CN109975517A - 基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统及使用方法，该系统包括安装在土壤中的若干个传感器，传感器内设有信号收发模块，信号收发模块通过LoRa无线通信将信号发送到LoRaWan网关，LoRaWan网关依次与PaaS平台和用户群连接；所述传感器包含土壤水分传感器、土壤盐分传感器、降雨量传感器。本发明的一种基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统，使传感器节点具有超低功耗，满足单一电池单次供电维持节点长时间工作；融合LoRa通信技术，构建超低功耗、远距离传输的节点网络，充分发挥现有传感器的经济价值。

Description

基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统及使用方法

技术领域

本发明涉及基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统及使用方法，属于土壤监测领域。

背景技术

随着现代传感器技术及通信技术的发展，基于各种土壤近地传感器的数据采集设备及系统被广泛应用于野外土壤各类理化参数的获取。这些设备或系统通常都部署于野外环境，实际应用中面临布线繁琐、运行成本高、安装维护不便的缺点；另外，在区域尺度大规模组网时传感器网络结构复杂，节点的能源消耗大，无法倚靠电池供电支撑长时间的野外工作，不便于远距离海量连接的构建及应用部署。

例如，在一些土壤墒情监测系统中，在各传感器节点采用485或SDI-12等通信接口方式，通过线缆将传感器连接至数据采集模块，数据采集模块再通过移动通信网络(GPRS或3G或4G)实现远距离通信，这种组网方式适合于传感器布置稀疏，监测区域不大的情况，若需要在更广阔的野外空间布置大量的传感器节点，这种组网方式将面临布线繁琐、运行成本高、安装维护不便等缺点。

一些野外田间及大棚实验中，在传感器端先采用Zigbee或蓝牙、WIFI等常见的短距离无线通信方式连接至网关，再通过移动通信或直接连接至互联网，这种方式可以一定程度上降低网络运行成本，方便部署更多传感节点，但这种组合通信策略的应用无疑又会增加传感器网络的复杂程度，不利于大规模无线传感网络的构建及应用部署，而且传感器节点的增加也是有限的，能源的消耗也使电池供电难以支撑长时间的野外工作。近年来，以LoRa和NB-IoT为代表的LPWAN(低功耗广域网)技术发展迅速，与Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等现有的无线技术相比，它们具有超低功耗、远距离传输、满足长时间电池(2节AA电池)供电、低成本、覆盖容量大等优点，因而被越来越多的应用于传感器设备，尤其是土壤近地传感器的无线数据通信。

LoRa作为一种新兴的技术，其市场普遍被看好，各厂商、研究院所等单位争先研究，参与标准制定，设商用试点。但现阶段的应用中存在着一些实际问题，这种通信技术与传感器设备仅仅进行简单的应用组合，并未真正从底层与传感器设备进行系统集成。通信模块往往独立于传感器设备，通信模块的功耗可以满足电池供电，但传感器设备仍然基于传统的应用设计，功耗无法满足长时间电池供电，仍然采用市电或太阳能供电，应用部署麻烦，需要大量的维护工作，LoRa技术的优势没有得到真正体现。基于私有云自行构建的传感器系统也面临设计、安装、部署及升级成本高，无法适应越来越多的传感器连接需求，以及面向多应用的数据、设备的管理需求。

因此，针对现有的大量基于传统应用设计的土壤近地传感器设备，如何应用LoRa技术，真正发挥其超低功耗、远距离传输、满足长时间电池供电、低成本、覆盖容量大等优点，构建具有海量连接、数据存储、设备管理等特性的无线传感器系统，具有重要的现实意义和经济价值。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统及使用方法，使传感器节点具有超低功耗，满足单一电池单次供电维持节点长时间工作；融合LoRa通信技术，构建超低功耗、远距离传输的节点网络，充分发挥现有传感器的经济价值。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统，包括安装在土壤中的若干个传感器，传感器内设有信号收发模块，信号收发模块通过LoRa无线通信将信号发送到LoRaWan网关，LoRaWan网关依次与PaaS平台和用户群连接；所述传感器包含土壤水分传感器、土壤盐分传感器、降雨量传感器，降雨量传感器实时数据作为土壤水分传感器计算采样周期T的参数。

作为优选，所述传感器通过升压装置与三元锂电池，三元锂电池通过降压装置与信号收发模块连接，传感器与信号收发模块之间连接有控制器。

作为优选，所述土壤水分传感器与土壤盐分传感器采样周期一致，土壤水分传感器的采样周期式中T(n)为土壤水分传感器第n次采样周期，θ(n)为传感器采集的土壤含水量数值，△为保持数据完整性时允许的前后2次数据最大允许偏差，R为降水等级，E₀为经验参数，其中R为实时气象预报数据，通过雨量传感器实测降雨量获取R，R取值为1,2，3，4，5，6，7，依次递增，分别表示无降雨，小雨，中雨，大雨，暴雨，大暴雨，特大暴雨，E₀作为经验参数，根据实际应用需求在初始阶段可将采样周期调节至合适的数值，比如设置初始采样周期T0，若存在人工灌溉的发生，可实时修正。

作为优选，所述三元锂电池外设有无线充电线圈，无线充电线圈外套有壳体。

一种基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统的使用方法，包括以下步骤：

(1)将土壤水分传感器、土壤盐分传感器、降雨量传感器布设在研究区域，调试整个无线传感系统；

(2)设定最大允许偏差△和传感器初始采样周期T(0)；

(3)传感器数据通过LoRa通信模块将数据传输给PaaS平台，PaaS平台对传感器数据进行存储；

(4)计算相邻两次采样数据的偏差M，并依公式计算采样周期，

在本发明中，供电电池接有无线充电线圈，可实现无线充电，这样在电池电量消耗完后可通过无线充电方式给节点电池充电，使节点可以重复利用，并且无线充电的设计使得节点硬件上不必预留充电接口或电池可拆卸结构，传感器节点整体上更紧凑，满足一体化封装，维护更方便。传感器节点整体采用进口黑色阻燃环氧树脂封装，封装时采用定制的不锈钢模具一体成型，机械强度高，耐热防水防腐蚀，真正做到易于大规模部署、免维护。

在本发明中，LoRa网关基于Semtech公司的SX1301收发控制器进行设计，集成LTEDTU功能。LoRa网关采用太阳能供电，由于LoRa网关网络覆盖半径大，连接负载能力强(可达10000个终端)，单台LoRa网关即可进行大规模组网，一套太阳能供电系统即可满足大规模组网使用，使应用部署更方便。

PaaS云计算平台采用运营商级别的开放物联网平台OneNet，在用户应用和传感器设备之间搭建高效、稳定、安全的应用平台。面向设备，适配多种网络环境和常见传输协议，传感器终端设备可以快速接入。面向用户应用，提供丰富的API和数据分发能力以满足各类应用系统的开发需求。利用丰富的图表展示组件，实现满足多场景需求的应用。本发明中传感器节点采用TCP透传通信方式接入PaaS平台，用户自定义协议，通过上传解析脚本来完成协议的解析。本发明中采用lua脚本语言编写协议解析脚本，包括定时下发数据任务初始化函数device_timer_init(dev)，以及对设备上传数据进行解析device_data_analyze。

在本发明中，一般采用12V直流供电，节点MCU、flash芯片、RS485收发器等芯片采用3.3V供电，因而在电路硬件结构中将电池电压升压至12V为传感器供电，另一方面又通过多路线性稳压器输出稳定的3.3V为芯片供电，节点硬件系统实现了单一电池全局供电，简化了硬件结构，便于应用部署。节点各芯片选取时都基于低功耗考虑，传感器工作电压高，电流大，可达100-250mA，是整个节点的主要能耗部分；而另一方面，在实际应用中，土壤近地传感器并不需要长时间不间断地采集数据，一次数据采集发送周期内，绝大部分时间将处于空闲状态，为此，节点硬件上设计了使能控制传感器12V供电，系统一旦侦测到传感器工作并有效输出数据后，立即控制升压芯片停止工作，切断传感器电源，避免节点空闲时，传感器仍持续不断地耗电。此外，传感器节点还可接收外部命令，从用户应用平台可下发命令修改节点的参数设置，根据实际需要可以灵活改变传感器数据采集周期，在保证数据有效性和完整性的同时减少传感器的工作总时间，从而延长传感器电池野外工作的时间。

另外，还可利用LoRa的信道检测技术(CAD)，空中唤醒节点工作，使传感器节点的工作方式灵活多变，满足多种应用场景需求。这一系列设计在实际应用中将大幅降低节点的整体功耗,使单一电池单次供电维持节点长时间工作得以实现。利用LoRa的信道检测技术(CAD)，用户端可空中唤醒节点，修改采样周期；或传感器在周期唤醒时修改自身采样周期，并于下一采样周期开始执行。在一个周期内，传感器连续采集3次数据，取算术平均值作为本次采样值，并通过LoRa模块传输出去，之后传感器节点立即进入休眠模式直到下一个采样周期开始自动醒来。若设传感器单次采样时间为△t，则采样周期需满足T>＝3△t。

在本发明中，降雨量传感器无需设置固定采样周期，有降雨时通过外部中断实时唤醒，进入采样工作状态，无降雨时则进入休眠状态。降雨量传感器采样翻斗式雨量传感器，计量组件是一个翻斗式机械双稳态秤重机构，其功能是将以mm计的降雨深度转换为开关信号输出。翻斗是用工程塑料注射成型的用中间隔板分成两个等容积的半锥斗室。它是一个机械双稳态结构，当一个斗室接水时，另一个斗室处于等待状态。当所接雨水容积达到预定值0.2mm时，由于重力作用使自己翻倒，处于等待状态，另一个斗室处于接水工作状态。当其接水量达到预定值时，又自己翻倒，处于等待状态。在翻斗侧壁上装有磁钢，它随翻斗翻动时从干式舌簧管旁扫描，使干式舌簧管通断。即翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便接通一次送出一个开关信号(脉冲信号)。因此雨量传感器平时处于睡眠状态，干式舌簧管的脉冲信号作为外部中断的输入，将雨量传感器从休眠状态唤醒。

在本发明中，以土壤水分传感器为例，对于一定面积和厚度的土体，在一段时间内，其土壤含水量的变化应等于其来水项与去水项之差。正值代表土壤含水增加，负值表示减少。△W＝P+I+U-ET-D-R-In，△W土壤含水量变化，收入：P—降水量，mm，I—灌溉量mm，U—上行毛管水，mm，支出：E—土面蒸发，mm，T—蒸腾量，mm，D—渗漏量，mm，R—径流量，mm，In—冠层截流量，mm，土壤水分平衡简化式为：△W＝P+I-ET-D。

由此可知，土壤水分主要来源于大气降水和人工灌溉水，地下水上升和大气中水汽的凝结也是土壤水分的来源；同时，水分由于在土壤中受到重力、毛管引力、水分子引力、土粒表面分子引力等各种力的作用，形成不同类型的水分运动及不同介质中水分的转化(蒸发、蒸腾)，以及水分在土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的运移也影响着最终的土壤含水分含量。

根据非饱和土壤水分运动基本方程：

式中：θ为含水量，t为时间，K为渗透系数，ψ为非饱和土壤的总土水势，x，y，z表示坐标轴方向。因此，在一定土壤深度和质地的条件下，非饱和土壤含水量最主要的影响因素是大气降水和人工灌溉。在土壤水分监测网络中，土壤水分的采集是一系列离散集合，前后2次数据的差值，反应了土壤水分的变化趋势。在一定的变化范围内可以延长采集周期，从而减少传感器唤醒工作次数；当超出一定的变化范围时则需要缩短采样周期，增加数据采集次数以保持数据的完整性。

有益效果：本发明的基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统，使传感器节点具有超低功耗，满足单一电池单次供电维持节点长时间工作；融合LoRa通信技术，构建超低功耗、远距离传输的节点网络，充分发挥现有传感器的经济价值；传感器节点可接收外部命令，从用户应用平台可下发命令修改节点的参数设置，根据实际应用对采样周期进行比例调节，在保证数据有效性和完整性的同时减少传感器的工作总时间，从而延长传感器电池单次野外工作的时间。

附图说明

图1为本发明的系统组成图。

图2为本发明的电源组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统，包括安装在土壤中的若干个传感器，传感器内设有信号收发模块，信号收发模块通过LoRa无线通信将信号发送到LoRaWan网关，LoRaWan网关依次与PaaS平台和用户群连接；所述传感器包含土壤水分传感器、土壤盐分传感器、降雨量传感器等土壤近地传感器，降雨量传感器实时数据作为土壤水分传感器计算采样周期T的参数。

在本发明中，所述传感器通过升压装置与三元锂电池，三元锂电池通过降压装置与信号收发模块连接，传感器与信号收发模块之间连接有控制器。所述三元锂电池外设有无线充电线圈，无线充电线圈外套有壳体。所述土壤水分传感器的采样周期 式中T(n)为土壤水分传感器第n次采样周期，θ(n)为传感器采集的土壤含水量数值，△为保持数据完整性时允许的前后2次数据最大允许偏差，R为降水等级，E₀为经验参数，通过雨量传感器实测降雨量获取R，R取值为1,2，3，4，5，6，7，依次递增，分别表示无降雨，小雨，中雨，大雨，暴雨，大暴雨，特大暴雨，E₀作为经验参数，根据实际应用需求在初始阶段可将采样周期调节至合适的数值，若存在人工灌溉的发生，可实时修正。当传感器前后2次数据的差值不超过△时，依据公式采样周期将逐渐增大；超过△时采样周期将通过比例调节进行缩短。因此，在保证数据有效性和完整性的同时通过采样周期的比例调节，可减少传感器的工作总时间，最大化传感器节点的休眠时间，从而延长传感器电池单次野外工作的时间。

一种基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统的使用方法，包括以下步骤：

(1)将土壤水分传感器、土壤盐分传感器、降雨量传感器布设在研究区域，调试整个无线传感系统；

(2)设定最大允许偏差△和传感器初始采样周期T(0)，在传感器布设初始阶段，设置采样周期不变，即T(0)＝T(1),并进行采样，获得前2次采样数据θ(0)和θ(1)。若没有降雨则R＝1，依据公式计算第三次采样周期令M＝|θ(1)-θ(0)|，若M<＝△，即前后2次采样数据的变化在允许范围内，依据公式则采样周期将增大，若M>△,则采样周期将减小，依据经验设置合适的经验值E0以调整采样周期的变化速度；

(3)传感器数据通过LoRa通信模块将数据传输给PaaS平台，PaaS平台对传感器数据进行存储；

(4)计算相邻两次采样数据的偏差M，并依公式计算采样周期， 若M<＝△，即前后2次采样数据的变化在允许范围内，依据公式则采样周期将增大，若M>△,则采样周期将减小。依据公式可知，采样周期T将始终处于动态调整中并不断优化，在保持采样数据完整性的同时，使传感器获得最大的休眠时间，以满足单一电池单次供电维持传感器节点长时间工作的需求。

采用本发明上述的方法，具有很多优点，例如1)本发明采用超低功耗的硬件结构，使传感器节点具有超低功耗，满足单一电池单次供电维持节点长时间工作；融合LoRa通信技术，构建超低功耗、远距离传输的节点网络，充分发挥现有传感器的经济价值。2)传感器节点可接收外部命令，从用户应用平台可下发命令修改节点的参数设置，根据实际应用需求依据公式对采样周期进行比例调节，在保证数据有效性和完整性的同时减少传感器的工作总时间，从而延长传感器电池单次野外工作的时间。3)本发明的土壤近地传感器节点采用单电池多输出全局供电，简化了硬件结构，无需接市电或太阳能，避免安装时需线缆连接，实现真正“无线”，大大方便了在野外的应用部署；此外，由于LoRa网关的超强连接负载能力，大规模组网时也只需安装极少量的太阳能供电系统。4)节点电池消耗完时，可通过无线充电方式进行充电后重复使用，无需预留充电接口或电池可拆卸结构，采用进口黑色阻燃环氧树脂进行一体化固化封装，耐热防水防腐蚀，真正实现后期免维护或方便维护。5)基于运营商的PaaS平台进行开发，可构建具有海量连接、数据存储、设备管理、规则引擎、事件警告的土壤近地无线传感器系统，在传感器设备和用户之间搭建高效、稳定、安全的应用平台；用户还可从应用平台发送指令至网络节点，使其具有周期可调、可实时唤醒的工作模式，满足多种应用场景需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统，其特征在于：包括安装在土壤中的若干个传感器，传感器内设有信号收发模块，信号收发模块通过LoRa无线通信将信号发送到LoRaWan网关，LoRaWan网关依次与PaaS平台和用户群连接；所述传感器包含土壤水分传感器、土壤盐分传感器和降雨量传感器。

2.根据权利要求1所述的基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统，其特征在于：所述传感器通过升压装置与三元锂电池，三元锂电池通过降压装置与信号收发模块连接，传感器与信号收发模块之间连接有控制器。

3.根据权利要求1所述的基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统，其特征在于：所述土壤水分传感器的采样周期式中T(n)为土壤水分传感器第n次采样周期，θ(n)为传感器采集的土壤含水量数值，△为保持数据完整性时允许的前后2次数据最大允许偏差，R为降水等级，E₀为经验参数，其中R为实时气象预报数据，通过雨量传感器实测降雨量获取R，R取值为1,2，3，4，5，6，7，依次递增，分别表示无降雨，小雨，中雨，大雨，暴雨，大暴雨，特大暴雨，E₀作为经验参数，根据实际应用需求在初始阶段可将采样周期调节至合适的数值。

4.根据权利要求2所述的基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统，其特征在于：所述三元锂电池外设有无线充电线圈，无线充电线圈外套有壳体。

5.根据权利要求2所述的基于PaaS平台的超低功耗土壤近地无线传感系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将土壤水分传感器、土壤盐分传感器、降雨量传感器布设在研究区域，调试整个无线传感系统；

(2)设定最大允许偏差△和传感器初始采样周期T(0)；

(3)传感器数据通过LoRa通信模块将数据传输给PaaS平台，PaaS平台对传感器数据进行存储；

(4)计算相邻两次采样数据的偏差M，并依公式计算采样周期，