CN108270801A - 一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法 - Google Patents

一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，系统包括：有市电供电的云端服务器，与服务器通过互联网或移动互联网连接的多台有市电供电的低功耗无线广域网网关，与网关通过无线连接的多台安装于大田中的使用电池供电的传感器设备节点以及与节点有线连接的多个传感器，每个网关、节点都有全网唯一的ID地址，用于寻址设备。本发明中的节点与传感器组在电力回收与低功耗工作方面有所创新：通过使用节能策略、电能回收策略、休眠策略、服务器端数据修正策略，可让位于大田中的节点及传感器组在使用一节3.8V/4Hh锂电池情况下连续工作5年以上。本发明设计新颖合理，超级节能，实现成本低，便于推广应用。

Description

一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统 实现方法
技术领域
本发明涉及一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，尤其是涉及应用于农业大田没有供电条件下的农作物种植环境传感器阵列的节能策略、电能回收策略、休眠策略、服务器端数据修正策略的实现方法。
背景技术
农业大数据与物联网作为现代智慧农业的核心技术，可提高土地产出率、资源利用率和农业劳动生产率，提高农业素质、效益和竞争力，具有广泛的应用前景。农业大数据的获取，需要大量的传感器来感知农田中的各种环境参数。智慧农业管控作业需要依靠大田环境数据来决策。由于基础设施、地理位置诸多因素限制，农业物联网急需有效的低功耗、远距离无线通信支持。物联网应用中的无线技术有多种，可组成局域网或广域网，组成局域网的主要有2.4G的WIFI、蓝牙、Zigbee等，组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等，这些无线技术的优缺点非常明显，似乎远距离与低功耗两者之间只能取其一。目前，田间传感器系统普遍采用2G/3G/4G作为无线通信平台，设备功耗大，需要提供连续的市电供电或使用太阳能电池系统供电，造成诸多不便，成本也居高不下，无法大范围推广。随着科学技术的发展，低功耗广域网（LPWAN）技术发展迅速，已经进入实用阶段，LPWAN技术的应用，可做到两者兼顾，最大程度地实现更长距离通信与更低的功耗，同时还可以节省额外的中继成本。LPWAN技术中最为应用广泛与完善的是LoRa与NB-IOT技术，非常适合农业大田传感器系统使用。
发明内容
本发明公开了一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，系统包括：有市电供电的云端服务器（以下简称：服务器 1），与服务器（1）通过互联网或移动互联网连接的多台有市电供电的低功耗无线广域网网关（以下简称：LPWAN网关 2），与LPWAN网关（2）通过无线连接的多台安装于大田中的使用电池供电的传感器通信节点（以下简称：节点 3）以及与节点（3）有线连接的多个传感器（以下简称：传感器组4），每个LPWAN网关（2）、节点（3）都有全网唯一的ID地址，用于寻址设备。本发明中的节点（3）与传感器组（4）在电力回收与低功耗工作方面有所创新：通过使用节能策略、电能回收策略、休眠策略、服务器端数据修正策略，可让位于大田中的节点（3）及传感器组（4）在使用一节3.8V/4Hh锂电池情况下连续工作5年以上。为此，本发明所要解决的技术问题，就是将低功耗广域网（以下简称：LPWAN）技术应用于农业大田环境参数获取中，提供一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法。所用硬件结构如图1所示：本设计结构简单、田间节点具有极低的工作能耗，使用一节3.8V/4Ah锂电池可连续工作5年，无线通信距离大大增加，理论值可达到15Km，实际在大田中稳定通信距离可达到7Km。本发明在四个方面有所突破：首先，在节能策略方面，选型低功耗传感器、MCU器件、通信方式（LPWAN）、计数器电路（工作电流5uA以下）；第二，电能回收方面，使用太阳能电池板作为照度测试传感器并回收电能为节点（3）内的电池充电，使用韦根传感器作为转速测试使用的传感器，并将其产生的电脉冲中的电能回收为电池充电；第三，休眠策略方面，设计所有器件在不工作时进入休眠状态，MCU进入低功耗状态，保持设备休眠状态下的工作电流在几个微安级别；第四，服务器端数据修正，为节能与降低硬件成本，节点电路尽量简化，传感器组数据获取后不做修正直接将原始数据上传服务器，服务器综合获得的全部原始数据由程序进行修正得出实际数据。
为解决上述技术问题，在一种农业大田无线超低功耗传感器阵列系统实现方法中采用的技术方案是： 硬件构成如图1所示。包括：有市电供电的云端服务器（1），与服务器（1）通过互联网或移动互联网连接的多台有市电供电的LPWAN网关（2），与LPWAN网关通过无线连接的多台安装于大田中的使用电池供电的节点（3）以及与节点有线相连的传感器组（4），每个LPWAN网关（2）、节点（3）都有全网唯一的ID地址，用于寻址设备。此结构是使用多台LPWAN网关在互联网/移动互联网基础上建立一个更加广域的低功耗通信的无线衍生网，只要节点在LPWAN网关（2）的无线网络覆盖范围内，就可以与服务器（1）进行有效的通信，完成服务器下发的指令并向服务器发送传感器组（4）的实时数据。
一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法的工作模式如图4所示：使系统中的服务器（1）、LPWAN网关（2）节点（3）传感器组加电进入正常工作状态。LPWAN网关（2）通过固定的“域名：端口”地址与服务器建立SOCKET长链接。服务器通过ID地址向节点（3）发送设置指令，设置节点（3）的数据上报周期，该指令经由LPWAN网关（2）经无线发送给节点（3）。到达数据上报周期时，节点（3）上的MCU（3-1）进入工作状态并唤醒休眠中的传感器组（4）、LPWAN通信模组（3-2），MCU（3-1）读取传感器组（4）数据并经由LPWAN网关（2）将数据转发给服务器（1）。工作完成后传感器组（4）、LPWAN通信模组（3-2）进入休眠状态，MCU（3-1）进入低功耗模式。
本发明中重点解决了节省节点（3）及传感器组（4）用电的以下四个技术问题，也是本发明的核心所在：
1、节点（3）及传感器组（4）节能选型策略：一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，系统所用的服务器（1）、LPWAN网关（2）有市电供电，无需过多考虑节能策略。节能策略重点考虑使用电池供电的节点（3）与传感器组（4），其中组件选型要求如下： MCU器件（3-1）用于程序运行并管理节点内部组件的协调工作，工作电流小于5mA、具有低功耗模式并且工作电流小于50uA，休眠模式电流小于0. 1uA；LPWAN通信组件（3-2）用于与LPWAN网关（2）的无线通信，选用LoRa或NB-IOT协议的低功耗组件构成LPWAN，要求使用发送电流小于170mA、接收电流小于20 mA的通信模组；休眠管理电路（3-3）用于关闭不工作组件及传感器的供电，其自身工作电流要求小于3 uA；传感器组接口电路（3-4）用于与传感器组的电器连接，要求其自身工作电流小于2 uA；脉冲计数器（3-5）用于全天候计数韦根传感器发出的电脉冲，要求工作电流小于5 uA；电池及充电管理电路（3-6）用于给节点（3）传感器组（4）供电，并负责回收光照传感器与流量、风速传感器的电能给电池充电。
2、节点电能回收：一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，在大田传感器组（4）中要使用两种重要的传感器：光照度传感器与流量计。传统方案中使用光敏元件作为光照度测量单元，使用霍尔传感器作为流量计的计量传感器。本发明中使用太阳能电池作为光照度传感器的测量单元，节点测量太阳能电池的电流与电压值作为光照度的原始数据，同时太阳能电池产生的电能回收用于电池充电；本发明中使用韦根传感器作为涡轮流量计、风速仪的测量传感器。韦根传感器使用一个特殊材料制作的磁芯体，此磁芯体在磁通量达到一定数值时，内部磁极发生反转，使缠绕于磁芯体上的线圈产生一个电脉冲，节点（3）中的计数器（3-5）累计此电脉冲并作为涡轮流量计、风速仪的原始数据，同时电脉冲的电能被回收用于组电池充电。太阳能电池可使用4V/5 mA级，每年可平均产生7.3Wh电能。韦根传感器脉冲特性为1.5V/20us，涡轮流量计每年可平均产生0.16mWh电能，风速仪每年可平均产生0.5mWh至50mWh电能。使用此发明可大大延长电池（3-6）的使用期限。
3、节点休眠策略：一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，之所以能有极低的功耗和极长的工作寿命，得利于节点（3）的休眠策略。休眠策略分两个主要部分，其一是MCU（3-1）、LPWAN通信组件（3-2）的休眠策略：LPWAN通信组件（3-2）以5秒钟为周期对无线通信信道进行一次5ms的侦听，只有当有呼叫自己的信号时才进入工作状态，其工作进程如图2所示。按此策略，MCU（3-1）、LPWAN通信组件（3-2）每年功耗约为3Wh；第二是传感器组（4）节能策略：节点（3）接收服务器（1）的设置指令，设置传感器组（4）每天按一定的周期进行数据上报，通常使用例中，上报周期设为2小时。平时节点内MCU（3-1）处于低功耗工作模式，传感器组（4）处于断电模式，MCU（3-1）计时到达上报时间时，转入工作模式并通过休眠管理电路（3-3）接通传感器组（4）供电、唤醒LPWAN通信组件（3-2），进行传感器数据读取与上传服务器，工作完成后，MCU（3-1）通过休眠管理电路（3-3）使传感器组（4）断电、LPWAN通信组件（3-2）再次进入休眠状态。数据定时上报程序进程如图3所示。
4、服务器（1）数据修正：一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，为使节点（3）及传感器组（4）功耗低，尽量使用传感器元件而不是使用智能传感器组件，这种情况下功耗最低、电路简单，但是测量的传感器数据为未经修正的原始数据，将此原始数据直接上传给服务器（1），服务器根据接收到的数据间的关联性行数据修正。例如：光照度L的上传原始数据为电压V、电流I，结合同批上传数据中的空气温度T、空气湿度R，利用修正曲线得出：L=f(V,I,T,R)，具体修正方法这里不做说明。
本发明中应用于大田的节点（3）和传感器组（4）与现有大田种植环境传感器相比具有以下优点：
1、本发明传感器组（4）中使用一块极小的太阳能电池板作为光照度传感器，使用韦根传感器替代传统的霍尔传感器作为旋转量传感器的测试器件，使这两类传感器没有功耗。
2、本发明中的节点（3）与传感器组（4）使用休眠策略进行节能，通过尽量压缩设备工作时间达到节能目的。
3、本发明节点（3）使用电能回收策略，可回收传感器组（4）中光照传感器、流量传感器、风速传感器的电能为电池充电。
4、本发明中的传感器组（4）使用器件级传感器，可降低成本与功耗，原始数据不做本地修正，直接上传服务器（1）按相数据关性进行校正，形成最终传感器组（4）的测试数据。
5、系统中加入了云端服务器（1），具有强大的数据存储与处理能力，可大大减轻大田中节点（3）和传感器组（4）的工作负荷，可使电路简洁、基础功耗小、成本低廉、可靠性高。
下面通过附图和实施案例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1 系统硬件构成示意图
图2 信息接收的节能侦听策略示意图
图3 数据定时上报程序示意图
图4 工作流程示意图
图5传感器总线地址编码表
图6 节点及传感器组工作功耗分析表
附图标记说明
1服务器
2 LPWAN网关 2-1 MCU单元 2-2 LPWAN通信组件
2-3 互联网通信组件 2-4 通信管理电路 2-5 天线
3 节点 3-1 MUC单元 3-2 LPWAN通信组件
3-3 休眠管理电路 3-4 传感器组接口电路 3-5脉冲计数器
3-6电池及充电管理电路 3-7 天线
4 传感器组
实施案例
如图1所示：一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法
1、设备基础设置与协议：
服务器（1）域名为：gz.yunhe369.com:1608
LPWAN网关地址 ID1=1 (网关与节点都有全网唯一的地址编码)。
节点（3）地址ID2=101 (网关与节点都有全网唯一的地址编码) ，默认侦听周期为5秒
传感器组（4）默认数据上报周期为2小时
传感器组（4）接入的传感器及传感器地址编码如图5所示。可测量农业大田中的以下数据：光照度、灌溉流量、空气温度湿度、土壤温度、土壤含水量、土壤电导率（EC）、共计8个参数。
使用云禾应用层通信协议格式为：*YHGZ（R）#ID1#ID2#命令#命令内容#错误代码*
节点设置指令为：*YHGZ#1#101#S1#5/7200/6#0* S1为设置命令，设置LPWAN网关（地址1）下的节点（地址101），侦听周期为5秒，数据上报周期为7200秒，传感器数量为6。
数据上传指令为：*YHGZR#1#101#DATA#&1/电压/电流&2/脉冲数&3/温度值/湿度值&4/土壤温度/土壤湿度&5/电导率数值&节点电压/节点信号强度&#错误代码* DATA为数据指令,&后第一个数据为传感器地址，如图5所示。“&”为传感器组数据分隔符，“/”为每个传感器数据间的分隔符。
2、设备硬件连接
如图1所示，连接硬件并为服务器（1）LPWAN网关（2）加电，启动管理程序。将节点（3）传感器组（4）安装在所需位置并在LPWAN网关（2）无线信号覆盖范围内，打开电源开关。节点（3）传感器组（4）安装分为上、中、下三部分，上部位于作物以上，安装光照传感器、天线；中部位于植物生长层，安装节点（3）、空气温湿度传感器；下部位于地面或地下，安装灌溉流量计、土壤温度湿度、EC值传感器。
3、设备协议链接过程
LPWAN网关（2）上电并自动启动程序后，按默认心跳频率向服务器（1）域名gz.yunhe.com：1608发送注册信息并保持SOCKET长链接。节点（3）开始工作后，向LPWAN网关（2）发送注册信息，其中带有自身ID号，注册完成后节点（3）进入侦听、休眠轮换状态（如图2所示），传感器组（4）进入休眠状态。服务器（1）端根据LPWAN网关（2）节点（3）注册信息形成设备地址表供指令寻址用。至此所有设备进入工作状态。
4、服务器（1）发送指令设置节点（3）工作参数
服务器（1）向节点（3）发送以下节点设置指令：
*YHGZ#1#101#S1#5/7200/6#0* 设置侦听周期5秒，数据上传周期2小时，传感器组地址数为6。
LPWAN网关（2）接收到该指令后向节点（3）无线转发。节点（3）按默认设置每隔5秒侦听一次无线频道，发现有信号时，接收本指令，并按指令设置节点（3）工作状态为：侦听周期5秒，数据上传周期2小时，传感器级地址数为6。
5、节点（3）向服务器（1）上传传感器组（4）数据
在节点（3）接收完节点设置指令时进行第一次传感器组（4）测试与数据上传，之后间隔2小时进行传感器组（4）测试与数据上传。每次到达数据上传时间，节点（3）中处于低功耗状态的MCU（3-1）进入工作状态，启动数据上报程序，如图3所示。首先唤醒传感器组（4）并按传感器组地址数分别读取传感器数值，数据读完后形成数据上传指令，格式如下：
*YHGZR#1#101#DATA#&1/电压/电流&2/脉冲数&3/温度值/湿度值&4/土壤温度/土壤湿度&5/电导率数值&节点电压/节点信号强度&#错误代码* 传感器数据的单位约定如图5所示。
一条可能的数据上传指令例为：
*YHGZR#1#101#DATA#&1/3650/1.235&2/36541&3/28.5/65.5&4/25.0/35.5&5/150.0&3800/4&#0*
节点（3）将传感器组（4）的数据按以上格式通过无线发送给LPWAN网关（2）并由网关转发给服务器（1）。节点（3）发送完成后，传感器组（4）进入休眠状态，MCU（3-1）进入低功耗状态。
6、服务器端数据校正
服务器（1）收到LPWAN网关（2）转发的节点（3）传感器组（4）的数据后，写入对应的原始数据库中。服务器（1）中有一个数据校验程序，用来修正原始数据为可用数据。以光照度传感器上传数据为例说明如下：发来的光照度传感器原始数据为电压与电流两个值“#&1/3650/1.235&”而不是光照度值，程序解析出：3650mV/1.235mA，按此数值及空气温度值换算出光照度为23650LUX，此照度值为实际照度值，存入传感器组应用数据库中供使用。流量计数据为“&2/36541&”，解析出当前流量计数值为36541，可从服务器（1）数据库中查询上一次的流量数据值为25410对应流量计管径为DN90、涡轮叶数为4、涡轮厚度为10CM，通过计算可得出本次灌溉总量为2.5吨水。
7、功耗分析
节点（3）传感器组（4）所用器件功耗及计算情况如图6所列。其中节能策略为：侦听周期为5秒一次，数据上报周期为2小时一次。如果不计入电力回收因素，设备年平均功耗为5.16Wh，使用一节3.8V/4Ah（15.2Wh）锂离子充电电池可连续工作2.9年。如果计入传感器电力回收因素，按太阳能电池年平均充电电量为5Wh计，工作年限则一定超过5年，具体工作年限取决于电池寿命。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，其中，大田传感器通信节点及传感器组使用的节能策略为：硬件选用低功耗传感器组、MCU、脉冲计数电路、LPWAN通信组件，传感器组通过可关断的接口电路与节点连接；使用的电能回收策略为：利用太阳能电池板作为光照度传感器并回收电能，旋转量传感器中使用韦根传感器代替霍尔传感器并回收电能；使用的休眠策略为：所有组件在不工作时进入休眠状态，MCU进入低功耗状态；使用的服务器端数据修正策略为：传感器原始数据直接上传服务器，并由服务器综合全部数值作数据修正后应用。
2.使用太阳能电池替代光照度传感器，节点测量太阳能电池电流/电压值，并将原始数值发送给服务器，同时回收太阳能电池电能给节点内的电池充电，服务器端利用原始数据计算实际光照度值。
3.旋转量传感器（涡轮流量计、风速传感器）旋转芯体使用磁性橡胶制造，使用韦根传感器替代霍尔传感器，节点内的计数器对韦根传感器发出的电压脉冲进行记数，并将原始计数值发送给云端服务器，服务器根据管径、涡轮叶数、原始计数值、前期计数值计算实际灌溉流量，同时回收韦根传感器电能给电池充电。
4.节点设置休眠策略，传感器组不工作时通过传感器组接口电路将供电切断，功耗几乎为零。
5.一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，使用云禾应用层通信协议、云禾LPWAN网关寻址协议、云禾传感器寻址协议。
6.一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，其中，传感器组与大田通信节点间采用总线式连接或分别连接，大田通信节点与LPWAN网关之间使用低功耗无线广域网进行通信，LPWAN网关与服务器使用互联网/移动互联网链接。
7.一种具有电力回收功能的无线低功耗大田种植环境感知系统实现方法，在服务器中安装有数据综合校正程序，利用传感器组原始数据关联性进行传感器实际数值计算。
8.一种农业大田无线超低功耗传感器阵列系统实现方法，结构分为上、中、下三部分，上部位于作物以上，安装光照、风速、降雨、PGS/北斗及同类传感器；中部位于植物生长层，安装空气温湿度、CO2及同类传感器；下部位于地面或地下，安装灌溉流量计、土壤温度、含水量、EC值、PH值及同类传感器。
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