CN112055051B - 一种应用于菌菇培育的低功耗无线智能设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物联网领域，提出一种应用于菌菇培育的低功耗无线智能设备，包括：Sigfox收发器模块，对来自微控制器模块的基带信号进行处理，转换为射频数字信号，并调制到射频，通过天线发送出；射频前端模块，连接到Sigfox收发器模块，用于将射频信号发射出去，或接收射频信号回传给Sigfox收发器模块；传感器模块，其连接到微控制器模块；微控制器模块，对传感器模块接收的数据进行处理和运算决策。

Description

一种应用于菌菇培育的低功耗无线智能设备

技术领域

本发明涉及智慧农业、物联网领域，尤其涉及一种应用于菌菇培育的低功耗无线智能设备。

背景技术

近年来，随着食用菌产业的快速发展，菌菇的产量也在逐年增加，成为许多地区农民增收的支柱产业。随着人民生活水平的提高，对菌菇周年消费需求不断增加，菌菇的智慧化培育，工厂化生产也已开始实现。

菌菇的生活史分菌丝体阶段和子实体阶段，子实体也就是菇体，又可以分为原基期、菇蕾期、成熟期。每个阶段对生长环境的要求非常严苛，包括养分、温度、水分、空气、光照、pH值等。菌菇的培育多采用层架式立体栽培，床架上安装塑料网，用来铺放培养料，能充分利用菇房内空间。为了获得菌菇生长的最佳环境，利用物联网技术对其环境的各个要素进行在线监控，以研究菌菇生长的最佳培育参数和曲线，是提升菌菇产量，提高菌菇生长品质的有效途径。但是目前，在这一方面的技术手段还十分欠缺。传统的作物生长的在线监控方式多采用采用有线，或者ZigBee等常规无线技术，一方面难以满足现场长时间在线监测的需要，而且设备的智能化程度、无线传输效果都比较难以满足要求，例如在线智慧决策，离线数据保存，长距离，多障碍传输等等。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明针对长时间在线监测菌菇培育过程中的生长参数，环境数据的问题，发明了一种应用于菌菇培育的低功耗无线智慧型设备。本发明提的设备能够很好的解决现场在线数据采集，长时间应用，以及本地智慧功能，其效果比目前仅仅作为传输单元的无线物联网技术更好，更有实用价值。

本发明提出的一种应用于菌菇培育的低功耗无线智能设备，包括：

Sigfox收发器模块，对来自微控制器模块的基带信号进行处理，转换为射频数字信号，并调制到射频，通过天线发送出；

射频前端模块，连接到Sigfox收发器模块，用于将射频信号发射出去，或接收射频信号回传给Sigfox收发器模块；

传感器模块，其连接到微控制器模块；

微控制器模块，对传感器模块接收的数据进行处理和运算决策。

本发明通过实现一个内置LPWAN的Sigfox模组，并应用位置传感器北斗北斗模组，近场通信模组，低功耗模组，以及支持多路生长要素传感器的微控制器的小型无线智慧型设备，来对菌菇的生长环境进行在线监控，能够支持长达10～20年的在线数据采集、并支持20公里范围的信号传输。此无线智慧型体积小，支持本地决策，支持在线和离线两种方式，即使在网络通信不佳的情况下也能保持数据不丢失和长时间的工作的能力。大大提升了菌菇培育数据采集和分析的可靠性和有效性。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1.内置支持超低功耗广域无线传输模块Sigfox，可支持长达10年～20年的在线工作，无线数据传输，比现有的农业物联网采集设备的工作寿命更长，功耗更低；

2.设备可支持20公里范围内的无线数据传输以及组网，特别适合边缘农村种植基地使用。

3.内置近场通信模块，支持近场无线信号唤醒，平时设备以处于几乎完全休眠的状态，当被唤醒后再恢复工作，大大延长了设备的使用时间。

4.内置地理坐标指示模块，可以提供模块当前的坐标信息，便于菌菇培育过程中的具体环境分析。

5.内置本地智慧决策模式，可以及时处理设备发生的状况而无须上报服务器，比传统的农业物联网终端设备相比，可以大大减轻服务器负荷，也提高了设备的灵活性，当设备处于断网或者通信不佳或者电能不足时，可采取相应的工作模式，以保证工作的稳定，数据的安全。

6.设备支出多路接口，可连接多路要素传感器装置。

7.设备内置电池，加上多种低功耗模式的设计，可以使得仅采用纽扣电池便能长时间工作，同时也大大缩小了体积，便于安装使用。

8.外壳为IP65防护等级，可在野外或者腐蚀环境下长时间使用，保护内部电路不受损害。

附图说明

为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的设备的系统框图。

图2为Sigfox无线收发器模块的功能结构图。

图3为Sigfox无线收发器模块的ESD保护电路。

图4为Sigfox无线收发器模块的ESD保护电路。

图5为Sigfox无线收发器模块的ESD保护电路。

图6为传感器模块的程序流程图。

图7为Sigfox收发器模块的控制程序流程图。

图8为微控制器模块工作模式流程图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。

如图1所示，本发明的设备包括微控制器模块，其是作为整个设备的智慧控制核心单元，连接着负责无线传输的Sigfox收发器模块，近场唤醒模块，北斗定位模块，多个传感器模块和电源管理模块。

负责无线传输的Sigfox收发器模块连接到射频前端模块、晶振模块、微控制器模块、超低功耗模块和电源管理模块。Sigfox收发器模块对来自微控制器模块的基带信号进行处理，转换为射频数字信号，并调制到射频，由射频前端模块通过Sigfox天线发送出。同时也把来自射频前端模块的射频信号处理为基带信号，传送给基带微处理器。Sigfox收发器模块负责数据的通信，将终端的数据上传到服务器，并接收来自服务器的数据，传递给微控制器模块进行处理。Sigfox收发器模块采用了Sigfox低功广域无线网络技术，通过实现UNB(Ultra-Narrow Band)超窄带技术，“时间和频率分散(time and frequencydiversity)”的随机接入技术，“空间分散(spatial diversity)”的协作接收技术，短报文、双向传输等技术，有效地降低了功耗，支持数百万级的终端设备接入，可在20公里范围内进行有效的通信。

射频前端模块(FEM，Front-End Module)包括功放PA、滤波器Filter、天线开关Switch等。FEM前端连接Sigfox天线，是无线信号的收发通路，将射频信号发射出去，或接收射频信号回传给Sigfox收发器模块。

北斗定位模块定时将坐标的经纬度位置信号输出给微控制器模块，以便微控制器模块能及时获得当前坐标位置。

微控制器模块连接着多个传感器模块，可以分别采样菌菇生长环境的多个要素，例如养分、温度、水分、空气、光照、pH值等。

为了进一步降低设备功耗，延长使用寿命，设备配置近场唤醒模块，近场唤醒模块连接到Sigfox收发器模块和微控制器模块，用于提供唤醒信号，以节省能耗。近场唤醒模块平时可以使设备处于休眠状态，当有唤醒信号时再使得设备恢复工作状态。

超低功耗模块与微控制器模块相连，通过算法降低微控制器的功耗。超低功耗模块用于配置设备的低功耗模式，可将设备模块设置为工作，空闲和休眠等多种模式。低功耗的算法为：

S1，侦听：通过近场唤醒模块的低频通道侦听唤醒信号，如在侦听周期内未收到低频唤醒信号，则关闭微控制器，外设供电模块；

S2，信号处理：低频唤醒模块接收到唤醒信号，信号输入到信号比较器中，将信号比较器的输出结果与阈值进行比较，若大于阈值时间，则将信号输入调节器单元进行信号分析，以确定是否为唤醒信号还是噪声信号；分析处理后，输出唤醒信号；

S3，信号比较：超低功耗模块内的信号比较器将接收到的唤醒信号与保存在基值处理器的基值进行比较；

S4，判断：当计数值小于基值，并且差值大于设定的阈值时，判断为唤醒；当计数值小于基值，但差值小于设定的阈值时，或者计数值大于基值时，判断为噪声干扰，即唤醒未发生；当计数值小于基值，加减标志位赋1，及数值大于基值，加减标志位赋0；

S5，输出结果：当判定为唤醒发生时，计数器将采集的计数值传输给低功耗算法电路内的运算单元进行运算，确定唤醒有效输出。

晶振模块连接到微控制器模块和Sigfox收发器模块，晶振模块为各个硬件单元提供时钟信号。

电源管理模块连接到内置电池和微控制器模块，Sigfox收发器模块，进场环形模块等，为这些模块提供工作供电，支持多种电压电流工作模式。电源管理模块分配不同的供电电压电流给各个模块。

微控制器模块负责整个设备的启动、停止、数据处理和智慧运算决策。其内置多种数据采样和建模方法，通过硬件接口连接各个传感器模块，所用的硬件接口包括：RS232/485、SPI、USB、RJ45等，支持多种数据传输协议。微控制器模块内部存储有存储器和可执行代码，可执行代码运行时，完成如下功能：设定采样周期，报警阈值，曲线分析，以及本地决策机制；当通信不佳、故障或者电能不足时，能自动调节设备的工作状态，应对当前的状况。

传感器模块包括多个，根据功能不同支持养分、温度、水分、空气、光照、pH值等信号的采样，以监控菌菇的生长环境。

与传统的物联网无线传输设备相比，这种本地的智慧型工作模式增强了终端设备的机能，减少了不必要的通信传递，可大大降低功耗，延长设备的工作时间、使用寿命。

整个设备封装在ABS或PC材料所设计的外壳内，密封等级根据应用需要可采用IP65等级，以保护内部电路不受外部的腐蚀破坏。

图2显示了Sigfox无线收发器模块功能结构图。如图所示，Sigfox无线收发器模块通过SPI接口(端口B)与微控制器模块连接，引脚信号包括SCK,MOSI,MISO,和NSS等。其功能配置由微控制器的内部固件来进行设定，并通过SPI指令来控制信令的收发。XTAL提供晶振时钟。其余的引脚可根据实际应用需求进行连接和配置。Sigfox无线收发器模块还包括Sigfox协议栈、外围设备、DSP等元器件。

图3-5显示了Sigfox无线收发器模块的ESD(静电释放)保护电路。

图6显示了读取传感器模块的流程图。启动传感器模块，尝试读取传感器信号，通过校验码(checksum)判断读取的数据是否正确，正确则读取数据，当读取数据的次数大于设定阈值时，数据正确则上报给微控制器模块，否则，发出报警信号。

图7显示了Sigfox无线模块控制程序流程图，模块上电复位，初始化，根据是否有数据发送，调用数据发送子程序。若有中断置位，则响应响应后中断处理子程序。

图8显示了微控制器模块工作模式流程图，微控制器模块可运行在不同的工作模式，包括接收模式，发送模式和异常报警模式。异常报警包括阈值超限报警，电量不足报警，通信故障报警等等。微控制器模块可根据当时的设备状态进行本地智慧化处理，而无须象传统物联网终端那样只能提交服务器进行处理，这大大增强了终端的灵活性、可靠性和使用寿命。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种应用于菌菇培育的低功耗无线智能设备，其特征在于，包括：

Sigfox收发器模块，对来自微控制器模块的基带信号进行处理，转换为射频数字信号，并调制到射频，通过天线发送出；

射频前端模块，连接到Sigfox收发器模块，用于将射频信号发射出去，或接收射频信号回传给Sigfox收发器模块；

传感器模块，其连接到微控制器模块；

微控制器模块，对传感器模块接收的数据进行处理和运算决策；

近场唤醒模块，近场唤醒模块连接到Sigfox收发器模块和微控制器模块，用于提供唤醒信号；

北斗定位模块，所述北斗定位模块定时将坐标的经纬度位置信号输出给微控制器模块，以便微控制器模块能及时获得当前坐标位置；

晶振模块，连接到微控制器模块和Sigfox收发器模块，晶振模块为各个硬件单元提供时钟信号；

超低功耗模块，与微控制器模块相连，所述超低功耗模块通过如下操作来降低微控制器模块的功耗：

1）通过近场唤醒模块的低频通道侦听唤醒信号，如果在侦听周期内未收到低频唤醒信号，则关闭微控制器和外设供电模块；

2）收到唤醒信号后，利用比较器与阈值相比较来确定是唤醒信号还是噪声信号，输出唤醒信号；

3）将接收到的唤醒信号与保存在基值处理器的基值进行比较，确定是否发生唤醒：当计数值小于基值，并且差值大于设定阈值时，判断为唤醒；当计数值小于基值，但差值小于所述设定阈值时，或者计数值大于基值时，判断为噪声干扰，即唤醒未发生；

4）当判定为发生唤醒时，确定唤醒有效输出。

2.根据权利要求1所述的智能设备，其特征在于，

所述传感器模块包括多个，用于进行养分、温度、水分、空气、光照和pH值信号的采样，以监控菌菇的生长环境。

3.根据权利要求1所述的智能设备，其特征在于，所述传感器模块完成如下操作：

启动后尝试读取传感器信号，通过校验码判断读取的数据是否正确，正确则读取数据，当读取数据的次数大于设定阈值时，数据正确则传输给微控制器模块，否则发出报警信号。

4.根据权利要求1所述的智能设备，其特征在于，

Sigfox收发器模块通过SPI接口与微控制器模块连接，并通过SPI指令来控制信令的收发。

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