CN101908262A - 一种用于无线多点地温监测的传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线多点地温监测的传感器，包括电能提供单元、密封体、隔热管、信号线、控制板、至少一个温度传感器节点单元，射频单元，电能提供单元固定在密封体上，密封体内部固定有控制板，密封体与隔热管紧密连接，隔热管与至少一个温度传感器节点单元通过螺纹紧密连接，温度传感器节点单元通过信号线与控制板相连接，本发明还提供了该传感器的控制方法，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；网关接收到请求后，允许无线多点地温监测的传感器加入网络并为其分配网络地址，返回加入成功信息；本发明能够准确测量不同深度土壤的温度而且利于对土壤温度的实时监测。

Description

一种用于无线多点地温监测的传感器及方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种无线多点地温传感器及控制方法。

背景技术

土壤温度不仅会影响作物播种和出苗早迟，而且会影响根的生殖、根生长速率及侧根生成速率，影响根对水分和矿物营养的吸收、运转和贮存，影响土壤微生物活动和有机物质的分解，是作物生存的一个重要环境因素，因此，需要对不同深度的土壤温度进行监测。目前，虽然地温传感器较多，但是多以单点为主，很难测量作物整个根系土壤的温度，对研究土壤温度对作物的生长带来极大的困难。另外，地温传感器多采用有线的方式，需要在田间布设大量的电缆，这就会大大增加工程成本，并且也不利于田间耕作。

专利“ZL 200420115834.9”提出一种便携式多点数字地温仪，解决了布设电缆和多点土壤温度测量的问题，但同时也有一定的缺陷，比如：专利中虽然采用多个传感器测温元件，但是，由于它本身采用一根导热性能比较好的不锈钢管，长时间埋在土中，最后，各点的温度相差很小，很难能够准确的测量不同深度土壤的温度；另外，虽然其解决了田间布线的问题，但是不利于对土壤温度的实时监测。

发明内容

本发明所解决的技术问题是改善测量不同深度土壤温度的准确性以及改善土壤温度的实时监测。其采用太阳能或电池供电，具有无线组网、实时唤醒和测量多点土壤温度等特点。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种用于无线多点地温监测的传感器，该传感器包括电能提供单元、密封体、隔热管、信号线、控制板、至少一个温度传感器节点单元，其特征在于：所述控制板包括无线射频单元，所述温度传感器节点单元含有铂金属，所述电能提供单元固定在密封体上，密封体内部固定有控制板，密封体与隔热管通过螺纹紧密连接，隔热管与所述至少一个温度传感器节点单元通过螺纹紧密连接，所述温度传感器节点单元通过信号线与控制板相连接，所述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控制器，接收控制器发送的信息并通过无线传感网络将该信息转发到上位机。

其中，所述控制板还包括微控制器、铁电存储器、实时时钟单元和节点控制单元，所述铁电存储器、实时时钟单元、节点控制单元、无线射频单元和与所述微控制器相连接，所述微控制器通过所述节点控制单元控制所述至少一个温度传感器节点单元，所述铁电存储器在所述微控制器的控制下对有关土壤信息进行存储，所述实时时钟单元用于产生准确的系统时间。

其中，所述电能提供单元为太阳能板和电池。

其中，还包括电源管理单元，所述电源管理单元与微控制器连接，所述电源管理单元通过所述微控制器实现该传感器内的电能管理。

其中，所述温度传感器节点单元由不锈钢环、铂电阻和导热胶组成。在所述不锈钢环上具有数个圆孔，所述数个圆孔内容纳有铂电阻，所述导热胶把铂电阻与不锈钢固定在一起。

其中，所述温度传感器节点单元为不锈钢的环状装置。

其中，所述温度传感器节点单元为不锈钢的锥形头状装置。

另一方面，本发明还提供了一种用于控制无线多点地温监测传感器的方法，其特征在于：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；网关接收到请求后，允许所述无线多点地温监测的传感器加入网络并为其分配网络地址，返回加入成功信息；所述无线多点地温监测的传感器通过无线射频单元监听来自上位机的各种指令信息。

其中，所述指令信息若为查询指令，微控制器查询铁电存储器中存储的土壤温度和时间信息，并封装成数据帧结构，发送给上位机；

若为设置采集时间指令，无线多点地温传感器接受上位机设置的采样时间间隔，并返回修改成功信息；

若为设置休眠时间指令，无线多点地温传感器接受上位机设置的休眠时间间隔，并返回修改成功信息。

本发明所取得的有益效果为：能够准确的测量土壤不同深度的温度信息；采用太阳能或电池供电，并采用无线的通信方式，避免了在田间进行布线；具有存储容量大和实时时钟功能，并且掉电数据也不会丢失；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，有利于上位机对网络中的无线多点地温传感器进行定位；具有自组网功能，能够存储转发同一个网络中其它节点发送来的信息。能够通过上位机发送的指令信息，灵活的控制无线多点地温传感器的工作状态。

附图说明

图1为本发明实施例的用于无线多点地温监测的传感器示意图；

图2为该实施例中的控制板的工作原理框图；

图3为该实施例中的隔热管的结构简图；

图4为温度传感器节点的局部剖面图；

图5为本发明实施例的用于无线多点地温监测的传感器的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供的为一种具有太阳能供电、无线组网和多点土壤温度测量的地温传感器。此无线多点地温监测的传感器采用了铂电阻阻值随温度变化测试的原理进行土壤温度测量的。此无线多点地温监测的传感器采用太阳能电池板或电池供电，避免了铺设线缆；同时，其具有无线组网功能，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的土壤湿度和时间信息，并能以无线的方式接收上位机发来的控制指令进行采集时间间隔和休眠时间间隔的设置。

实施例

如图1所示为本实施例中无线多点地温监测的传感器的示意图。无线多点地温监测的传感器是有太阳能板1、密封体2、控制板3、电池盒4、太阳能蓄电池5、温度传感器节点6、7、8、9、隔热管10、11、12、13和信号线14组成；太阳能板1与水平面夹角为15度，固定在密封体2上，并与太阳能蓄电池5相连接，为整个传感器提供电能。密封体2内部固定有控制板3、电池盒4和太阳能蓄电池5；密封体2与隔热管10通过螺纹紧密连接；隔热管10、11、12、13分别与温度传感器节点6、7、8、9通过螺纹紧密连接；各个温度传感器节点通过信号线14与控制板进行连接。

如图2所示为一种无线多点地温监测的传感器控制板的工作原理框图。控制板的工作原理框图是由微控制器、铁电存储器、实时时钟、无线射频单元、节点控制单元、电源管理单元和多个温度传感器节点接口组成。微控制器是整个控制板的核心，用于将温度传感器节点铂电阻阻值的变化转变成土壤的温度信息，并将温度信息存储在微控制器的外部存储器中，同时，它还要负责协调各部分功能电路的正常工作；具有非易失功能的铁电存储器在微控制器的控制下对土壤的温度信息和时间信息进行存储；实时时钟，用于产生准确的系统时间；微控制器通过节点控制单元协调各个温度传感器节点的工作，以便于降低整个传感器的功耗；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土壤温度信息和时间信息并通过无线传感网络将土壤的温度和时间信息转发到上位机。

电源管理单元，用于给整个传感器提供电能，在太阳能蓄电池电量充足的情况下，微控制器会切断干电池供电电路，当由于遇到连阴天，微控制器监测到太阳能蓄电池的电量不足，这时，微控制器就会把太阳能蓄电池电路切断，连通干电池供电电路，这样就避免太阳能蓄电池由于过度放电而影响其使用年限；当天气放晴，太阳能蓄电池电量达到使用要求，微控制器又会把供电电路切换到太阳能蓄电池供电电路。

如图3所示为隔热管的结构简图；隔热管采用具有良好绝热性能的PVC管加工而成，其两端加工成长度为0.45cm的外螺纹，用于与加工成内螺纹的温度传感器节点紧密连接。

如图4所示为温度传感器节点的局部剖面图；它包括不锈钢环、铂电阻(pt100)和导热胶组成。不锈钢环上均匀的加工了4个圆孔，把铂电阻(pt100)放入到其中一个圆孔中，利用导热胶把铂电阻(pt100)牢牢的与不锈钢固定在一起。当无线多点地温监测的传感器埋入土壤后，土壤温度会通过不锈钢传递到铂电阻(pt100)，土壤温度的变化会引起铂电阻阻值的变化。

本发明所提供的一种无线多点地温监测的传感器的控制方法，使无线多点地温监测的传感器加入到由多个此种类型的传感器组成的无线网络中，并且能够存储转发网络中的信息。一种无线多点地温监测的传感器可以接收上位机发送的查询和控制指令，当收到查询指令时会以无线的方式发射土壤的温度时间信息、传感器ID号、网络父节点号信息到上位机。

本发明还提供了一种使用上述无线多点地温传感器的控制方法，包括以下步骤：

上电后，通过各个温度传感器节点，把土壤温度信息转换成铂电阻的阻值变换；

微控制器通过计算铂电阻的阻值变化，把阻值变化转变成土壤的温度信息，连同时间信息一同存储到铁电存储器中；

无线射频单元初始化，然后进行网络检测，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；网关接收到请求后，允许无线多点地温传感器加入网络并为其分配网络地址，返回加入成功信息；

无线多点地温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，将无线多点地温传感器采集到的温度信息和时间信息通过无线射频单元发送到上位机；在所述指令类型为设置指令时，微控制器会根据上位机发送的指令修改相应的信息；

优选地，在所述指令类型为设置采集时间间隔指令时，微控制器会按照采集时间间隔控制温度传感器节点对土壤温度进行采集；

优选地，在所述指令类型为设置微控制器休眠时间指令时，微控制器会按照设定的休眠时间长度进行休眠；

优选地，无线射频单元会通过无线传感网络接收网络节点发送的土壤温度信息和时间信息，并通过无线射频单元把土壤温度信息和时间信息发送到上位机。

如图5所示为无线多点地温监测的传感器的控制方法流程图，执行以下步骤：

S1，扫描并请求加入无线传感网络，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；

S2，网关接收到请求后，允许无线多点地温监测的传感器加入网络并为其分配网络地址，微控制器收到加入成功信息后，无线多点地温监测的传感器自身的ID对应了其在网络中唯一的网络ID，上位机根据无线多点地温监测的传感器自身的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，无线多点传感器会把自己的相关信息发送给网关，发送的信息包括无线多点地温监测的传感器自身的ID号、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时，网络ID号也会变化，但无线多点地温监测的传感器的自身ID号是不变的。上位机是对无线多点地温监测的传感器自身的ID号进行监控的，若没有加入成功，则返回S1；

S3，无线多点地温监测的传感器通过无线射频单元监听来自上位机的各种指令；

S4，微控制器获取并判断指令类型，若为查询指令，执行S5；若为设置采集时间指令，执行S7；若为设置休眠时间指令，则执行S9；

S5，微控制器查询铁电存储器中存储的土壤温度和时间信息；

S6，微控制器会对土壤温度和时间信息、无线多点地温监测的传感器自身的ID号、网络ID号、其父节点的网络ID号等按照一定的顺序封装成数据帧结构，再通过无线的方式发送到上位机，上位机对数据帧进行解码后，就能知道来自网络中的哪一个无线多点地温监测的传感器和对应的土壤温度和时间信息，结束进入下一次通信；

S7，工作人员可以在上位机设置温度采样时间间隔，通过无线射频单元把命令发送给微控制器；温度采样时间间隔可以根据研究的需要设置成任何时间；

S8，微控制器成功设置温度采样时间间隔后，通过无线射频单元把设置成功信号返回给上位机，进入下一次循环；

S9，可以通过微控制器设置无线射频单元的休眠时间间隔；

S10，休眠时间间隔时间到，无线射频单元就会被唤醒，进入下一次循环；

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明涉及精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于无线多点地温监测的传感器，该传感器包括电能提供单元、密封体、隔热管、信号线、控制板、至少一个温度传感器节点单元，其特征在于：

所述控制板包括无线射频单元，所述温度传感器节点单元含有铂金属，所述电能提供单元固定在密封体上，所述密封体内部固定有所述控制板，所述密封体与所述隔热管通过螺纹紧密连接，所述隔热管与所述至少一个温度传感器节点单元通过螺纹紧密连接，所述温度传感器节点单元通过信号线与所述控制板相连接，所述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所述控制器，接收所述控制器发送的信息并通过无线传感网络将该信息转发到上位机。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述控制板还包括微控制器、铁电存储器、实时时钟单元和节点控制单元，所述铁电存储器、实时时钟单元、节点控制单元、无线射频单元与所述微控制器相连接，所述微控制器通过所述节点控制单元控制所述至少一个温度传感器节点单元，所述铁电存储器在所述微控制器的控制下对有关土壤信息进行存储，所述实时时钟单元用于产生准确的系统时间。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电能提供单元为太阳能板和电池。

4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，还包括电源管理单元，所述电源管理单元与所述微控制器连接，所述电源管理单元通过所述微控制器实现该传感器内的电能管理。

5.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述温度传感器节点单元由不锈钢环、铂电阻和导热胶组成。在所述不锈钢环上具有数个圆孔，所述数个圆孔内容纳有铂电阻，所述导热胶把铂电阻与不锈钢固定在一起。

6.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述温度传感器节点单元为不锈钢的环状装置。

7.如权利要求3任一所述的传感器，其特征在于，所述温度传感器节点单元为不锈钢的锥形头状装置。

8.一种利用如权利要求1-7之任一所述的无线多点地温监测的传感器进行地温监测的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

供电后，通过所述传感器的至少一个温度传感器节点单元，把土壤温度信息转换成铂电阻的阻值；

所述传感器的控制器通过计算铂电阻的阻值变化，把阻值变化转变成土壤的温度信息，连同时间信息进行存储；

所述传感器的无线射频单元初始化，然后进行网络检测，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；网关接收到请求后，允许所述传感器加入网络并为其分配网络地址，返回加入成功信息；

所述传感器通过所述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所述控制器；

所述控制器获取指令类型，控制所述传感器执行相应的操作。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在所述指令类型为查询指令时，将所述传感器采集到的温度信息和时间信息通过所述无线射频单元发送到上位机；在所述指令类型为设置指令时，所述控制器会根据上位机发送的指令修改相应的信息；在所述指令类型为设置采集时间间隔指令时，微控制器会按照采集时间间隔控制温度传感器节点对土壤温度进行采集；在所述指令类型为设置微控制器休眠时间指令时，微控制器会按照设定的休眠时间长度进行休眠。

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