CN112104995B - 一种能够远程唤醒的菌菇生长环境监测设备和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及物联网领域，提出一种能够远程唤醒的菌菇生长环境监测设备，包括：微控制器、功能模块和射频唤醒模块，微控制器作连接到功能模块，微控制器接收来自射频唤醒模块的触发唤醒信号后，启动功能模块开始工作，与外部进行数据交互。本发明还对应提出一种能够远程唤醒的菌菇生长环境监测系统，所述系统包括所述监测设备和移动机器人，移动机器人能够发射射频信号给所述射频唤醒模块，射频唤醒模块将所述射频信号转换为唤醒信号，以唤醒所述微控制器。本发明的环境监测设备内置射频唤醒模块，平时处于完全休眠的状态，当被唤醒后再恢复工作，大大延长了设备的使用时间。

Description

一种能够远程唤醒的菌菇生长环境监测设备和系统
技术领域
本发明涉及智慧农业、物联网、移动机器人领域，尤其涉及能够远程唤醒的菌菇生长环境监测设备和系统。
背景技术
菌菇的培育对生长环境的要求非常严苛，菌菇生长的养分、温度、水分、空气、光照、pH值等的变化都必须保持在一个比较有限的范围内，才能培育出品质优良的菌菇。菌菇培育的这一特点导致对于菌菇生长环境参数的监控必须经常处于工作状态，但长时间的工作又会导致监控终端设备的功耗增加。菌菇生长的环境中，需要布设大量的监测终端，采用有线供电的方式不符合现场的实际情况。因此只能采用电池供电的方式，为在有限的电池容量下使得检测设备的寿命达到最大化，常用的解决方案是给标签设定一个定时唤醒机制。但唤醒的时间间隔不能过长，否则不能及时响应读头，这样不论读头有无读取信息需求，设备都在发送数据、消耗能量。另外定时唤醒需要时钟电路工作，意味着设备不能进入彻底休眠状态。因此定时唤醒不能达到最佳的节能效果。
发明内容
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，本发明提出了一种基于移动机器人远程唤醒的菌菇生长环境监测设备。利用移动机器人做远程唤醒，让检测设备只在需要的时间工作来采集数据，其他时间则保持关机状态，从而实现了菌菇培育应用环境的检测设备低功耗的要求，保障了设备的长时间运行而无需供电。
本发明的基于移动机器人远程唤醒的菌菇生长环境监测设备包括：微控制器、功能模块和射频唤醒模块，微控制器作连接到功能模块，微控制器接收来自射频唤醒模块的触发唤醒信号后，启动功能模块开始工作，与外部进行数据交互。
对应的，本发明还提出一种基于移动机器人远程唤醒的菌菇生长环境监测系统，包括：环境监测设备和移动机器人，
环境监测设备包括：微控制器、功能模块和射频唤醒模块，微控制器作连接到功能模块，微控制器接收来自射频唤醒模块的触发唤醒信号后，启动功能模块开始工作，与移动机器人进行数据交互；
移动机器人，其能够发射射频信号给所述射频唤醒模块，射频唤醒模块将所述射频信号转换为唤醒信号，以唤醒所述微控制器。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
1.内置射频唤醒模块，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。
2.与移动机器人配合，通过移动机器人载的射频发射模块作为唤醒信号，协调终端设备与移动机器人的工作时间，避免了无效的工作能耗。
3.监测设备仅在移动机器人临近时进行唤醒后的数据传输，可以减少发射功率的消耗，延长使用寿命。
4.设备可支持长距离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。
5.内置数据存储功能，可以在无网络的环境下进行工作，待下一次唤醒时再将数据上传移动机器人或数据中心，实现了数据的异步传输。
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为本发明的设备的应用场景的结构框图。
图2为监测设备终端硬件系统框图。
图3为移动机器人载射频发射模块系统硬件框图。
图4为监测设备的一个实施方式的电路图。
图5为移动机器人的射频发射端的一个实施方式的电路图。
图6为移动机器人的射频发射端的工作流程图。
图7为监测设备的工作流程图。
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。
图1显示了系统原理图，该系统中使用了本发明的监测设备。所述系统包括监测设备和移动机器人所载的读头端(即射频发射模块)。监测设备包括微控制器、射频唤醒模块、功能模块(实现其他功能)等。微控制器作为设备终端侧的控制核心，连接功能模块，接收来自射频唤醒模块的触发唤醒信号后，启动开始工作，与移动机器人进行数据交互。
移动机器人载有射频发射模块，射频发射模块连接到微控制器，该微控制器与控制器接口相连接。监控中心可以通过该控制器接口向微控制器发送指令，微控制器操作射频发射模块发出高功率射频信号，以远程唤醒远程监测终端设备，通知该终端设备将采集的环境数据发回移动机器人或者监控中心。
图2显示了监测设备的结构。本发明的监测设备包括微控制器、射频唤醒模块、无线通信模块、电源管理模块、内置电池、外围设备接口以及多个传感器。
微控制器为监测设备的控制核心，与射频唤醒模块连接，接收射频唤醒模块的唤醒信号。微控制器负责整个监测设备的控制以及算法，兼有数据处理存储的功能，能够在没有网络传输的情况下保存一段时间的来自传感器的环境数据。
射频唤醒接收模块可检测到有满足协议的15K～125KHz的射频信号，产生动作唤醒微控制器。射频唤醒模块通过射频线圈(天线)接收来自移动机器人载的射频发射端的射频信号，将其转换为唤醒信号，以唤醒微控制器。微控制器唤醒后，通过外围设备接口采集传感器数据，并通过无线通信通信模块发送给移动机器人或者监控中心。外围设备接口包括UART、USB、LAN、IO、SPI等不同的通信协议方式，不断轮询传感器的数据，并将数据传给微控制器进行处理。
电源管理模块连接内置电池，给监测设备的各个模块提供电能，并且支持不同能耗的工作模式，如工作，发射，空闲，休眠，断电等。
传感器通过接口连接微控制器，根据不同的传感器类型采集菌菇生长的环境环境要素，如养分、温度、水分、空气、光照、pH值等。
无线通信模块，连接到微控制器，可以进行远距离通信，通信距离可达3～10～公里。
终端设备的硬件电路被封装在由ABS或PC等防腐材料构成的壳体之中，保证内部电路的稳定运行。
图3显示了移动机器人的读头端的结构框图。移动机器人包括微控制器，无线通信模块、射频发射模块、电源管理模块以及控制器接口，所述控制器接口用于连接外部设备。
微控制器负责对无线通信模块、射频信号发射模块的控制及与通过接口上位机(移动机器人控制器)的通讯。无线通信模块负责与监测设备的数据通信。射频发射模块产生15k～125KHz的射频信号，以唤醒监测设备。
射频发射模块通过一个“单线双向”接口(DIO pin)，由微控制器控制，配合天线线圈发射15K～125KHz射频载波传送数据和能量。芯片的工作电压为8～24V。它内部包含了一个VCO(压控振荡器)给接口逻辑门电路和门驱动逻辑电路提供时钟。当天线半桥处于非激活状态时VCO工作在自振荡模式。当天线半桥处于激活状态时，VCO工作在谐振跟踪模式——通过检测天线LC电路自身谐振时的电流过零点产生VCO的时钟频率。芯片驱动天线线圈的峰值电流是可调的，峰值电流最大可以达到1.5A。可以根据实际需要调整外部电阻阻值使得天线发射不同功率。
图4显示了监测设备的一个实施方式的电路图。该电路图的主要元件包括微控制器，低频唤醒接收器，单刀双掷模拟开关，低压稳压器等。微控制器负责配置其他元件的状态设置，与其他单元进行数据通讯，并进行数据。低频唤醒接收器通过射频通道接受低频唤醒信号，并将唤醒信号输出到其他元器件。模拟开关负责关断和接通电路。低压稳压器对电路供电进行调节，消除电路文波，保持电压稳定。
图5显示了移动机器人的一个实施方式的电路图。该电路的主要元件包括低频信号发射器和微控制器。低频信号发射器通过一个“单线双向”接口由外部微控制器控制，并配合天线线圈发射低频载波传送数据和能量。它内部包含了一个压控振荡器给接口逻辑门电路和门驱动逻辑电路提供时钟。当天线半桥处于非激活状态时，压控振荡器工作在自振荡模式；当天线半桥处于激活状态时，压控振荡器工作在谐振跟踪模式。通过检测天线电路自身谐振时的电流过零点产生压控振荡器的时钟频率。芯片驱动天线线圈的峰值电流是可调的，可以根据实际需要调整外部电阻阻值使得天线发射不同功率。此外低频信号发射器还整合了电路诊断和自保护功能。如果发送的序列正常，它将在数据发送结束后给出一个负脉冲。在发送过程中，如果检测到有下面三种情况，则认为有错误：a)供电电压小于6.5V；b)谐振频率不在80kHz和150Khz之间；c)天线电流超出设定范围10％。一旦发生错误，它会在发送完后给出一个负脉冲。电路会在电压超过或芯片过热情况下，启动自保护。
图6显示了移动机器人的射频发射端的工作流程图。移动机器人载射频发射端的微控制器上电后初始化，P1.7和P1.6设为推挽输出模式。P1.7在微控制器不工作时一直保持低电平。对应DIO为高电平。P2.7设为输入模式，用于捕获DIO反馈的确认信号。在数据发送完后延时大约15ms，开启CCU捕获中断，在中断服务程序内分别记下信号的下降沿和上升沿的时间，然后通过这个时间差确认在前面发送数据过程中是否出现错误。LED亮灯一次表示发送无误。
图7显示了监测设备的工作流程图。微控制器上电后完成对I/O的配置：P1.0输入，下降沿中断使能；P1.1为输入；P1.2给一个正脉冲使射频唤醒模块初始化。完成以上操作后进入LPM4模式(可以唤醒的中断源，外部中断)。一旦射频唤醒模块的N-Wake-UP有下降沿触发微控制器中断，则微控制器在中断服务程序中完成对N_Data的读取。完成后，经P1.2给射频唤醒模块一个正脉冲Reset，使其进入待机侦听模式，退出中断服务程序后，微控制器回到LPM4等待下一次唤醒。
本发明通过实现一个内置射频唤醒模块的监测终端设备，并配合移动机器人载的射频发射模块及其控制电路，共同组成了一套应用于菌菇培育环境中的低功耗无线数据采集系统。能够通过射频唤醒功能，使得监测设备仅在需要时进行工作，其余时间都保持在关断的省电状态，可以大大延长终端设备的使用寿命，同时可以缩小终端设备体积，简化电路设计。终端设备内置存储器，在网络通信不具备的情况下也能保持数据不丢失和长时间的工作的能力，可以有效的进行菌菇生长环境的数据监控。
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 (3)

1.一种基于移动机器人远程唤醒的菌菇生长环境监测系统，其特征在于，包括：环境监测设备和移动机器人，
环境监测设备包括：微控制器、功能模块和射频唤醒模块，微控制器作连接到功能模块，微控制器接收来自射频唤醒模块的触发唤醒信号后，启动功能模块开始工作，与移动机器人进行数据交互；
移动机器人能够发射射频信号给所述射频唤醒模块，射频唤醒模块将所述射频信号转换为唤醒信号，以唤醒所述微控制器；
射频唤醒模块检测到来自移动机器人的满足要求的射频信号，产生动作唤醒微控制器；
移动机器人包括：低频信号发射器、微控制器、天线线圈和压控振荡器，低频信号发射器通过单线双向接口由外部微控制器控制，并配合天线线圈发射低频载波传送数据和能量；通过检测天线电路自身谐振时的电流过零点产生压控振荡器的时钟频率；当天线半桥处于非激活状态时，压控振荡器工作在自振荡模式；当天线半桥处于激活状态时，压控振荡器工作在谐振跟踪模式。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环境监测设备还包括：
无线通信模块，其用于使得该设备与移动机器人进行通信；
电源管理模块，其连接到内置电池，给监测设备的各个模块提供电；
外围设备接口，其连接到微控制器，用于微控制器与多个传感器通信；
多个传感器，其用于采集菌菇生长的环境要素。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述射频唤醒模块为低频唤醒接收器，低频唤醒接收器通过射频通道接收来自移动机器人的低频唤醒信号，并将唤醒信号输出到微控制器。
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