CN107131914A - 一种低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数据采集技术领域，尤其是一种低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，包括处理器、传感器模块、无线通信模块、电源模块和时钟模块；所述的传感器模块包括温湿度传感器和传感器接口组件；所述的无线模块包括GPRS无线模块和SI4432无线模块；所述的电源模块包括太阳能电池板、供电锂电池、放电锂电池、升降压电路、电池保护电路和电源切换电路。本发明设计了采用太阳能和双锂电池作为电源模块，实现了节点的自供电和延长了节点的使用寿命；并通过采用从节点周期性唤醒的主从式无线通信，及采用低功耗器件，降低了节点的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，尤其是一种低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统。
背景技术
我国农业用水的效率非常低。我国农田灌溉面积为5×107公顷，占全国耕地面积的95％，居世界首位。灌溉用水量占全国总用水量的61.4％，约占全世界总用水量的17％。我国95％的灌溉土地都使用传统的沟灌和漫灌，水的利用效率仅为30～40％(不到发达国家的一半)，浪费严重。如果我国农业用水率能达到发达国家相近的水平的话，那么，每年可节约的用水量约为1600亿立方米。而根据土壤的温湿度情况对农田进行精准的灌溉，可以提高我国水资源的利用率，所以，采集土壤温湿度具有重要的意义。
由于农业用地地区偏远，地域广阔，且土壤温湿度采集节点较为分散，很难集中给这些节点供电，所以，需要采用环境能量，如太阳能、风能等，对这些节点供电。而由于风能和太阳能等环境能量的不稳定性和间歇性，为了保证节点的正常工作，不得不使用电池进行储能。虽然利用环境能量和电池结合的方式能解决节点自供电的问题，但是，对电池频繁充放电会降低电池寿命，从而增大了电池的更换频率，而采集节点数量多，不适合经常性更换电池，因此，需要延长采集节点的电池使用时间，从而延长节点的使用寿命。
发明内容
一种低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，解决上述问题。
一种低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，包括处理器、传感器模块、无线通信模块、电源模块和时钟模块；所述的传感器模块包括温湿度传感器和传感器接口组件；所述的无线模块包括GPRS无线模块和SI4432无线模块，采用从节点周期性唤醒的主从式无线通信，及采用低功耗器件，降低了节点的功耗；所述的电源模块包括太阳能电池板、供电锂电池、放电锂电池、升降压电路、电池保护电路和电源切换电路，采用太阳能和双锂电池作为供电模块，实现了节点的自供电和延长了节点的使用寿命。
所述的处理器采用低能耗的STM32L151C8芯片。
所述的GPRS无线模块采用SIM900A芯片，与处理器相连，实现主节点与云服务器之间的无线通信；主节点每个小时定时把从节点传输过来的土壤温湿度数据上传到云服务器，主节点没有传感器模块，从节点没有GPRS无线模块。
所述的SI4432无线模块采用SI4432芯片，与处理器相连，实现主节点和从节点之间的无线通信；主节点采用广播方式对从节点发送广播，从节点每个小时周期性唤醒后接收广播，与主节点建立连接并发送数据，发送成功之后从节点进入休眠，等待下次唤醒；从节点的唤醒时间存在一定的时间差，以保证每个时间段只有一个从节点处于工作状态，从而避免从节点因为等待通信而损耗能量；从节点采集温湿度数据和与主节点通信完之后就进入休眠，单周期(1小时)内的工作时间大概在10-30秒之间，可以取40s作为每个从节点之间唤醒的时间差，也就是每40秒唤醒一个从节点；如果每个主节点有n个从节点，那么，主节点在单周期内的工作时间为40*n秒，休眠时间约为3600-40*n秒；所述的主节点和从节点，每周需要进行一次时钟校对，以保证每个节点的时钟是统一的；通过采用这种从节点周期性唤醒的主从式无线通信，降低了节点的功耗。
所述的电源模块的电源切换电路主要由多个N沟道功率MOSFET开关管组成的开关电路来完成电源的切换，当太阳能充足时，切换太阳能电池板为供电模块，通过降压电路给系统供电，如果充电锂电池还未充满电，则同时对充电锂电池进行充电；当太阳能不足时，切换供电锂电池为供电模块，给系统供电；当供电锂电池的SOC低于10％时，在该节点的通信结束后，切换充电锂电池作为供电锂电池，切换供电锂电池作为充电锂电池；所述的供电锂电池和充电锂电池都采用规格相同的5000mA的磷酸铁锂电池；通过所述的电源模块，延长了电池的使用时间，从而延长了节点的使用寿命。
所述的电池保护电路采用两个德州仪器的BQ29700锂电池保护芯片，分别对两个锂电池进行保护，而这些保护包括：过充保护、过放保护、过电流保护、短路保护。
附图说明
图1为土壤温湿度采集节点的组成结构框图；
图2为云服务器和节点间的数据传输方式；
图3为基于双锂电池的电源模块组成结构框图；
图4为电源切换电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
一种低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，如图1所示，包括处理器、传感器模块、无线通信模块、电源模块和时钟模块；所述的传感器模块包括温湿度传感器和传感器接口组件；所述的无线模块包括GPRS无线模块和SI4432无线模块，采用从节点周期性唤醒的主从式无线通信，及采用低功耗器件，降低了节点的功耗；如图3所示，所述的电源模块包括太阳能电池板、供电锂电池、放电锂电池、升降压电路、电池保护电路和电源切换电路，采用太阳能和双锂电池作为供电模块，实现了节点的自供电和延长了节点的使用寿命。
进一步的，所述的处理器采用低能耗的STM32L151C8芯片。
进一步的，所述的GPRS无线模块采用SIM900A芯片，与处理器相连，实现主节点与云服务器之间的无线通信，如图2所示；主节点每个小时定时把从节点传输过来的土壤温湿度数据上传到云服务器，主节点没有传感器模块，从节点没有GPRS无线模块。
进一步的，所述的SI4432无线模块采用SI4432芯片，与处理器相连，实现主节点和从节点之间的无线通信，如图2所示；主节点采用广播方式对从节点发送广播，从节点每个小时周期性唤醒后接收广播，与主节点建立连接并发送数据，发送成功之后从节点进入休眠，等待下次唤醒；从节点的唤醒时间存在一定的时间差，以保证每个时间段只有一个从节点处于工作状态，从而避免从节点因为等待通信而损耗能量；从节点采集温湿度数据和与主节点通信完之后就进入休眠，单周期(1小时)内的工作时间大概在10-30秒之间，可以取40s作为每个从节点之间唤醒的时间差，也就是每40秒唤醒一个从节点；如果每个主节点有n个从节点，那么，主节点在单周期内的工作时间为40*n秒，休眠时间约为3600-40*n秒；所述的主节点和从节点，每周需要进行一次时钟校对，以保证每个节点的时钟是统一的；通过采用这种从节点周期性唤醒的主从式无线通信，降低了节点的功耗。
进一步的，所述的电源模块的电源切换电路主要由多个N沟道功率MOSFET开关管组成的开关电路来完成电源的切换，如图4所示，假设此时图中的锂电池1为充电锂电池，锂电池2为放电锂电池，所以，S2和S3一直断开。当太阳能充足时，切换太阳能电池板为供电模块，即S5闭合S4断开，通过降压电路给系统供电，如果充电锂电池(锂电池1)还未充满电，则同时对充电锂电池进行充电，即S1闭合；当太阳能不足时，切换供电锂电池为供电模块，即S4闭合S5断开，给系统供电；当供电锂电池的SOC低于10％时，在该节点的通信结束后，切换充电锂电池作为供电锂电池，切换供电锂电池作为充电锂电池，即锂电池1变为放电锂电池，锂电池2变为充电锂电池，S1和S4一直断开，S2和S3的闭合和断开的情况与前面的分析相似；所述的供电锂电池和充电锂电池都采用规格相同的5000mA的磷酸铁锂电池；通过所述的电源模块，延长了电池的使用时间，从而延长了节点的使用寿命。
进一步的，所述的电池保护电路采用两个德州仪器的BQ29700锂电池保护芯片，分别对两个锂电池进行保护，而这些保护包括：过充保护、过放保护、过电流保护、短路保护。
Claims (6)
1.一种低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，其特征是：包括处理器、传感器模块、无线通信模块、电源模块和时钟模块；所述的传感器模块包括温湿度传感器和传感器接口组件；所述的无线模块包括GPRS无线模块和SI4432无线模块，采用从节点周期性唤醒的主从式无线通信，及采用低功耗器件，降低了节点的功耗；所述的电源模块包括太阳能电池板、供电锂电池、放电锂电池、升降压电路、电池保护电路和电源切换电路，采用太阳能和双锂电池作为供电模块，实现了节点的自供电和延长了节点的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，其特征是：所述的处理器采用低能耗的STM32L151C8芯片。。
3.根据权利要求1所述的低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，其特征是：所述的GPRS无线模块采用SIM900A芯片，与处理器相连，实现主节点与云服务器之间的无线通信；主节点每个小时定时把从节点传输过来的土壤温湿度数据上传到云服务器，主节点没有传感器模块，从节点没有GPRS无线模块。
4.根据权利要求1所述的低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，其特征是：所述的SI4432无线模块采用SI4432芯片，与处理器相连，实现主节点和从节点之间的无线通信；主节点采用广播方式对从节点发送广播，从节点每个小时周期性唤醒后接收广播，与主节点建立连接并发送数据，发送成功之后从节点进入休眠，等待下次唤醒；从节点的唤醒时间存在一定的时间差，以保证每个时间段只有一个从节点处于工作状态，从而避免从节点因为等待通信而损耗能量；从节点采集温湿度数据和与主节点通信完之后就进入休眠，单周期(1小时)内的工作时间大概在10-30秒之间，可以取40s作为每个从节点之间唤醒的时间差，也就是每40秒唤醒一个从节点；如果每个主节点有n个从节点，那么，主节点在单周期内的工作时间为40*n秒，休眠时间约为3600-40*n秒；所述的主节点和从节点，每周需要进行一次时钟校对，以保证每个节点的时钟是统一的；通过采用这种从节点周期性唤醒的主从式无线通信，降低了节点的功耗。
5.根据权利要求1所述的低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，其特征是：所述的电源模块的电源切换电路主要由多个N沟道功率MOSFET开关管组成的开关电路来完成电源的切换，当太阳能充足时，切换太阳能电池板为供电模块，通过降压电路给系统供电，如果充电锂电池还未充满电，则同时对充电锂电池进行充电；当太阳能不足时，切换供电锂电池为供电模块，给系统供电；当供电锂电池的SOC低于10％时，在该节点的通信结束后，切换充电锂电池作为供电锂电池，切换供电锂电池作为充电锂电池；所述的供电锂电池和充电锂电池都采用规格相同的5000mA的磷酸铁锂电池；通过所述的电源模块，延长了电池的使用时间，从而延长了节点的使用寿命。
6.根据权利要求1所述的低功耗长寿命的土壤温湿度数据采集系统，其特征是：所述的电池保护电路采用两个德州仪器的BQ29700锂电池保护芯片，分别对两个锂电池进行保护，而这些保护包括：过充保护、过放保护、过电流保护、短路保护。
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