CN113630856A - 一种基于低功耗的无线传感器节点 - Google Patents

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李宜昕
杨静宇
刘智勇
魏宇航
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李�远
张毅
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Abstract

本发明为一种基于低功耗的无线传感器节点，本产品由盒盖和盒体两部分组成。其中太阳能发电板和太阳能充电控制器设置在透明盒盖下方。传感器保护罩和天线设置在盒体外部；锂电池、单片机模块、LoRa射频模块、传感器模块插口、调试接口设置在产品电路板上。传感器模块放置在传感器保护罩当中，传感器模块由连线与电路板相连，插在传感器模块插口上。本发明在结合LoRaWAN远程通信技术，设计一种基于LoRa的低功耗传感器节点，借助设置的低功耗程序和太阳能发电板可以持续运行，实现长时间无人监测。

Description

一种基于低功耗的无线传感器节点
技术领域
本专利涉及传感器监测系统，特别涉及一种基于低功耗的无线传感器节点。
背景技术
智慧农业是农业中的智慧经济，或智慧经济形态在农业中的具体表现。智慧农业作为现代化农业进程中重要组成部分，是农业现代化发展的必然趋势。
使用现代农业装备，监测和智能适调农业生产环境以满足农作物生长的需求。例如：市场上具有的是以PLC和传感器技术为核心，适应现代农业发展的要求，实现了现代农业生产环境的智能化监控。该智能监控系统的缺点是：利用PLC作为主控制器，主控制器成本较高；安装和维护不方便，无法满足大棚中功能性农业监测控制系统，也无法满足使用需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明为一种基于低功耗的无线传感器节点，其技术方案为：
包括盒体和安装在盒体上的盒盖，在盒体外设有天线和传感器保护罩，在盒体内安装电路板，传感器保护罩内安装传感器模块，单片机模块、锂电池、LoRa射频模块、调试接口和传感器模块插口均布置在电路板上，天线通过连线与LoRa射频模块相连，传感器模块通过连线与传感器模块插口相连；在盒盖内上表面安装太阳能发电板和太阳能充电控制器，并分别通过连线与电路板相连，并与锂电池供电。
进一步地，所述传感器模块包括等效二氧化碳和挥发性有机物检测模块、温湿度检测模块和大气压强检测模块。
进一步地，所述锂电池分别与单片机模块、LoRa射频模块和传感器模块电连接，传感器模块的输出端与单片机模块的输入端相连，单片机模块的输出端与LoRa射频模块的输入端相连，LoRa射频模块的输出端与单片机模块的输入端相连。
进一步地，所述单片机模块为带有闹钟唤醒功能RTC模块的STM32L151CBUxA单片机。
进一步地，所述等效二氧化碳和挥发性有机物检测模块采用CCS811检测模块，等效二氧化碳ECO2范围为400ppm~50000ppm；挥发性有机物VOC监测范围为0ppb~1000ppb；温湿度检测模块采用HTU21D检测模块，温度监测范围为-40℃~105℃，湿度监测范围为0%RH~100%RH；大气压强检测模块采用BMP280模块，大气压强监测范围为300hPa~1100hPa；
进一步地，所述太阳能充电控制器采用带有CN3791芯片的6V太阳能充电管理模块，锂电池5采用10440锂电池。
进一步地，LoRa射频模块以无线的方式与LoRa网关相连，LoRa网关与网络服务器相连。
进一步地，利用一种基于低功耗的无线传感器节点，其操作步骤如下：
步骤一，对传感器模块进行初始化，使其进入入网模式；
步骤二，传感器模块自动开始寻找可用网络，并把入网信息发送到网络服务器；
步骤三，网络服务器确定入网信息后，把成功入网的信息发送给传感器模块；
步骤四，传感器模块接受到网络服务器发来的成功入网的信息后，进入循环发送模式；每次发送完成后随即进入休眠模式，最大程度的减少系统的功耗；
步骤五，把传感器模块放置在需要监测场景的合适位置即可自动对环境进行监测。
本发明的有益效果为:本发明为一种基于低功耗的无线传感器节点，综合应用现代信息技术，集成应用计算机网络技术、物联网技术、传感器模块检测技术及无线通信技术，实现农业远程诊断、智能管理。运用诸多感知模块，设置多个传感器动态化监测，大棚中的温度、湿度、气体浓度、光照等指标，使用传感器对智慧大棚中的气体环境等数据进行监测，以此节约能源和减少成本消耗。运用物联网技术，实时感知并获取前端信息，以此动态监测农业的种植环境，同时进行实时汇集并传输信息数据，保障后续工作的顺利开展，实现农业生产高度的智能化、精细化和高效化。本发明体积小，安装灵活，维护方便，便于农业化大范围使用。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为本发明电路连接图；
图3为本发明整体结构示意图；
图4为图3中盒体内部结构示意图；
图5为图3中盒盖背部结构示意图；
如图所示，1透明盒盖，2不透明盒体，3传感器保护罩，4太阳能发电板，5锂电池，6单片机模块，7LoRa射频模块，8传感器模块插口，9调试接口，10太阳能充电控制器，11传感器模块，12天线。
具体实施方式
如图所示，本发明为一种基于低功耗的无线传感器节点，其目的是用于监测农田等场景的环境状况的设备。
包括透明盒盖1、不透明盒体2、传感器保护罩3、太阳能发电板4、锂电池5、单片机模块6、LoRa射频模块（又称为：LoRa射频芯片）7、传感器模块插口8、调试接口9、太阳能充电控制器10、传感器模块11和天线12。透明盒盖为平面，其四个角上分别有螺丝孔，太阳能发电板和太阳能充电控制器均设置在透明盒盖内上表面，太阳能发电板朝向外，用于接收光源，太阳能发电板和太阳能充电控制器通过灌胶方式固定在透明盒盖上，并通过连线与盒体内的电路板相连，并为锂电池5供电。太阳能充电控制器10采用带有CN3791芯片的6V太阳能管理模块，锂电池5采用10440锂电池。太阳能充电控制器使用MPPT（最大功率点跟踪）算法对阳光照射充电过程进行优化使其效率尽可能达到最高并且防止锂电池过放。
盒体为正方体或者长方体，其顶部开口，其上表面四个角上分别设有螺丝孔，与透明盒盖上的螺丝孔相互对应，通过螺母将两者固定在一起。在盒体本体的右侧和下部分别设有圆孔，右侧用于安装天线，下部用于安装传感器保护罩，天线和传感器保护罩设置在盒体外部；盒体内安装电路板，单片机模块、锂电池、LoRa射频模块、调试接口和传感器模块插口均布置在电路板上，天线通过连线与LoRa射频模块相连，LoRa射频模块具备接受数据包、产生中断的功能；传感器模块通过连线与传感器模块插口相连；传感器模块安装在传感器保护罩内，传感器模块用于收集数据并将数据传递给单片机模块，其中传感器模块包括等效二氧化碳（ECO2）、挥发性有机物（VOC）检测模块、温湿度检测模块和大气压强检测模块，等效二氧化碳（ECO2）和挥发性有机物（VOC）检测模块采用CCS811检测模块，等效二氧化碳ECO2范围为400ppm~50000ppm；挥发性有机物VOC监测范围为0ppb~1000ppb；温湿度检测模块采用HTU21D检测模块，温度监测范围为-40℃~105℃，湿度监测范围为0%RH~100%RH；大气压强检测模块采用BMP280模块，大气压强监测范围为300hPa~1100hPa。
进一步地，单片机模块6为带有闹钟唤醒功能RTC模块的STM32L151CBUxA单片机；
本发明具有以下优点:
LoRa网关通过拓频技术实现远距离数据传输，加大了整个系统的通讯距离。采用LoRa远距离通信技术，拥有良好的抗干扰能力覆盖范围可达15km。并可根据用户需求灵活部署，不需要设置额外的机房。本发明体积小，安装时不需额外配置挂杆等设备。只需把本设备分布需监测场景的各合适位置并尽可能的让太阳能发电板朝向阳光方向即可。
本发明采用锂电池供电并配备有太阳能发电板，在阳光条件较好的情况下可自行充电，且设计有太阳能充电管理模块可对锂电池充电过程进行管理。
本发明有良好的防水密封设计。在盒盖与盒体中间设计有隔热的密封胶层，以保证在温度、湿度过高、温差较大等恶劣环境下都可正常使用。
本发明的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，对传感器进行初始化，使其进入入网模式；
步骤二，传感器自动开始寻找可用网络，并把入网信息发送到网络服务器；
步骤三，网络服务器确定入网信息后，把成功入网的信息发送给传感器；
步骤四，传感器接受到网络服务器发来的成功入网的信息后，进入循环发送模式。每次发送完成后随即进入休眠模式，最大程度的减少系统的功耗；
步骤五，把传感器放置在需要监测场景的合适位置即可自动对环境进行监测。
本发明低功耗程序实施方式为：
传感器开机后初始化，然后请求入网，随即进入休眠模式，当有中断时唤醒。中断分为基带唤醒和RTC闹钟唤醒。如果为RTC闹钟唤醒则进入发射模式，然后进入休眠状态。如果为基带唤醒，则再次进行判断：如果入网成功则发送数据，然后进入休眠状态；如果是收包，则判断是否应答成功，然后进入休眠状态；
单片机模块6使用链表数据结构用于对RTC复用操作，使其虚拟成多个定时器。
将RTC闹钟中断作为每一个定时器的中断源，每次单片机被闹钟中断从低功耗状态唤醒，单片机便开始轮询链表，对比各虚拟定时器和检查当前RTC唤醒与上次RTC唤醒间隔时长，并执行到定时时长的虚拟定时器的中断服务函数。
登记初始化过程向链表里添加定时时长、句柄、服务函数。
首先RTC闹钟唤醒，查看定时器上次到本次时长，根据时长查表，查看哪个计时器时长减到0，执行句柄所对应的服务函数，然后再次设置闹钟，最后结束。
使用一个链表存储用于每个虚拟定时器的句柄和中断服务函数。
使用链表数据结构用于对RTC复用操作，使其虚拟成多个定时器。
上述对使用链表数据结构用于对RTC复用操作，使其虚拟成多个定时器的操作，用于替代单片机内传统的定时器，使整个系统的休眠功耗降低到较低水平。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种基于低功耗的无线传感器节点，包括盒体和安装在盒体上的盒盖，其特征在于，在盒体外设有天线和传感器保护罩，在盒体内安装电路板，传感器保护罩内安装传感器模块，单片机模块、锂电池、LoRa射频模块、调试接口和传感器模块插口均布置在电路板上，天线通过连线与LoRa射频模块相连，传感器模块通过连线与传感器模块插口相连；在盒盖内上表面安装太阳能发电板和太阳能充电控制器，并分别通过连线与电路板相连，并与锂电池供电。
2.如权利要求1所述的一种基于低功耗的无线传感器节点，其特征在于，所述传感器模块包括等效二氧化碳和挥发性有机物检测模块、温湿度检测模块和大气压强检测模块。
3.如权利要求1所述的一种基于低功耗的无线传感器节点，其特征在于，所述锂电池分别与单片机模块、LoRa射频模块和传感器模块电连接，传感器模块的输出端与单片机模块的输入端相连，单片机模块的输出端与LoRa射频模块的输入端相连，LoRa射频模块的输出端与单片机模块的输入端相连。
4.如权利要求3所述的一种基于低功耗的无线传感器节点，其特征在于，所述单片机模块为带有闹钟唤醒功能RTC模块的STM32L151CBUxA单片机。
5.如权利要求2所述的一种基于低功耗的无线传感器节点，其特征在于，所述等效二氧化碳和挥发性有机物检测模块采用CCS811检测模块，等效二氧化碳ECO2范围为400ppm~50000ppm；挥发性有机物VOC监测范围为0ppb~1000ppb；温湿度检测模块采用HTU21D检测模块，温度监测范围为-40℃~105℃，湿度监测范围为0%RH~100%RH；大气压强检测模块采用BMP280模块，大气压强监测范围为300hPa~1100hPa；
如权利要求1所述的一种基于低功耗的无线传感器节点，其特征在于，所述太阳能充电控制器采用带有CN3791芯片的6V太阳能管理模块，锂电池5采用10440锂电池。
6.如权利要求1所述的一种基于低功耗的无线传感器节点，其特征在于，LoRa射频模块的输出端与LoRa网关相连，LoRa网关与网络服务器相连。
7.利用如权利要求7所述的一种基于低功耗的无线传感器节点，其操作步骤如下：
步骤一，对传感器模块进行复位，使其进入入网模式；
步骤二，传感器模块自动开始寻找可用网络，并把入网信息发送到网络服务器；
步骤三，网络服务器确定入网信息后，把成功入网的信息发送给传感器模块；
步骤四，传感器模块接受到网络服务器发来的成功入网的信息后，进入循环发送模式；每次发送完成后随即进入休眠模式，最大程度的减少系统的功耗；
步骤五，把传感器模块放置在需要监测场景的合适位置即可自动对环境进行监测。
CN202111072724.3A 2021-09-14 2021-09-14 一种基于低功耗的无线传感器节点 Withdrawn CN113630856A (zh)

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CN115237182A (zh) * 2022-07-29 2022-10-25 大连世有电力科技有限公司 一种低功耗无线通讯的变压器温控系统

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