客制化解決方案。