CN101482390B - 一种无线果实膨大传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线果实膨大传感器及其控制方法，其中：位移参数获取单元，包括固定在果实直径两端的固定夹，与固定夹分别连接的传动杆，及在传动杆发生位移时产生压差信号的线性可变差动变压器；无线片上系统，包括：微控制器，根据压差信号获取果实膨大信息并暂存在片上存储器，收到查询指令后将果实膨大信息发出；无线射频单元，接收无线传感网络中上位机发送的各种指令并转发到微控制器，接收微控制器发送的果实膨大信息并通过无线传感网络发送到上位机，该方法通过将无线传感器加入到无线传感网络中，根据上位机发送的各种指令进行休眠、果实膨大信息发送及采集频率调整。本发明设备简单而精确，便于制作，利用无线方式降低了布线成本。

Description

一种无线果实膨大传感器及其控制方法

技术领域

本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种无线果实膨大传感器及其控制方法。

背景技术

植物果实膨大过程是植物缓慢连续生长变化的过程。研究植物果实的生长状况、所处的生长环境、以及产量之间的关系能够正确的指导植物的栽培与种植。当前对植物的生长环境的监测技术已经相当的成熟，但对植物的果实生长状况的监测技术相对欠缺。果实膨大传感器能够连续测定果实的生长率，即时反应环境因素变化及人为措施给生长带来得影响。在对植物的监测过程中将果实的生长和环境因素同步观测，这样不但可以准确认定影响生长的关键因素，而且也给数据处理带来极大方便。

测量果实膨大基本是原理是将果实膨大过程中产生的微小信号转化为可以准确识别的电信号。美国专利“20060123647A1PRECISION DENDROMETER”提供了一种测量直立树杆的尺寸的测树器，此测树器同样可以用来测量各种类型的植物及其茎杆、树叶和果实。此专利将测树器固定在被测对象上，当被测对象在生长过程中产生的变化将使测树器里的惠斯通电桥的阻值发生变化，而导致输出电压变化，将电压的变化值和生长过程中产生的位移对应起来，从而达到测量其生长变化的状况。

申请号为“20060123647A1”的美国专利申请“PRECISIONDENDROMETER”所公开的技术方案中，将生长产生的位移使得电阻阻值产生变化来达到测量目的，因此对电阻原器件的稳定性要求特别高，整个测树器质量相对较重，比较适用于粗大的树木测量，而对于较小的测量对象影响较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线果实膨大传感器及其控制方法，能够准确测量由LVDT输出的电信号，并将电信号转化为实际的果实膨大速度，以无线方式与上位机通信，降低了布线成本；同时还具有网络功能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无线果实膨大传感器，该传感器包括：

位移参数获取单元，包括：固定在待测果实直径两端的一对固定夹，与所述固定夹分别连接的一对传动杆，及与所述传动杆的连接、在所述传动杆发生位移时产生压差信号的线性可变差动变压器；

无线片上系统，所述无线片上系统包括：

微控制器，用于根据所述线性可变差动变压器产生的压差信号获取果实膨大信息，将所述果实膨大信息暂存在片上存储器内，在收到查询指令后将所述果实膨大信息发送到无线射频单元；

片上存储器，用于暂存微控制器获得的果实膨大信息；

无线射频单元，用于接收无线传感网络中上位机发送的各种指令并转发到微控制器，接收微控制器发送的果实膨大信息并通过无线传感网络将所述果实膨大信息转发到上位机。

优选地，其特征在于，该传感器还包括变送器，与所述线性可变差动变压器连接，用于将所述压差信号进行放大、滤波和调理后，通过接口转换电路将所述压差信号发送到微控制器。

优选地，该传感器还包括电源管理单元，用于管理为无线果实膨大传感器各部分供电的电源，在微控制器通过无线射频单元获取休眠指令后，所述电源管理单元控制电源使无线果实膨大传感器进入低功耗的休眠状态。

优选地，所述线性可变差动变压器内部的铁芯连接有弹簧，所述传动杆通过固定块与所述弹簧连接，所述传动杆滑动时带动固定块运动，使与铁芯相连的弹簧产生形变，带动铁芯运动。

优选地，该传感器还包括与无线片上系统连接的片外存储器，用于在所述片上存储器容量满时存储微控制器发送的数据。

本发明还提供了一种使用上述无线果实膨大传感器的控制方法，包括以下步骤：

上电后通过线性可变差动变压器获取由所述传动杆位移产生的压差信号；

微控制器根据所述压差信号获取果实膨大信息，将所述果实膨大信息暂存在片上存储器内；

无线片上系统初始化，通过无线射频单元进行网络检测，在检测到网络时向无线传感网络中的网关发送加入网络的请求；

网关接收请求后，允许无线果实膨大传感器加入网络并为其分配网络地址，返回加入成功信息；

无线果实膨大传感器通过无线射频单元监听来自上位机的各种指令，在接收到指令后转发到微控制器；

所述微控制器获取指令类型，在所述指令类型为查询指令时，将片上存储器内的果实膨大信息通过无线射频单元发送到上位机。

优选地，所述指令类型为休眠类型时，由电源管理单元控制电源使无线果实膨大传感器进入低功耗的休眠状态；

所述电源管理单元检测到低电压时向微控制器发出报警信号，由微控制器将所述报警信号通过无线射频单元发送到上位机。

优选地，所述指令类型为设置指令时并包含采集时间参数时，所述线性可变差动变压器按所述采集时间参数进行压差信号采集。

优选地，还包括对线性可变差动变压器获取的压差信号进行放大、滤波和调理，输出标准的4～20mA的电流信号的步骤。

优选地，所述无线射频单元还通过无线传感网络接收网络节点发送的果实膨大信息，并将所述果实膨大信息通过无线射频单元转发到上位机。

利用本发明提供的无线果实膨大传感器及其控制方法，具有以下有益效果：

1)能够准确测量由线性可变差动变压器LVDT输出的电信号，并将电信号进行运算转化为实际的果实膨大速度。

2)能够自动的加入存在的无线传感网络，并接收网关分配的网络标识信息，方便远端的上位机把现场监测对象和网络中的对象对应起来；

3)能够以无线的方式实时将果实膨大信息发送到远端的上位机，降低了布线成本；

4)具有网络路由功能，能够存储转发同一个网络中其它节点发送过来的信息；

5)能够灵活的控制传感器的工作状态，可以处于低功耗的休眠状态。

6)处于休眠状态的时候，既能通过发送指令来唤醒果实膨大传感器，也能设置一段时间后自动唤醒；

7)能够实时监测整个传感器的供电系统，在低电压时能够向上位机发出低电压报警信息。

附图说明

图1为本发明实施例无线果实膨大传感器的结构图；

图2为本发明实施例中线性可变差动变压器原理图；

图3为本发明实施例中线性可变差动变压器的初始状态图；

图4为本发明实施例中线性可变差动变压器的最大值状态图；

图5为发明实施例无线果实膨大传感器的控制方法流程图。

图中：1、位移参数获取单元；2、变送器；3、接口转换电路；4、无线片上系统；5、片外存储器；6、电源管理单元；11、线性可变差动变压器；12、第一次级线圈；13、第二次级线圈；14、铁芯；15、初级线圈；16、固定夹；17、传动杆；18、固定块；19、弹簧。

具体实施方式

本发明提出的无线果实膨大传感器及其控制方法，结合附图和实施例说明如下。

本发明提供的为具有网络功能、低功耗、无线智能果实膨大传感器。此无线果实膨大传感器采用了线性可变差动变压器(LVDT)可以进行位移测试的原理，当未进行果实膨大测量时候，LVDT处于最小量程处，当进行果实膨大测量的时候，随着果实的增长，传动杆带动固定块使得LVDT输出由位移量产生的压差信号，这样随着果实的细微增长，将会使得高精度的LVDT产生相应的位置变化，反映出果实直径的变化情况，完成对果实膨大速度的测量。此无线果实膨大传感器具有网络功能，能够自动加入当前存在的无线传感网络，并且能够存储转发网络中其它节点发送植物的果实膨大信息，并能以无线的方式接收上位机发来的控制指令进行休眠、唤醒等，从而降低整个无线传感器的功耗并延长电池使用时间。

实施例

如图1所示为本实施例中无线果实膨大传感器的结构图，该无线果实膨大传感器包括：

传感参数获取单元1、变送器2、接口转换电路3、集成的无线片上系统4(SoC)、片外存储器5和电源管理单元6。其中：

传感参数获取单元1，果实的膨大速率直接的反应是在果实直径的变化速率之上，但果实的变化非常细微，因此需要采用高精度的测量工具来将这种变化情况反映出来。本实施例的无线果实膨大速率传感器LVDT部分的结构图如图3所示、图4所示，包括：固定在待测果实直径两端的一对固定夹16，与固定夹16分别连接的一对传动杆17，及与传动杆17的连接、在传动杆17发生位移时产生压差信号的线性可变差动变压器LVDT。图3为线性可变差动变压器的初始状态图，左边的传动杆通过固定块连接在线性可变差动变压器11的一端，左边传动杆与固定块的连接方式为联杆方式，右边传动杆通过固定块连接在线性可变差动变压器LVDT的另一端，左边传动杆与右边传动杆在连接固定块之前与横杆连接，线性可变差动变压器LVDT固定在横杆下方，在果实膨大时，右边传动杆只绕转轴运动而不带动固定块。传动杆下的横杆对传动杆起支撑作用，能够使传动杆减少重力对其运动的影响。线性可变差动变压器11内的铁芯14连接有弹簧19，左边固定块与弹簧19连接，左边传动杆滑动时带动与其连接的固定块18，使得LVDT内部与铁芯14相连的弹簧19产生形变，弹簧带动铁芯14运动。如图3中所示的位置1，当未进行果实测试时，固定块18处于最小量程，表示目前位置为1；当进行果实膨大测量时，随着果实的增长，在传动杆17的带动下，左边滑动块18将使LVDT向内移动，输出位移量的变化。如图4所示：这样随着果实的细微增长，将会使高精度的LVDT产生相应的位置变化，反映出果实直径的变化情况，完成对果实生长速度的测量。

如图2所示的线性可变差动变压器原理图，线性可变差动变压器11由一个初级线圈15、第一次级线圈12、第二次级线圈13、铁芯14和外壳组成。当铁芯14由中间向两边移动时，两个次级线圈输出电压之差与铁芯14移动成线性关系。具体使用时，上电后，在线性可变差动变压器的外壳内将产生一个交变磁场，初始状态时外壳内的初级线圈15，第一次级线圈12和第二次级线圈13的互感量有一初始值，线圈组件内有可自由移动的铁芯14，当植物果实膨大导致铁芯14在线圈内移动，其改变了空间的磁场分布，从而改变了初次级线圈之间的互感量M，当初级线圈15供给一定频率的交变电压时，次级线圈就产生了感应电动势，随着铁芯的位置不同，次级产生的感应电动势也不同，这样，就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。

无线片上系统，所述无线片上系统包括：

微控制器，用于根据线性可变差动变压器产生的压差信号获取果实膨大信息，将果实膨大信息暂存在片上存储器内，在收到查询指令后将果实膨大信息发送到无线射频单元；

变送器2，从LVDT输出的压差电压信号为微弱的电压信号，通过变送器将微弱的电压信号进行放大、滤波、调理后，输出4-20mA的电流信号通过接口转换电路将压差信号发送到微控制器。

接口转换电路3，实现变送器2到无线片上系统4中的微控制器的数据传输。

无线片上系统4，包括：微控制器，用于根据接收压差信号获取果实膨大信息，将果实膨大信息暂存在片上存储器内，在收到查询指令后将暂存的果实膨大信息发送到无线射频单元；片上存储器，用于暂存微控制器获得的果实膨大信息；无线射频单元，用于接收无线传感网络中上位机发送的各种指令并转发到微控制器，接收微控制器发送的果实膨大信息并通过无线传感网络将果实膨大信息转发到上位机，实现无线传输。

片外存储器5，用于在片上存储器容量满时存储微控制器单元发送的数据；

电源管理单元6，用于管理为无线果实膨大传感器各部分供电的电源，在微控制器通过无线射频单元获取休眠指令后，电源管理单元6控制电源使无线果实膨大传感器进入低功耗的休眠状态。

位移参数获取单元的固定夹采用了防腐工艺，由轻质的材料制成，固定装置对测量对象的影响更小。

本发明所提供的上述无线果实膨大传感器的控制方法，使无线果实膨大传感器加入到由多个传感器组成的无线网状网络中，并且能够存储转发网络中的信息。无线果实膨大传感器可以接收远端的上位机发来的查询和控制指令，当收到查询指令时会以无线的方式发射果实膨大信息、传感器ID号、网络父节点号信息到上位机。当接收到休眠控制指令时，无线果实膨大传感器会进入低功耗的休眠状态，节省系统能量。

本实施例中无线果实膨大传感器的控制方法包括步骤：

s101，上电后通过线性可变差动变压器获取由传动杆位移产生的压差信号；

s102，由变送器2对所采集的压差信号进行放大、滤波和调理，输出标准的4～20mA的压差信号；

s103，通过接口转换电路3将处理后的压差信号发送到微控制器；

s104，微控制器根据采集的压差信号获取果实膨大信息，将果实膨大信息暂存在片上存储器内；

在执行上述采集数据并获取果实膨大信息的过程中，如图3所示，无线片上系统还并行执行以下步骤：

s201，扫描并请求加入无线传感网络，具体无线片上系统初始化，通过无线射频单元进行无线传感网络检测，在检测到无线传感网络时向无线传感网络中的网关发送加入网络的请求；

s202，网关接收请求后，允许无线果实膨大传感器加入网络并为其分配网络地址，返回加入成功信息到无线片上系统，无线果实膨大传感器成功加入网络后无线果实膨大传感器自身的ID对应了其在网络中唯一的网络ID，上位机是根据无线果实膨大传感器自身的ID号来获得其对应的网络ID号，再通过网络ID号查找路由表获取通信路径，无线片上系统将无线果实膨大传感器自己的相关信息发送给网关，其中发送给网关的相关信息包括无线果实膨大传感器自身的ID号、及其网络拓扑结构中父节点的网络地址ID号、自身的网络地址。当网络结构发生变化的时候网络ID号会发生变化，但传感器自身的ID是不变的，上位机是通过果实膨大传感器自身的ID号来对其进行监控的，若未加入成功，返回执行步骤s201；

s203，无线果实膨大传感器通过无线射频单元监听来自上位机的各种指令，在接收到指令后转发到微控制器；

s204，微控制器获取指令类型，判断是何种指令，若为查询指令，执行步骤s205，若为设置指令并包含采集时间参数时，执行步骤s207，若为休眠指令，执行步骤s209；

s205，微控制器查询片上存储器内是否已存储果实膨大信息；

s206，在已存储后，微控制器将片上存储器暂存的果实膨大信息、无线果实膨大传感器自身的ID号、网络ID号、其父节点的网络ID号按照一定的顺序封装到无线传感网络的数据帧结构中，再通过无线射频单元以无线的方式将这一数据帧发送到远端的上位机，上位机收到信息后就能确认其所收到的信息是源于网络中的哪一个果实膨大传感器，结束并进行下一轮通信；

s207，通过微控制器和电源管理电路来设置位移参数获取单元的进行压差信号采集的时间间隔，无线果实膨大传感器采集的时间间隔可以根据植株所处的环境和植株的生理周期而确定；

s208，当设置结束后，无线果实膨大传感器通过无线射频单元将设置的状态信息返回，告知远端的上位机是否设置成功，结束并进行下一轮通信；

s209，通过电源管理单元设置无线果实膨大传感器的休眠时长；

s210，在达到休眠时长时电源管理单元为各部分供电将其唤醒，结束并进行下一轮通信。

具体实施例，微控制器接收到休眠指令后首先分析是哪一种休眠指令，本实施例中休眠指令分为自动唤醒型休眠指令和上位机发送指令控制唤醒休眠指令，自动唤醒指令是通过上位机发送的休眠指令，通过电源管理单元设置无线果实膨大传感器的休眠时长，从无线果实膨大传感器收到休眠指令开始计时，当达到所休眠的时长后节点将自动苏醒过来；上位机发送指令控制唤醒休眠指令是指当无线果实膨大传感器收到休眠指令后就通过电源管理单元设置无线果实膨大传感器进入低功耗的休眠状态，直到再次收到来自上位机唤醒控制指令后才苏醒过来。两种方式结合能够很灵活的对传感器进行休眠控制，大大的减少了传感器的功耗。

本实施例中电源管理单元检测到低电压时向微控制器发出报警信号，由微控制器将所述报警信号通过无线射频单元向上位机发出报警信号。

无线射频单元还接收无线传感网络中网络节点发送的果实膨大信息，并将所述果实膨大信息通过无线传感网络转发到上位机。

本实施例中所说的无线传感器网络优选采样基于ZigBee技术的无线传感网络，由于本发明果实膨大产生的变化使得传动杆带动铁芯产生位移，铁芯的位移使得磁路改变从而使输出差动电压随之改变，整个设备简单且测量精度高；传感参数获取单元输出的信号进行了标准化处理，能够方便的和无线片上系统接口；集成了无线片上系统，使整个果实膨大传感器具有无线网络功能，能够将传感器获得的信息无线发送到远端的上位机；无线果实膨大传感器加入无线网络后能够有序存储转发网络中其它传感器发送过来的信息；无线果实膨大传感器能够接收远端上位机的控制指令进行休眠，降低系统整体的能耗；无线果实膨大传感器能够自我检测系统供电状况，在低电压时会向上位机发出报警信号。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种无线果实膨大传感器，其特征在于，该传感器包括：

位移参数获取单元，包括：固定在待测果实直径两端的一对固定夹，与所述固定夹分别连接的一对传动杆，及与所述传动杆的连接、在所述传动杆发生位移时产生压差信号的线性可变差动变压器；

无线片上系统，所述无线片上系统包括：

微控制器，用于根据所述线性可变差动变压器产生的压差信号获取果实膨大信息，将所述果实膨大信息暂存在片上存储器内，在收到查询指令后将所述果实膨大信息发送到无线射频单元；

片上存储器，用于暂存微控制器获得的果实膨大信息；

无线射频单元，用于接收无线传感网络中上位机发送的各种指令并转发到微控制器，接收微控制器发送的果实膨大信息并通过无线传感网络将所述果实膨大信息转发到上位机。

2.根据权利要求1所述的无线果实膨大传感器，其特征在于，该传感器还包括变送器，与所述线性可变差动变压器连接，用于将所述压差信号进行放大、滤波和调理后，通过接口转换电路将所述压差信号发送到微控制器。

3.根据权利要求1所述的无线果实膨大传感器，其特征在于，该传感器还包括电源管理单元，用于管理为无线果实膨大传感器各部分供电的电源，在微控制器通过无线射频单元获取休眠指令后，所述电源管理单元控制电源使无线果实膨大传感器进入低功耗的休眠状态。

4.根据权利要求1所述的无线果实膨大传感器，其特征在于，所述线性可变差动变压器内部的铁芯连接有弹簧，所述传动杆通过固定块与所述弹簧连接，所述传动杆滑动时带动固定块运动，使与铁芯相连的弹簧产生形变，带动铁芯运动。

5.根据权利要求1所述的无线果实膨大传感器，其特征在于，该传感器还包括与无线片上系统连接的片外存储器，用于在所述片上存储器容量满时存储微控制器发送的数据。

6.一种使用权利要求1所述无线果实膨大传感器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

上电后通过线性可变差动变压器获取由所述传动杆位移产生的压差信号；

微控制器根据所述压差信号获取果实膨大信息，将所述果实膨大信息暂存在片上存储器内；

无线片上系统初始化，通过无线射频单元进行网络检测，在检测到网络时向无线传感网络中的网关发送加入网络的请求；

网关接收请求后，允许无线果实膨大传感器加入网络并为其分配网络地址，返回加入成功信息；

无线果实膨大传感器通过无线射频单元监听来自上位机的各种指令，在接收到指令后转发到微控制器；

所述微控制器获取指令类型，在所述指令类型为查询指令时，将片上存储器内的果实膨大信息通过无线射频单元发送到上位机。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述指令类型为休眠类型时，由电源管理单元控制电源使无线果实膨大传感器进入低功耗的休眠状态；

所述电源管理单元检测到低电压时向微控制器发出报警信号，由微控制器将所述报警信号通过无线射频单元发送到上位机。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述指令类型为设置指令时并包含采集时间参数时，所述线性可变差动变压器按所述采集时间参数进行压差信号采集。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括对线性可变差动变压器获取的压差信号进行放大、滤波和调理，输出标准的4～20mA的电流信号的步骤。

10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述无线射频单元还通过无线传感网络接收网络节点发送的果实膨大信息，并将所述果实膨大信息通过无线射频单元转发到上位机。

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