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上海拜能儀器儀表有限公司
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閱讀：44發布時間：2025-2-2
概述：
目前SDI-12產品越來越豐富，應用也越來越廣泛，關鍵在于其智能化，數字化。眾多儀器廠商，系統集成商，開始關注該項技術，幾乎所有的數據采集器生產商都在自己的產品中增加了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議。通過SDI-12組建的數據采集系統結構簡潔，由于使用了總線技術，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雜接線，讓用戶一目了然，即使供應商不提供服務，用戶自己也能很好的來改變觀測方案甚至是對系統升級。
SDI-12的技術背景
SDI-12 Serial Digital Interface 即串行數字接口，是一種基于微處理器的智能化傳感器系統。SDI-12通訊標準是由美國水文組織提出的的一種串行數據通訊接口協議，在SDI-12協會支持下，近年來歐美國家在環境監測中加以推廣使用。此技術廣泛應用在工農業多參數測控、江河湖海的水文和氣象等地球環境監測、養殖和食品生產中，可以遠距離傳送數據。
目前此協議的版本是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小組的技術支持遍及。國外有很多從事智能傳感器開發的公司對SDI-12通信技術的應用都非常成熟，生產了一大批高性能智能傳感器和數據采集系統產品。國內近年來從事SDI-12傳感器開發的公司逐步興起，有些公司也開發出了很多不錯的SDI-12智能傳感器。我國的>SDI-12技術也已應用到如氣候變化追蹤、水采集及水測試、生態調查、土壤監測、農業及氣候分析等領域。
一、關于接口、總線與通信協議
我們常見的RS232、RS485、RS422、CAN等這些都是接口標準，它并沒有規定通信的內容，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容約定，即形成通信協議。在這些協議的約定下，各生產廠家的相同或不同類型的產品可以兼容在一起組成網絡。這些設備都是并聯在接口上的，形成總線連接方式，同時它也限定接入總線的數量。SDI-12既約定了接口的電氣規范又約定了通信的內容。但在其軟件協議功能性的推動下，一些廠家也在RS485接口的產品上使用了該協議的通信格式。
SDI-12總線技術屬于單線總線技術，即在一根數據線上進行雙向半雙工數據交換，但這并不代表一根電線就可以進行數據傳輸了，它是和電源線的負極共用的。在短距離的應用中它并不強調線路使用雙絞線，對計算機通信有過研究的人都知道，數字信號的傳輸距離和線路的阻抗匹配有很大關系，用平行線路做為數據傳輸的物理層，會在很大程度上縮短通信距離，這是由于構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，對傳輸的數字脈沖的上升沿和下降沿---產生畸變，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,即每秒傳輸的數據位數。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接口標準規范內容
1．接口的電氣性能
接口規定了總線使用三芯電纜，定義如下：
一根為串行數據線，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據信號線的回路。
2．串行數據的邏輯和電壓值
二進制值 電壓范圍
1 -0.5V~ 1.0V
0 3.5V~ 5.5V
3．SDI-12傳感網絡結構
三、SDI-12的通信協議
1．通信速率和字幀結構
協議規定了通信的波特率為1200
字幀結構
起始位： 1
數據位： 7
校 驗： 偶校驗
停止位： 1
2．可實現特性
所有在SDI-12總線上發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“！"為結束符。
所有的傳感器響應以地址碼開始，以為結束符。
3．SDI-12的地址范圍
規范約定地址由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，可以實現適合自身特點的算法
可以通過指令對其進行校準
內部采用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據采集器的設計
感器在未來的發展上可以獨立完成。
2．傳感器的組成結構
3．傳感器的休眠與喚醒機制
這個協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。
注意：這項功能是由數據采集器或>SDI-12協議轉換器自動執行的，用戶只要理解就可以了。
五、SDI-12的常用指令
初看這個協議的時候有很多不理解的地方，特別是數據獲取指令，D0、D1……，筆者在對一個傳感器進行實際操作練習后，便明白了這個協議。采用一個SDI-12接口適配器，在PC上使用一個串口調試軟件，將協議的指令都運行一遍后，才發現它并不神秘了。
1．對一個SDI-12傳感器測量操作，一個測量任務共分為四步：
步：數據采集器發送一個測量命令，傳感器即做出響應。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，“！"是命令結束符，由這三個元素構成一個完整的命令。
第二步：傳感器的響應
對于傳感器來說，aM!是一個常規的測量命令，傳感器可以完成一個基本的測量任務。并且會做出一個響應：atttn，這是傳感器接到aM!后的一個反應，響應中：
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 為數據數量
為回車符
為換行符
第三步：數據采集器發送數據獲取命令通常，數據采集器發送一個aD0！命令來向傳感器獲取數據。
第四步：傳感器向數據采集返回測量結果
a 其中values 可以是一個值也可以是多個值，多個值用“+"或“-"來區分。
2．SDI-12常用命令與響應的解釋（其他指令請參考SDI-12原文或我們提供的譯文）
命令 響應
？！ 查詢地址指令 a
a！ 應答激活指令 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 本次測量可產生的數據個數
aD0! 獲取數據指令 a
數據采集器的命令始終以“！"為結尾，而傳感器的響應始終以結尾
3．SDI-12擴展指令，
它是各個傳感器生產廠家根據傳感器本身的性能，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"來區別，“NNN"由廠家自定義。
六、通信距離實驗
協議規定了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，發現它們有很好的兼容性，對網絡結構沒有特殊的要求，傳輸距離都超過了1KM。取得的數據僅供參考，因各廠家生產的傳感器接口性能不盡相同，組網的結構、傳感器接入數量以及電纜的紐絞形式都是影響傳輸距離的因素。
平行線實驗結果3×1mm2無屏蔽
雙絞線實驗結果2×0．2mm2無屏蔽
七、支持SDI-12總線的產品類型
基于SDI-12協議的產品涵蓋了環境監測領域大部分產品主要有以下三大類
氣象：溫度，濕度，雨量、風速、風向，如Vaisala的WXT520等。
水文：水位、水質、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接口的數據采集器GeoPrecision 、Campbell、 DataTaker等。
八、如何組建SDI-12的數據采集系統
1．數據采集器的選用
如果系統簡單，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置就可以了，支持48個通道，且集成了一個GPRS模塊，可組成網絡。
在復雜的測量并含有控制邏輯的系統中建議采用DataTake DT80，該采集器界面友好，接口豐富，4個SDI-12接口，具有數字及開關量輸出接口，在測控系統中使用很方便。
不同的數據采集器對SDI-12的使用上有區別，但基本指令是不可改變的
2．關于供電問題
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約功耗，所以建議采用數據采集器控制供電方式，即到達采集時刻，提前3-5秒供電，采集完成后即關閉總線電源。大多數數據采集器均具備這種功能，即WarmUP功能。
九、SDI-12與GPRS相結合組成環境觀測網絡
基于SDI-12的土壤水分溫度傳感器與GPRS Logger組成土壤墑情監測網絡。
基于SDI-12的土壤水勢溫度傳感器與GPRS Logge組成土壤基質勢監測網絡。
基于SDI-12的多參數水質傳感器與GPRS Logge組成水質監測網絡。
十、關于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協議，還可對傳感器的一些特殊功能進行設置等。
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