基于SDI-12總線（通信協(xié)議）的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

概述：

目前SDI-12產(chǎn)品越來越豐富，應(yīng)用也越來越廣泛，關(guān)鍵在于其智能化，數(shù)字化。眾多儀器廠商，系統(tǒng)集成商，開始關(guān)注該項技術(shù)，幾乎所有的數(shù)據(jù)采集器生產(chǎn)商都在自己的產(chǎn)品中增加了SDI-12總線接口，在大趨勢的推動下，傳感器廠家也開始加入這個協(xié)議。通過SDI-12組建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，由于使用了總線技術(shù)，所有的傳感器連接在一條SDI-12總線上，所以放棄了以往的復(fù)雜接線，讓用戶一目了然，即使供應(yīng)商不提供服務(wù)，用戶自己也能很好的來改變觀測方案甚至是對系統(tǒng)升級。

SDI-12的技術(shù)背景
SDI-12 Serial Digital Interface 即串行數(shù)字接口，是一種基于微處理器的智能化傳感器系統(tǒng)。SDI-12通訊標準是由美國水文組織提出的的一種串行數(shù)據(jù)通訊接口協(xié)議，在SDI-12協(xié)會支持下，近年來歐美國家在環(huán)境監(jiān)測中加以推廣使用。此技術(shù)廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)多參數(shù)測控、江河湖海的水文和氣象等地球環(huán)境監(jiān)測、養(yǎng)殖和食品生產(chǎn)中，可以遠距離傳送數(shù)據(jù)。

目前此協(xié)議的版本是2005年7月18號公布的V1.3版，這個標準版本是V1.2版的升級版。SDI-12小組的技術(shù)支持遍及。國外有很多從事智能傳感器開發(fā)的公司對SDI-12通信技術(shù)的應(yīng)用都非常成熟，生產(chǎn)了一大批高性能智能傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品。國內(nèi)近年來從事SDI-12傳感器開發(fā)的公司逐步興起，有些公司也開發(fā)出了很多不錯的SDI-12智能傳感器。我國的>SDI-12技術(shù)也已應(yīng)用到如氣候變化追蹤、水采集及水測試、生態(tài)調(diào)查、土壤監(jiān)測、農(nóng)業(yè)及氣候分析等領(lǐng)域。

一、關(guān)于接口、總線與通信協(xié)議
我們常見的RS232、RS485、RS422、CAN等這些都是接口標準，它并沒有規(guī)定通信的內(nèi)容，在定義了接口的機械與電氣標準后，各種組織或廠家制定出標準的通信內(nèi)容約定，即形成通信協(xié)議。在這些協(xié)議的約定下，各生產(chǎn)廠家的相同或不同類型的產(chǎn)品可以兼容在一起組成網(wǎng)絡(luò)。這些設(shè)備都是并聯(lián)在接口上的，形成總線連接方式，同時它也限定接入總線的數(shù)量。SDI-12既約定了接口的電氣規(guī)范又約定了通信的內(nèi)容。但在其軟件協(xié)議功能性的推動下，一些廠家也在RS485接口的產(chǎn)品上使用了該協(xié)議的通信格式。

SDI-12總線技術(shù)屬于單線總線技術(shù)，即在一根數(shù)據(jù)線上進行雙向半雙工數(shù)據(jù)交換，但這并不代表一根電線就可以進行數(shù)據(jù)傳輸了，它是和電源線的負極共用的。在短距離的應(yīng)用中它并不強調(diào)線路使用雙絞線，對計算機通信有過研究的人都知道，數(shù)字信號的傳輸距離和線路的阻抗匹配有很大關(guān)系，用平行線路做為數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺?，會在很大程度上縮短通信距離，這是由于構(gòu)成通信信號電流回路的兩根線在處于并行時，這條線路的電容增加，對傳輸?shù)臄?shù)字脈沖的上升沿和下降沿---產(chǎn)生畸變，造成接收方無法辨認是“1”或是“0”。另一個影響通信距離的因素是通信速率bps/S,即每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。通信速率越高，對線路的要求越高。因此在進行遠距離通信中，選用雙絞線是有必要的。

但這對于>SDI-12總線來說，情況好多了，SDI-12總線的通信速率為1200bps/S。

二、SDI-12接口標準規(guī)范內(nèi)容

1．接口的電氣性能

接口規(guī)定了總線使用三芯電纜，定義如下：
一根為串行數(shù)據(jù)線，雙向半雙工通信
一根為12V供電線，向傳感器供電
一根為地線，即作為電源的回路又作為數(shù)據(jù)信號線的回路。
2．串行數(shù)據(jù)的邏輯和電壓值

二進制值 電壓范圍
1 -0.5V~ 1.0V
0 3.5V~ 5.5V

3．SDI-12傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

三、SDI-12的通信協(xié)議

1．通信速率和字幀結(jié)構(gòu)

協(xié)議規(guī)定了通信的波特率為1200

字幀結(jié)構(gòu)
起始位： 1
數(shù)據(jù)位： 7
校 驗： 偶校驗

停止位： 1

2．可實現(xiàn)特性

所有在SDI-12總線上發(fā)送的字符必須是可印刷的ASCII字符。
所有的指令以地址碼開始，以“！”為結(jié)束符。

所有的傳感器響應(yīng)以地址碼開始，以為結(jié)束符。

3．SDI-12的地址范圍

規(guī)范約定地址由0-9 、a-z、A-Z ，出廠初始化地址為0，但大部分廠家沒有對這個范圍進行限制，經(jīng)過實驗驗證，所有的可顯示的鍵盤碼都可以做為地址，但建議用戶在地址資源充足的情況下，不要將地址設(shè)置超出該范圍，以免帶來不必要的麻煩。

四、SDI-12傳感器

1．傳感器的特點：
傳感器自身具有微處理器，可以實現(xiàn)適合自身特點的算法
可以通過指令對其進行校準
內(nèi)部采用EEPROM，用來放置校準信息和其他配置信息。
單總線的串行接口簡化了數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計
感器在未來的發(fā)展上可以獨立完成。

2．傳感器的組成結(jié)構(gòu)

3．傳感器的休眠與喚醒機制

這個協(xié)議里最特殊的點是它的休眠與喚醒機制12mS和8．33mS標識。由于>SDI-12傳感器低功耗模式，當不進行工作時即進入休眠，因此每個命令前需要加上一個12mS的標識信號，用于喚醒總線上所有的傳感器，傳感器從低功耗模式中喚醒后，在收到下一個8．33mS標識信號后，開始尋找和自己匹配的地址，地址匹配開始測量。如果地址無效或空閑超過100mS將返回到低功耗待機狀態(tài)。

注意：這項功能是由數(shù)據(jù)采集器或>SDI-12協(xié)議轉(zhuǎn)換器自動執(zhí)行的，用戶只要理解就可以了。

五、SDI-12的常用指令

初看這個協(xié)議的時候有很多不理解的地方，特別是數(shù)據(jù)獲取指令，D0、D1……，筆者在對一個傳感器進行實際操作練習(xí)后，便明白了這個協(xié)議。采用一個SDI-12接口適配器，在PC上使用一個串口調(diào)試軟件，將協(xié)議的指令都運行一遍后，才發(fā)現(xiàn)它并不神秘了。

1．對一個SDI-12傳感器測量操作，一個測量任務(wù)共分為四步：

步：數(shù)據(jù)采集器發(fā)送一個測量命令，傳感器即做出響應(yīng)。一個測量命令格式如下：aM! 小寫的“a”是傳感器的地址碼，“M”是通知傳感器進行測量，“！”是命令結(jié)束符，由這三個元素構(gòu)成一個完整的命令。

第二步：傳感器的響應(yīng)

對于傳感器來說，aM!是一個常規(guī)的測量命令，傳感器可以完成一個基本的測量任務(wù)。并且會做出一個響應(yīng)：atttn，這是傳感器接到aM!后的一個反應(yīng)，響應(yīng)中：
a 為本傳感器的地址
ttt 為本次測量需要的時間，以秒為單位
n 為數(shù)據(jù)數(shù)量
為回車符

為換行符

第三步：數(shù)據(jù)采集器發(fā)送數(shù)據(jù)獲取命令通常，數(shù)據(jù)采集器發(fā)送一個aD0！命令來向傳感器獲取數(shù)據(jù)。

第四步：傳感器向數(shù)據(jù)采集返回測量結(jié)果
a 其中values 可以是一個值也可以是多個值，多個值用“+”或“-”來區(qū)分。
2．SDI-12常用命令與響應(yīng)的解釋（其他指令請參考SDI-12原文或我們提供的譯文）
命令 響應(yīng)
？！ 查詢地址指令 a
a！ 應(yīng)答激活指令 a
aI！ 識別指令 allcccc…………傳感器型號、版本、序列號等
aAb！ 修改地址指令 b 表示為b
aM！ 測量指令 atttn
a 為地址
ttt 為一次測量需要的時間
n 本次測量可產(chǎn)生的數(shù)據(jù)個數(shù)
aD0! 獲取數(shù)據(jù)指令 a

數(shù)據(jù)采集器的命令始終以“！”為結(jié)尾，而傳感器的響應(yīng)始終以結(jié)尾

3．SDI-12擴展指令，

它是各個傳感器生產(chǎn)廠家根據(jù)傳感器本身的性能，自定義一些特殊功能的指令。但這些命令也是符合SDI-12的約束的。
擴展指令的格式：aXNNN！需要加一個“X”來區(qū)別，“NNN”由廠家自定義。

六、通信距離實驗

協(xié)議規(guī)定了SDI-12的通信距離為200英尺，但實際遠不止這些，我們選用了一些不同廠家的傳感器進行實驗，發(fā)現(xiàn)它們有很好的兼容性，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有特殊的要求，傳輸距離都超過了1KM。取得的數(shù)據(jù)僅供參考，因各廠家生產(chǎn)的傳感器接口性能不盡相同，組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、傳感器接入數(shù)量以及電纜的紐絞形式都是影響傳輸距離的因素。

平行線實驗結(jié)果3×1mm2無屏蔽

雙絞線實驗結(jié)果2×0．2mm2無屏蔽

七、支持SDI-12總線的產(chǎn)品類型
基于SDI-12協(xié)議的產(chǎn)品涵蓋了環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域大部分產(chǎn)品主要有以下三大類
氣象：溫度，濕度，雨量、風(fēng)速、風(fēng)向，如Vaisala的WXT520等。
水文：水位、水質(zhì)、流量、溫度等 YSI 6600等。
土壤：水分、水勢、溫度等 GeoPrecision 的pF meter 、GP220D、溫度鏈等。
具有SDI-12接口的數(shù)據(jù)采集器GeoPrecision 、Campbell、 DataTaker等。

八、如何組建SDI-12的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1．數(shù)據(jù)采集器的選用

如果系統(tǒng)簡單，選用的傳感器全部為SDI-12接口，可選用GeoPrecision的I-Logger,這個產(chǎn)品本身具有5個模擬量輸入通道，一個SDI-12接口，該采集器不需要編程，只用進行簡單的通道設(shè)置就可以了，支持48個通道，且集成了一個GPRS模塊，可組成網(wǎng)絡(luò)。

在復(fù)雜的測量并含有控制邏輯的系統(tǒng)中建議采用DataTake DT80，該采集器界面友好，接口豐富，4個SDI-12接口，具有數(shù)字及開關(guān)量輸出接口，在測控系統(tǒng)中使用很方便。

不同的數(shù)據(jù)采集器對SDI-12的使用上有區(qū)別，但基本指令是不可改變的

2．關(guān)于供電問題

SDI-12傳感器本身具備低功耗休眠模式，但由于野外使用時需進一步節(jié)約功耗，所以建議采用數(shù)據(jù)采集器控制供電方式，即到達采集時刻，提前3-5秒供電，采集完成后即關(guān)閉總線電源。大多數(shù)數(shù)據(jù)采集器均具備這種功能，即WarmUP功能。

九、SDI-12與GPRS相結(jié)合組成環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)

基于SDI-12的土壤水分溫度傳感器與GPRS Logger組成土壤墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
基于SDI-12的土壤水勢溫度傳感器與GPRS Logge組成土壤基質(zhì)勢監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
基于SDI-12的多參數(shù)水質(zhì)傳感器與GPRS Logge組成水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

十、關(guān)于SDI-12適配接口

使用該適配器可以方便的通過PC機對SDI-12傳感器進行操作，從而更方便直觀的了解SDI-12協(xié)議，還可對傳感器的一些特殊功能進行設(shè)置等。