基于单片机的改进的土壤温度监测系统外文翻译资料

Environmental Technology amp; Innovation 21 (2021) 101346

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Environmental Technology amp; Innovation

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Modified monitoring system of soil temperature based on ARM

Mao Liu

Engineering Management Department, Sichuan College of Architectural Technology, Deyang, China

1. Introduction

The planned construction of underground buildings in cities can play an important role in saving urban land, reducing building density, improving urban traffic, expanding green area, reducing urban pollution and improving the quality of urban life (Haji-Akbari and Debenedetti, 2017). However, there are also disadvantages in underground buildings. In the process of underground buildings construction, land damage is caused by excavation, collapse, occupation and other behaviors (Benninga et al., 2018). People take remediation measures to restore it to a usable state, which is called reclamation (Hsu et al., 2018). In the process of underground building reclamation, the main factor affecting its utilization is soil temperature (Yue et al., 2019). In order to ensure the effect of underground building reclamation, a real-time monitoring system for soil temperature of underground building reclamation is studied (Khan et al., 2016). According to the existing research results, the three widely used methods are the real-time monitoring system of soil temperature of underground building reclamation based on temperature sensing elements, the real-time monitoring system of soil temperature of underground building reclamation based on wireless communication and the real-time monitoring system of soil temperature of underground building reclamation based on DeST software (Aniley et al., 2019). Among them, the real-time monitoring system of the soil temperature of the underground building reclamation based on the temperature sensing element has completed the design of the multi-point soil temperature system, with the low-power C8051F310 single-chip microcomputer as the main controller, and the DS18B20 temperature sensing element has been used to realize the temperature measurement of 10 different soil layers, but the upper computer monitoring software has not been developed, and the temperature information display on the single-chip microcomputer is single (Jin et al., 2019). The

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https://doi.org/10.1016/j.eti.2020.101346 2352-1864/copy; 2020 Elsevier B.V. All rights reserved.

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M. Liu

real-time monitoring system of the soil temperature of the underground building reclamation realized a kind of wireless temperature monitoring system which can operate in the harsh environment (Wei et al., 2019a). The hardware adopts AT89S52 and nRF24L01, and the temperature information can be displayed by liquid crystal and transmitted to PC through wireless serial port (Zhou et al., 2020). The real-time monitoring system of the soil temperature of the underground building reclamation based on DeST software realized the annual hourly value of the soil temperature (Deng et al., 2020). At present, the default thickness of soil layer in DeST is 1.2 m, and the soil temperature at this depth is regarded as a constant value, which changes month by month (Wei et al., 2019b). However, the actual depth of soil thermostatic layer depends on the specific geographical location (Assad et al., 2017). If the default value of soil temperature in DeST is adopted, the simulation results may have a large error with the actual situation for the underground buildings with a buried depth greater than 1.5 m. Each of the above three methods has its own advantages, but there are defects of poor monitoring accuracy. In order to solve the above problems, a real-time monitoring system for soil temperature of underground building reclamation is designed based on arm (Gao et al., 2019). ARM processor

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基于单片机的改进的土壤温度监测系统

摘 要：温湿度监控系统是环境管理体系中的重要组成部分，在环境稳定性、安全性、舒适性、可靠性、适宜性的保障上发挥着至关重要的作用。立足温湿度监控需求，将单片机作为系统微处理器芯片，在数据采集技术、视频显示技术、传感器技术等结合应用下，设计了一种基于单片机的温湿度监控系统，以实现对环境中温湿度的实时监测与远程控制，并为相关研究提供有益指导。

关键词：单片机；温湿度监控；监控系统；系统设计

1.介绍

城市地下建筑的规划建设可以在节约城市土地、降低建筑密度、改善城市交通、扩大绿化面积、减少城市污染和提高城市生活质量方面发挥重要作用(Haji-Akbari and Debenedetti, 2017)。然而，地下建筑也有缺点。在地下建筑建设过程中，由于开挖、坍塌、占用等行为造成土地破坏(Benninga et al.， 2018)。人们采取补救措施，使其恢复到可用状态，这被称为回收(Hsu et al.， 2018)。地下建筑复垦过程中，影响其利用的主要因素是土壤温度(Yue et al.， 2019)。为了保证地下建筑复垦的效果，研究了地下建筑复垦土壤温度实时监测系统(Khan et al.， 2016)。根据现有的研究结果,这三个被广泛使用的方法是地下土壤温度的实时监控系统建设改造基于温度传感元素,土壤温度的实时监测系统,基于无线通信的地下建筑改造和土壤温度的实时监测系统的地下建筑改造基于DeST软件(Aniley et al ., 2019)。其中,土壤温度的实时监测系统的地下建筑物改造基于温度传感元件完成多点土壤温度的设计系统,与低功耗C8051F310单片机为主控制器,和DS18B20温度传感元件被用来实现温度测量的10种不同土壤层次,但上层计算机监控软件并没有被开发出来,单片机上的温度信息显示是单一的(Jin et al.， 2019)的地下建筑复垦土壤温度实时监测系统实现了一种可在恶劣环境下运行的无线温度监测系统(Wei et al.， 2019a)。硬件采用AT89S52和nRF24L01，通过液晶显示温度信息，并通过无线串口传输到PC机(Zhou et al.， 2020)。基于DeST软件的地下建筑复垦土壤温度实时监测系统实现了土壤温度的年逐时值(Deng et al.， 2020)。目前，DeST中默认土层厚度为1.2 m，该深度的土壤温度为定值，逐月变化(Wei et al.， 2019b)。但土壤恒温层的实际深度取决于具体的地理位置(Assad et al.， 2017)。如果采用DeST中土壤温度的默认值，对于埋深大于1.5 m的地下建筑，模拟结果可能与实际情况有较大误差。以上三种方法各有优点，但都存在监测精度差的缺陷。为了解决上述问题，设计了基于arm的地下建筑复垦土壤温度实时监测系统(Gao et al.， 2019)。ARM处理器是目前设计的第一个低功耗、低成本的RISC微处理器。全名是advanced RISC Machine。ARM处理器是32位设计的，但也配备了16位指令集。一般来说，与等效的32位代码相比，它可以节省35%，但它可以保留32位系统的所有优点。ARM处理器的三个特点是:低功耗、低成本和高性能(Pavlidis et al.， 2018)。大多数领先的网络/电信制造商都在积极地将他们的下一代平台迁移到arm平台。有理由相信，arm将在未来几年内在该行业发挥极其重要的作用。通过ARM处理器的应用，可以大大提高监控精度，并通过仿真和对比实验验证了系统的性能。

2.研究背景

刘学军等设计了一种光纤光栅地源热泵土壤温度监测系统。基于光纤光栅传感技术，对土壤进行分布式温度测量。基于Mod总线通信协议，进行数据采集和处理，并与SIM900A进行GSM/ GPRS无线模块远程传输(Dong et al.， 2018)。该系统在近一年的时间里实现了北京某地点土壤温度的精确采集和实时远程传输。本系统可以获得相对稳定的温度数据，但数据的准确性不高。侯伟等人基于LabVIEW设计了一套土壤温湿度实时监测系统，以AT89S52单片机为主控芯片，结合温湿度传感器和计算机，搭建了一套农田土壤温湿度监测硬件平台;利用国家仪器的虚拟仪器软件开发平台,设计和编写基于状态机主机软件程序架构,实现友好的用户交互界面,完整的土壤温度和湿度的实时测量,显示和记录功能,并使用前面板网络发布功能实现局域网实时监控系统的远程控制。该系统运行稳定，易于调试和扩展，但实时性较差。余洪波等设计了一种基于北斗和ZigBee的森林环境监测系统。该系统可以在远程条件下自动完成联网，实现对土壤温度、湿度、烟雾和空气指标的监控功能;采集终端为主，控制模块主要完成各类传感器采集的信息，并进行显示和参数设置。在设计中，采用数字温湿度传感器采集空气中的监测对象，空气指标数据通过无线传感器网络和各子模块中的终端路由。节点包括传感器组成的无线局域网，进行数据传输。所有信息通过无线传感器网络协调节点模块汇总后，实时显示在屏幕上，从而实现远程监测森林环境空气和土壤质量的目的。该系统可以获得稳定的温度数据，但实时性较差。为了解决上述问题,本文提出了一种基于arm的实时监控系统在地下工程复垦土壤温度,可实现一个基于arm的设计在地下工程复垦土壤温度实时监控系统通过上位机监控模块和较低的计算机程序模块。

3.材料和方法

基于arm的地下建筑复垦土壤温度实时监测系统的硬件包括温度采集单元、arm处理单元和无线传输单元。具体设计过程如下：

3.1温度采集单元

温度采集单元的设计重点是传感器和单片机的选择以及土壤温度监测传感器的研制。

其中，传感器的选择是指数字温度传感器元件的选择。土壤温度数据采集端在整个系统中的作用至关重要，而温度传感元件决定了其核心

表一数字温度传感器的比较

图1 DS18B20引脚

性能(Drappier et al.， 2019)。它是整个监控系统的开端，是第一个环节，也是最关键的环节之一。进入21世纪以后，越来越多的传感器进入人们的视线。对感温元件不再陌生，但选择合适的感温元件将更有利于系统的实现。在选型时主要考虑以下几点:一、保证温度测量的精度和分辨率;第二，支持单总线协议和多层温度测量;第三，占用较少的I/O管脚;第四，软件开发简单，易于与单片机通信(Song et al.， 2018)。在比较了如下表1所示的各种数字温度传感器的特性后，结合系统的要求，选择DS18B20温度传感器进行精确的温度测量。

DS18B20是自主研发的智能数字温度传感元件。与传统器件相比，它可以将温度数据直接转换为单片机可读取的数字信号，最多在750 ms内可将温度转换为12位。支持独特的单总线协议，保证了系统多层测温的可行性。多个温度传感元件可以安装在一个总线上，使接口和外围电路简单。总线还可以为连接的元件提供电源，因此元件不需要外部电源。它具有体积小、成本低、准确可靠等优点，选择作为温度测量元件系统非常方便。

DS18B20的引脚排列如下图1所示。DQ引脚是信号线。在工厂校准的基础上，进行二次校准，提高其测温精度。

单片机的选择。需要一个控制器或数据处理单元来采集地下建筑复垦的土壤温度。它还通过控制和处理传感器元件读取的信号在系统中起着关键作用。

目前，单片机的种类很多，分为不同的系列。它们的功能越来越强大。考虑到系统的实际需求，以及开发效率高、功耗低、体积小等因素，最终开发出了STC15F2K60S2单片机。可同时控制多个DS18B20测温元件，并可与上位机进行有效通信。它适合采用主从分布的思想，易于实现远程控制。STC15F2K60S2单片机在工业领域得到了广泛的应用，具有成熟的编程技术和参考资料。

STC15F2K60S2是一款高级微控制器，集成了60K字节的可编程ROM和2048字节的ram。设备的一些主要性能参数如下。

一是软件编程完全兼容51核，正常编译可视为传统51系列的增强版;其次，设置为空闲或关机模式时，可以低功耗运行;三是选用工业用STC15F2K60S2单片机时，其工作温度范围为minus;40^◦C 85^◦C;四是32个引脚，30个通用I/O端口，安装传感器后，如果正常转换信号不能为正，则需要增加一定的上拉电阻，以保证

图2单片机原理图

图3单片机引脚图

当前的输入;第五，采用LQFP包装;第六，安装驱动程序后，可以通过串口直接下载软件。

STC15F2K60S2的物理原理图如图2所示:

STC15F2K60S2的引脚图如图3所示:

土壤温度监测传感器的研制。数字土壤温度检测传感器的研制是由多个智能温度传感元件DS18B20及其外围设备组成的。碳纤维复合材料创新地用于开发检测传感器套管，并使用沙子填充管。预计测温精度将进一步提高。套管端部采用热熔胶封装，电路条和碳纤维管设计，适应DS18B20的合理布局，尺寸小，布线方便(Yang et al.， 2017)。

土壤的组成和结构是复杂的。在充分了解其结构和特征的基础上，对土壤温度进行了研究。土壤的导热系数不是固定不变的，它会随着变化而变化

表2比较不同材料的特性

图4土壤温度传感器装置物理示意

季节和雨水等天气的变化。主要影响因素是土壤的含水量和孔隙度，土壤的导热系数在一定范围内会发生适当的变化。综合分析参考数据，地下建筑复垦土壤导热系数区间约为0.191.5W/(m.K) (Song et al.， 2018)。

碳纤维复合材料是由两种导热系数不同的碳纤维和树脂复合而成的一种新型材料。其导热系数复杂而特殊。由于碳纤维复合材料的性能不同，其导热系数差别很大，范围在0.6 ~ 6.0W/(m.K)之间。碳纤维材料的抗拉强度可保证在2500 MPa以上，5 mmtimes;7 mm碳管的市场价格为12元，具有更高的性价比。

目前，传统的土壤温度传感器装置大多采用不锈钢壳体，壳体内填充环氧树脂进行内部密封。具有良好的耐腐蚀性等优点。国内外一些产品对不锈钢外壳进行研磨，便于插入土壤进行测量。特别是在测量多层土壤温度时，由不锈钢制成的温度检测传感器由于温度传导会增加层间的温度影响，并且与不锈钢的测量角度和长度有不同的影响(Venglovsky et al.， 2018)。地下建筑用再生土、碳纤维复合材料和不锈钢材料的特性对比见表2。土壤温度传感器装置物理原理图如图4所示:

通过以上过程，完成了温度采集单元的设计。

3.2手臂处理单元

arm处理单元主要对上述温度采集单元采集的数据进行处理，其核心部件是arm处理器(Haji-Akbari and Debenedetti, 2017)。ARM处理器有一系列产品，具体内容如表3所示:

ARM处理器的梯形图如图5所示:

ARM处理器的物理原理图如图6所示:

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