CN107347600A - 一种载频自适应无线灌溉控制方法及灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了种载频自适应无线灌溉控制方法及灌溉系统，设置一控制终端，与多个节点通过无线通讯；节点接收终端命令，执行命令操作，并反馈信息至终端；终端可根据通讯链路是否稳定来自动调整与节点通讯的载频，以达到功耗最优的效果；且本发明考虑到当前无线灌溉系统中多采用固定载频通讯方式，抗干扰不强，特别当外部应用环境改变，影响射频信号衰减的因素发生变化时，系统载频在原有功率水平上不能满足通讯稳定条件，本发明通过改变通讯载频的方式，寻找当前环境下最佳载频，进而降低功耗。

Description

一种载频自适应无线灌溉控制方法及灌溉系统

技术领域

本发明涉及无线灌溉控制技术领域，具体地，涉及一种载频自适应无线灌溉控制方法及灌溉系统。

背景技术

农业节水灌溉是农业重点研究课题，传统有线布线方式极其繁琐，现多采用无线方式控制灌溉。

目前，采用无线灌溉的方式有zigbee通信，其通讯距离受限，要传输较长距离时，需通过路径多跳完成，系统整体消耗功耗较大，在大田灌溉应用中缺点较为明显。其余多采用433M载频方式通讯，这种方式通讯距离较远，但由于载频单一，干扰大，且当环境改变导致射频信号衰减因素发生变化时，为维持系统通讯正常需增大发射接收功率，增加系统功耗。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种载频自适应无线灌溉控制方法及灌溉系统，根据不同应用环境下射频信号衰减不同，在原有功率水平上不变的基础上，寻找当前环境下最佳通讯载频，克服了现有无线灌溉系统载频不能调整的缺点，降低了系统功耗，提高了自适应能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种载频自适应无线灌溉控制方法及灌溉系统，主要包括：控制终端与节点进行无线通讯，最终控制电磁阀的开启与关闭，具体包括如下步骤：

步骤1：控制终端将节点状态表以固定载频向节点发送无线射频控制信号；

步骤2：节点接收信号后，判断是否为本机指令；

步骤3：如果节点判断是本机指令，节点更新状态表，电磁阀执行相应操作，同时将阀门的实际状态反馈到节点状态表中，完成更新，发送至控制终端；

步骤4：控制终端接收执行步骤3后的节点状态表，并更新该节点状态表；

步骤5：将步骤3和步骤4中的节点状态表中的RSSI值与维持稳定通信时的RSSI阈值进行比较；

步骤6：若步骤3或步骤4中节点状态表中的RSSI值低于稳定通信时的RSSI阈值，更新节点状态表，并以上一次的固定载频发送具有节点状态表的射频信号，等待节点确认信息；

步骤7：节点判断为本机指令后，根据接收到的节点状态表更新节点状态表，调整载频后，发送数据至控制终端；

步骤8：控制终端判断是否接收到节点发送的新的状态表，如果超过一定时间仍未接收到节点反馈，退回上一次通讯成功时的载频；若节点在一定时间内未收到控制终端发送的更新完成位，退回上一次通讯成功时的载频；控制终端与节点通讯成功后，选择另一载频，再次发送，直至更新载频成功，或遍历载频列表完毕。

进一步地，所述节点状态表包括：

节点标识号位，控制终端与节点组成的局域网内唯一标号，用于识别节点；

RSSI1值位，节点读取的控制终端发送的射频信号强度值位；

RSSI2值位，控制终端读取的节点发送的射频信号强度值位；

载频位，控制终端与节点通讯的下一次载波频率位；

载频更新完成位，用于标识控制终端与节点完成一次载频更新；

控制阀门标识位，控制阀门的状态；

和节点读取阀门状态位，标识阀门的实际状态。

进一步地，所述步骤3，具体为，如果节点判断是本机指令，节点读取RSSI 1值，更新到节点状态表相应位；根据节点状态表的控制阀门标识位控制电磁阀的动作；将电磁阀的实际状态更新至节点状态表的节点读取阀门状态位；最终将更新后节点状态表发送至控制终端；

如果节点判断不是本机指令，则该节点继续按照定时周期休眠。

进一步地，所述步骤4具体为，控制终端接收更新后的节点状态表，将RSSI2值更新到该节点状态表相应位。

进一步地，所述步骤5具体为，控制终端将该节点的RSSI1值和RSSI2值与维持稳定通信的RSSI阈值进行比较；

所述步骤6具体为，若任一RSSI值低于阈值，则控制终端改变节点状态表中的载频位信息和载频更新完成位，调整控制终端无线单元中的射频开关，以前一载频发送射频信号，等待节点确认信息；

若任一RSSI值不低于阈值，则结束通讯。

进一步地，步骤8中，如果控制终端接收到了节点发送的新的状态表，则控制终端置位节点状态表中的载频更新完成位，再发送至节点，节点判断完成位后，一次更新载频完成。

进一步地，载频的范围为315MHZ、433.92MHZ和780MHZ。

载频自适应无线灌溉系统，包括控制终端、无线网络、多个节点和与节点相对应的多个电磁阀；多个节点分别通过无线网络与控制终端无线通讯，且在多个可选频段下通讯；

所述控制终端，包括电源、控制终端的无线单元、第一存储器和第一单片机，所述电源、控制终端的无线单元、第一存储器均与第一单片机连接，用于发送命令和接收节点反馈信息；所述第一存储器用于存储多个节点的节点状态表；

每个节点结构相同，均包括电池单元、节点的无线单元、第二存储器、第二单片机和阀控单元，所述电源、控制终端的无线单元、第二存储器均与第二单片机连接，用于接收命令和执行灌溉命令；所述阀控单元一端与第二单片机输出端连接，阀控单元的另一端与电磁阀连接，用于控制电磁阀阀头；所述第二存储器用于存储本节点的节点状态表。

进一步地，所述控制终端的无线单元与节点的无线单元结构相同，均包括多个对应不同载频的发射接收前端、第一射频开关、第二射频开关、宽频带天线和无线芯片；

所述无线芯片获取RSSI值，射频开关用于调整载频；

所述宽频带天线通过第一射频开关选择不同载频的发射接收前端，再经第二射频开关连接到无线芯片。

进一步地，射频开关为UPG2214，所述无线芯片为SI4464，所述第一单片机为STM32；所述第二单片机为MPS430；所述第一存储器为W25Q64；所述第二存储器为AT24CS16；所述阀控单元包括L293D，用于控制一个或多个电磁阀；所述电池单元包括双节锂离子电池以及电源转换电路，锂电池为控制终端供电，电源转换电路将电池电压转为3.3V；所述电磁阀为脉冲电磁阀。

本发明各实施例的一种载频自适应无线灌溉控制方法及灌溉系统，设置一控制终端，与多个节点通过无线通讯；节点接收终端命令，执行命令操作，并反馈信息至终端；终端可根据通讯链路是否稳定来自动调整与节点通讯的载频，以达到功耗最优的效果；且本发明考虑到当前无线灌溉系统中多采用固定载频通讯方式，抗干扰不强，特别当外部应用环境改变，影响射频信号衰减的因素发生变化时，系统载频在原有功率水平上不能满足通讯稳定条件，本发明通过改变通讯载频的方式，寻找当前环境下最佳载频，进而降低功耗。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明载频自适应无线灌溉控制方法实施例所述的控制方法流程图；

图2为本发明载频自适应无线灌溉系统实施例所述的系统结构图；

图3为本发明实施例所述的无线单元结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1，控制方法包括以下步骤：

(1).控制终端根据节点状态表以固定载频发送无线射频控制信号；

(2).节点通过无线单元接收信号后，判断是否为本机指令，若是执行(3)，若不是，执行(10)；

(3).节点分析接收信号中节点状态表，同时获取接收控制终端射频信号的RSSI 1值，并更新到节点状态表对应位置中；根据状态表中终端控制阀门标识位控制阀门，并将获取阀门实际状态更新至状态表中的节点读取阀门状态位，最后，发送状态表至控制终端；

(4).控制终端收到反馈信息后，将接收节点射频信号的RSSI2值更新到节点状态表对应位置中；

(5).控制终端通过该节点的状态表中的RSSI 1和RSSI2与维持稳定通讯的RSSI阈值比较，来判断通讯链路质量，若任一RSSI值低于阈值，执行(6)；否则，结束。

(6).终端改变节点状态表中的载频信息和载频更新完成位，并以前一载频发送射频信号，再调整无线单元中的射频开关，等待节点确认信息。

(7).节点判断为本机指令后，将根据收到的节点状态表，更新本机状态，并通过射频开关调整载频后，发送数据；

(8).若控制终端接收到节点新的状态表，置位状态表中的载频更新完成位，再发送至节点，节点判断完成位后，表示一次更新载频完成。否则，执行步骤(9)。

(9).控制终端超过一定时间未接收到节点任何反馈，退回上一次通讯成功时载频；节点在一定时间内未收到控制终端发送过来的更新完成位，也退回上一次通讯成功时载频；控制终端在与节点握手成功后，再选则另一载频，再次发送，直至更新载频成功或遍历载频列表完毕。

(10).节点继续按定时周期休眠。

节点状态表包括节点标识号、RSSI1值、RSSI2值、载频、载频更新完成位；控制阀门标识位、节点读取阀门状态位。所述节点标识号为控制终端与节点组成的局域网内唯一标号，用于识别节点；所述RSSI1值为节点读取无线芯片获取的控制终端发送过来的射频信号强度；所述RSSI2值为控制终端读取无线芯片获取的节点发送过来的射频信号强度；所述载频为控制终端与节点通讯的下一次载波频率，仅控制终端可修改，范围为315MHZ、433.92MHZ和780MHZ；所述载频更新完成位为控制终端与节点完成一次载频更新标识，仅控制终端可修改，约定0为修正中，1为修改完成所述控制阀门标识位为控制终端控制阀门指令；所述阀门状态位为节点读取阀门反馈信息后，实际阀门的状态。

节点标识号为控制终端与节点组成的局域网内唯一标号，用于识别节点；所述RSSI1值为节点读取无线芯片获取的控制终端发送过来的射频信号强度；所述RSSI2值为控制终端读取无线芯片获取的节点发送过来的射频信号强度；所述载频为控制终端与节点通讯的下一次载波频率，范围315MHZ、433.92MHZ和780MHZ；所述载频更新完成位为控制终端与节点完成一次载频更新标识；所述阀门状态位为节点读取阀门反馈信息后，实际阀门的状态。

结合图2，统包括：控制终端和节点。控制终端，包括电源、无线单元、存储器和单片机一；节点，包括电池单元、无线单元、存储器、单片机二和电磁阀控制单元；控制终端中所述单片机一与电源、无线单元和存储器连接。节点中阀控单元，用于控制脉冲阀门阀头，一端与单片机二相连，一端与脉冲阀门相接；单片机二与电池、无线单元和存储器和电磁阀控制单元相连。

控制终端和节点；所述控制终端，包括电源、无线单元、存储器和单片机一，用于发送命令和接收节点反馈信息；所述节点，包括电池单元、无线单元、存储器、单片机二和阀控制单元，用于接收命令和执行灌溉命令；

所述阀控单元，用于控制脉冲式电磁阀阀头，一端与单片机二相连，一端与脉冲式电磁阀相接。

前述控制终端与节点中的无线单元均包括：发射接收前端、射频开关、宽频带天线和无线芯片；所述宽频带天线通过射频开关选择发射接收前端，再由射频开关选择与无线芯片相连。

所述控制终端和节点通过无线方式通讯，工作在多个可选频段下

前述控制终端中单片机一选用STM32，电源为美信公司的MAX1627，为控制终端供电；存储器为W25Q64，用于存储多个节点的状态表等信息；前述节点中单片机二选用MPS430，电池单元为双节锂离子电池以及电源转换电路，锂电池为控制终端供电，电源转换电路将电池电压转为3.3V；存储器为AT24CS16，用于存储本节点的状态表等，阀控制单元选用L293D，用于控制一个或多个电磁阀。

前述单片机一读取出存储器中节点状态表后，再通过无线单元发送；单片机二通过无线单元接收并分析指令执行相应操作，若需调整载频，则更新存储器中的状态表；若需控制阀门，则通过阀控单元控制阀门。

结合图3，无线单元的硬件结构图。它由发射接收前端、射频开关、宽频带天线和无线芯片组成；发射接收前端由多个匹配电路阵列组成，每个匹配电路是由电感L和电容C组成的阻抗匹配电路，使得从无线芯片到宽频带天线之间路径损耗的最低；射频开关是由多个UPG2214组成，射频开关一是选择宽频天线与前端中哪一匹配电路相连，射频开关二是选择无线芯片与前端中哪一匹配电路相连；无线芯片选用SI4464，可提供多个频段下的载波，如系统选用的315MHZ、433.92MHZ和780MHZ；宽频带天线是在本系统多载频段内驻波比和增益均相近的射频天线。

至少可以达到以下有益效果：

1.本发明考虑到农业中应用环境的多样性和动态性，射频载波信号不同环境下衰减不同，选择合适载波频率，可最大限度减小传播损耗，降低功耗；

2.本发明解决了以往无线灌溉系统中载波频率单一，信号干扰较大等问题，可自主择优选择多种频段内的信号做载波，提高了系统通讯和控制的稳定性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种载频自适应无线灌溉控制方法，控制终端与节点进行无线通讯，最终控制电磁阀的开启与关闭，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：控制终端将节点状态表以固定载频向节点发送无线射频控制信号；

步骤2：节点接收信号后，判断是否为本机指令；

步骤3：如果节点判断是本机指令，节点更新状态表，电磁阀执行相应操作，同时阀门的实际状态反馈到节点状态表中，完成更新，发送至控制终端；

步骤4：控制终端接收执行步骤3后的节点状态表，并更新该节点状态表；

步骤5：将步骤3和步骤4中的节点状态表中的RSSI值与维持稳定通信时的RSSI阈值进行比较；

步骤6：若步骤3或步骤4中节点状态表中的RSSI值低于稳定通信时的RSSI阈值，更新节点状态表，并以上一次的固定载频发送具有节点状态表的射频信号，等待节点确认信息；

步骤7：节点判断为本机指令后，根据接收到的节点状态表更新节点状态表调整载频后，发送数据至控制终端；

步骤8：控制终端判断是否接收到节点发送的新的状态表，如果超过一定时间仍未接收到节点反馈，退回上一次通讯成功时的载频；若节点在一定时间内未收到控制终端发送的更新完成位，退回上一次通讯成功时的载频；控制终端与节点通讯成功后，选择另一载频，再次发送，直至更新载频成功，或遍历载频列表完毕。

2.根据权利要求1所述的载频自适应无线灌溉控制方法，其特征在于，所述节点状态表包括：

节点标识号位，控制终端与节点组成的局域网内唯一标号，用于识别节点；

RSSI1值位，节点读取的控制终端发送的射频信号强度值位；

RSSI2值位，控制终端读取的节点发送的射频信号强度值位；

载频位，控制终端与节点通讯的下一次载波频率位；

载频更新完成位，用于标识控制终端与节点完成一次载频更新；

控制阀门标识位，控制阀门的状态；

和节点读取阀门状态位，标识阀门的实际状态。

3.根据权利要求2所述的载频自适应无线灌溉控制方法，其特征在于，所述步骤3，具体为，如果节点判断是本机指令，节点读取RSSI 1值，更新到节点状态表相应位；根据节点状态表的控制阀门标识位控制电磁阀的动作；将电磁阀的实际状态更新至节点状态表的节点读取阀门状态位；最终将更新后节点状态表发送至控制终端；

如果节点判断不是本机指令，则该节点继续按照定时周期休眠。

4.根据权利要求3所述的载频自适应无线灌溉控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为，控制终端接收更新后的节点状态表，将RSSI2值更新到该节点状态表相应位。

5.根据权利要求4所述的载频自适应无线灌溉控制方法，其特征在于，所述步骤5具体为，控制终端将该节点的RSSI1值和RSSI2值与维持稳定通信的RSSI阈值进行比较；

所述步骤6具体为，若任一RSSI值低于阈值，则控制终端改变节点状态表中的载频位信息和载频更新完成位，调整控制终端无线单元中的射频开关，以前一载频发送射频信号，等待节点确认信息；

若任一RSSI值不低于阈值，则结束通讯。

6.根据权利要求5所述的载频自适应无线灌溉控制方法，其特征在于，步骤8中，如果控制终端接收到了节点发送的新的状态表，则控制终端置位节点状态表中的载频更新完成位，再发送至节点，节点判断完成位后，一次更新载频完成。

7.根据权利要求1-6任一项所述的载频自适应无线灌溉控制方法，其特征在于，载频的范围为315MHZ、433.92MHZ和780MHZ。

8.基于权利要求7所述方法的载频自适应无线灌溉系统，其特征在于，包括控制终端、无线网络、多个节点和与节点相对应的多个电磁阀；多个节点分别通过无线网络与控制终端无线通讯，且在多个可选频段下通讯；

所述控制终端，包括电源、控制终端的无线单元、第一存储器和第一单片机，所述电源、控制终端的无线单元、第一存储器均与第一单片机连接，用于发送命令和接收节点反馈信息；所述第一存储器用于存储多个节点的节点状态表；

每个节点结构相同，均包括电池单元、节点的无线单元、第二存储器、第二单片机和阀控单元，所述电源、控制终端的无线单元、第二存储器均与第二单片机连接，用于接收命令和执行灌溉命令；所述阀控单元一端与第二单片机输出端连接，阀控单元的另一端与电磁阀连接，用于控制电磁阀阀头；所述第二存储器用于存储本节点的节点状态表。

9.根据权利要求8所述的载频自适应无线灌溉系统，其特征在于，所述控制终端的无线单元与节点的无线单元结构相同，均包括多个对应不同载频的发射接收前端、第一射频开关、第二射频开关、宽频带天线和无线芯片；

所述无线芯片获取RSSI值，射频开关用于调整载频；

所述宽频带天线通过第一射频开关选择不同载频的发射接收前端，再经第二射频开关连接到无线芯片。

10.根据权利要求9所述的载频自适应无线灌溉系统，其特征在于，射频开关为UPG2214，所述无线芯片为SI4464，所述第一单片机为STM32；所述第二单片机为MPS430；所述第一存储器为W25Q64；所述第二存储器为AT24CS16；所述阀控单元包括L293D，用于控制一个或多个电磁阀；所述电池单元包括双节锂离子电池以及电源转换电路，锂电池为控制终端供电，电源转换电路将电池电压转为3.3V；所述电磁阀为脉冲电磁阀。