CN114928625A - 基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统及其算法 - Google Patents

基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统及其算法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统及其算法，所述系统包括：解码传感器主机、信号隔离中继、解码传感器、传感器；所述解码传感器主机还包括解码云栈，所述解码云栈与所述解码传感器之间通过共用信号和电源两根电力线进行连接，所述解码传感器与所述传感器之间通过一条电源及信号线连接。本发明提供的随机算法供电的解码传感器系统，大大降低了项目的施工难度以及后期的维护难度，同时大大增强了后期扩展性，可以在保证传输距离的同时减少了通信运输过程的损耗。

Description

基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统及其算法
技术领域
本发明涉及大田农业物联网技术领域，特别涉及一种面向大范围农业的传感器供电技术，更具体地涉及一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统及其随机算法。
背景技术
随着物联网应用的快速落地，传感器数据采集种类变得越来越丰富，数量变得越来越大。目前物联网数据采集分为以下三种模式：
(1)采集网关给数量较少的传感器供电，通过模拟量信号采集传感器数据；
(2)采集网关给数量较少的传感器供电，通过RS485总线的方式采集传感器数据；
(3)传感器数量较多，传感器由外部电源单独供电，采集网关通过RS485总线的方式采集传感器数据。
以上三种模式分别具有如下缺点：
第(1)种方法采集网关只能连接并采集数量有限的传感器，因为采集网关只能提供有限的电源和有限的模拟量接口；
第(2)种方法相对于第一种方法将传感器的接口由模拟量变成数字量，方便通过总线扩展更多的总线传感器，但是传感器的数量不能明显增加，因为传感器的电源由采集网关提供；
第(3)种方法相对于第二种方法对传感器供电进行了优化，在总线上分点增加电源供给，采集网关只负责数据通信不负责传感器供电，这样优化后总线上可以接更多的传感器，通信距离可以延长到1km左右，但是中间需要提供传感器电源供给，往往一般应用场景只有控制器旁边有电源，所以要从控制器接AC220V电源到中间供电位置，然后变压成直流电源给传感器。所以这种方法存在电源安全隐患的问题以及极限通信距离不能达到1km以上。
基于以上现有技术的缺陷，提出一种供电少且稳定传输距离较长的方案是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统及其算法，所述系统包括：解码传感器主机、信号隔离中继、解码传感器、传感器，所述解码传感器主机还包括解码云栈，所述解码云栈与所述解码传感器之间通过共用信号和电源两根电力线进行连接，所述解码传感器与所述传感器之间通过一条电源及信号线连接。本发明提供的随机算法供电的解码传感器系统，大大降低了项目的施工难度以及后期的维护难度，同时大大增强了后期扩展性，可以在保证传输距离的同时减少了通信运输过程的损耗。
为了达到上述目的，一方面，本发明通过提供一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统，包括：解码传感器主机、信号隔离中继、解码传感器、传感器；所述解码传感器主机还包括解码云栈，所述解码云栈与所述解码传感器之间通过共用信号和电源的两根电力线进行连接，并通过随机算法控制决定是否要打开或关闭传感器电源，所述解码传感器与所述传感器之间通过一条电源及信号线连接。
作为优选，所述解码云栈在电力线上面的输出电压为DC36V。本发明中解码云栈相当于采集主机，解码传感器相当于采集节点，解码云栈通过随机供电算法控制电力线总线上面同时供电的传感器数量，尚未给传感器供电的解码传感器会缓存最后一次给传感器供电时读取的传感器数据，直至下一次给传感器供电后刷新缓存数据；解码传感器将数字信号通过电力线载波芯片编码到DC36V电源上面。解码传感器会实时解码电力线上面的数据，变成数字信号，当解码云栈需要访问当前解码传感器时，解码传感器会将与自己连接的传感器数据通过电力线再传输给解码云栈；每个解码传感器给与其连接的传感器供电的算法受解码云栈控制，解码云栈会将算法的运行结果通过通信协议交互发送给解码传感器，解码传感器在得到控制命令后来控制传感器是否供电。
作为优选，本发明系统通信传输距离范围为0～6km，至少可达到0～4km。
作为优选，本发明系统的所述解码云栈还包括读取模块，计时器模块和通信模块。
更优的，所述解码云栈通过所述通信模块将数字信号通过电力线载波芯片编码到DC36V电源上面实现与所述解码传感器进行通信。
作为优选，本发明系统的所述解码传感器可以控制与其相连的传感器的电源，当传感器不需要供电的时候，解码传感器会关闭传感器的电源。
更优的，所述解码传感器将实时解码电力线上面的数据，变成数字信号与自身所连接的传感器进行通讯，且每个解码传感器都有独自的编码ID。
更优的，所述解码传感器采用了stm32L010C6T6芯片作为主采控芯片，通过RS485四芯线与传感器连接。
作为优选，本发明系统所述信号隔离中继具有增加通信距离的功能且无需外部供电。
另一方面，本发明提供了上述基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统的随机算法，其特征在于，包括：
所述解码云栈通过读取模块读取所述解码传感器列表，通过随机抽取N个所述传感器并通过所述通信模块打上供电标签，同时计时器模块开始计时，在规定时间t内，对应抽取的N个传感器打开传感器电源并且采集最新传感器数据；当超过规定时间t后，所述解码云栈通过通信模块对N个传感器打上断电标签，并从传感器中另外重新抽取N个传感器打上供电标签进行采集工作。
作为优选，在所述解码传感器打上断电标签后，随机算法会将这几个数字从数组里面剥离，继续随机出来相同数量的数字，直至整个数组为空，代表一个完整的供电周期结束。
本发明提供的技术方案至少具备以下有益技术效果：
(1)采用解码传感器实现大面积数据采集：本申发明的一种大田基于随机算法供电的解码传感器系统及其算法，通过两根线实现远距离、大量传感器的数据采集，且总线上面可以有多个分叉点，大大降低了项目的施工难度以及后期的维护难度，同时大大增强了后期扩展性，解码传感器接在总线上是无极性的，不区分电源的正负，进一步降低了项目的实施难度；
(2)解码传感器具有低功耗特性：本发明通过两个方面实现了低功耗的表现。首先，解码传感器自身采用的是超低功耗的处理器，采用的是cotex M0+内核的处理器，其保证了解码传感器本身静态功耗很低；其次，解码传感器可以控制与其相连的传感器的电源，当传感器不需要供电的时候，解码传感器会关闭传感器的电源，尽量降低整个系统的功耗；
(3)解码云栈具有随机算法控制解码传感器连接的传感器供电：当总线距离比较远，总线上接的解码传感器比较多的时候，所有的传感器不能同时供电，否则总线压降会很大，而导致电力线通信出现误码或乱码。解码云栈是所有解码传感器的网关，它通过随机算法来控制在总线上面同一时刻最多有固定传感器处于供电，并且在一个采集周期中该算法可以保证所有传感器都供过电，解码传感器都获取过对应传感器的数据；
(4)信号隔离中继具有增加通信距离的功能且无需外部供电：信号隔离中继可以让总线通信距离从之前的2km增加到4km，并且其不需要外部电源供电。信号隔离中继是一个双向的信号增强器，其核心原理是当电力线信号比较弱的时候，通过电力线芯片将电力信号恢复成数字信号后再从新编码发送到电力线上面。信号隔离中继支持二级中继，使得通信距离可以超过4km。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个优选实施例的基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统的框架图；
图2为本发明一个优选实施例的基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统的解码云栈软件实现流程图；
图3为本发明一个优选实施例的基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统的信号隔离中继构架图；
图4为本发明一个优选实施例的基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统的解码云栈随机算法控制传感器供电软件流程图。
具体实施方式
请参见图1，为本发明系统的框架图：
通过提供一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统，包括：解码传感器主机、信号隔离中继、解码传感器、传感器，所述解码传感器主机还包括解码云栈，所述解码云栈与所述解码传感器之间通过共用信号和电源两根电力线进行连接，并通过随机算法控制决定是否要打开或关闭传感器电源，所述解码云栈在电力线上面的输出电压为DC36V，所述解码传感器与所述传感器之间通过一条电源及信号线连接。
本发明中解码云栈相当于采集主机，解码传感器相当于采集节点，解码云栈通过随机供电算法控制电力线总线上面同时供电的传感器数量，尚未给传感器供电的解码传感器会缓存最后一次给传感器供电时读取的传感器数据，直至下一次给传感器供电后刷新缓存数据；解码传感器将数字信号通过电力线载波芯片编码到DC36V电源上面。解码传感器会实时解码电力线上面的数据，变成数字信号，当解码云栈需要访问当前解码传感器时，解码传感器会将与自己连接的传感器数据通过电力线再传输给解码云栈；每个解码传感器给与其连接的传感器供电的算法受解码云栈控制，解码云栈会将算法的运行结果通过通信协议交互发送给解码传感器，解码传感器在得到控制命令后来控制传感器是否供电。
本发明系统通信传输距离范围至少可达到4km。
本发明系统所述解码云栈还包括读取模块，计时器模块和通信模块。
所述解码云栈通过所述通信模块将数字信号通过电力线载波芯片编码到DC36V电源上面实现与所述解码传感器进行通信。
本发明系统的所述解码传感器可以控制与其相连的传感器的电源，当传感器不需要供电的时候，解码传感器会关闭传感器的电源。
所述解码传感器将实时解码电力线上面的数据，变成数字信号与自身所连接的传感器进行通讯，且每个解码传感器都有独自的编码ID。
所述解码传感器采用了stm32L010C6T6芯片作为主采控芯片，通过RS485四芯线与传感器连接。
本发明系统的所述信号隔离中继具有增加通信距离的功能且无需外部供电。
请参见图2，解码云栈软件实现流程图：
在一实施例中，解码云栈本地配置了解码传感器的列表，每个解码传感器有自己唯一的ID，解码云栈会不停地周期的询问每个解码传感器的数据，被询问的解码传感器会将最新的传感器数据进行上报。由于解码云栈下面可能接几十个甚至上百个解码传感器及传感器，而传感器都有一定的功耗，所以传感器不能同时供电，否则解码云栈的输出电压会被拉低而导致电力线载波数据容易出现误码或无法进行数据传输。所以在解码云栈的主动轮询的过程中，有特定的随机供电算法会控制电力线总线上面同时供电的传感器数量。那些没有给传感器供电的解码传感器会缓存最后一次给传感器供电时读取的传感器数据，直至下一次给传感器供电后刷新缓存数据。
此外，解码传感器是连接解码云栈和传感器之间的桥梁。解码传感器通过电力线和解码云栈连接，解码器通过RS485四芯线同传感器连接。系统要能够达到传输距离2km及以上的性能，解码传感器的功耗是很关键的因素。如果解码传感器的功耗太大的话，整个总线上面的静态功耗就比较大，会导致总线的电流随之增大，那么总线的压降就增大，最终导致传输距离达不到离线的值。本系统中的解码传感器采用了stm32L010C6T6芯片作为主采控芯片，该芯片具有运行功耗较低的特性，正常运行功耗为76uA/MHz。其正常运行主频是32MHz，由于解码传感器的功耗相比逻辑对整个系统而言更重要，所以在实现的时候，通过降低MCU的运行主频，控制解码传感器的功耗。最终，我们控制MCU运行的主频为2MHz，其静态功耗在3.3V/150uA。下面图片是单个解码传感器运行功耗，外部电压是36V，其运行电流是1.28mA。
在一实施例中，解码云栈输出电压为36V，总线采用的是2.5平方(指平方毫米)的线缆，总长度是2km，接100个解码传感器；第二种情况采用1.5平方的线缆，总长度是2km，接100个解码传感器。这两种情况考虑最恶劣的情况，所有解码传感器都接在总线的末端。
线缆规格 线缆长度 线缆阻值 解码器个数 电压损耗 剩余电压
2.5平方 2km 40欧姆 100 5.12V 30.88V
1.5平方 2km 48欧姆 100 6.16V 29.84V
其中电压损耗计算公式＝(解码器工作电压*解码器工作电流*解码器个数/解码云栈输出电压)*线缆阻值
从上面表格中可以看出，不论2.5平方的线，还是1.5平方的线，在接100个解码传感器在2km的末端，还剩余30V左右的电压。这个电压可以让100个传感器一部分处于供电状态，但是无法让100个传感器同时供电，所以需要通过随机算法控制同时供电的传感器个数。
从上面的实验数据得出，本发明系统的解码传感器功耗非常低，所以能支撑100个解码传感器在电力线上面同时工作。但是一般传感器功耗功耗相比解码传感器要高很多，如果100个传感器也同时供电的话，整个解码系统将无法进行电力线数据传输。所以在正常的运行过程中，需要只有一部分传感器是处于供电状态，其他传感器都处于断电状态。基于此，每个解码传感器可以控制与其连接的传感器供电状态。每个解码传感器给与其连接的传感器供电的算法受解码云栈控制，解码云栈会将算法的运行结果通过协议交互发送给解码传感器，解码传感器在得到控制命令后来控制传感器是否供电。
请参见图3，为信号隔离中继构架图：
在一实施例中，当总线传输距离超过2km的时候，解码云栈和解码器之间的通信开始出现丢包的情况，所以设计了隔离中继安装在2km的地方。其主要功能是将前2km总线上面的所有数据进行电力线解码变成数字信号，然后通过载波芯片再恢复成电力线信号发送到后面的总线上面，同样当后面2km总线有数据到达隔离中继的时候，隔离中继会将电力线信号转成数字信号再转为电力线信号发送到前面2km上面。它是一个双向的信号增强器，其核心原理是当电力线信号比较弱的时候，通过电力线芯片将电力信号恢复成数字信号后再从新编码发送。通过这种方法，解码云栈的通信距离可以从2km扩展到4km，如果进行二级中继，距离可以更远。此外信号隔离中继不需要外部电源供电，其电源从电力线总线上取电。解决了传统485信号中继需要外部电源的问题。
请参见图4，为解码云栈随机供电算法流程图，一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器算法：
由于解码传感器下面可能连接不同的传感器，不同传感器的功耗也是不一样的。在解码云栈上面可以配置同一时刻可以供电的传感器个数。在解码云栈轮询解码传感器数据的时候，会在询问的协议上面增加需要供电的标志。解码器在接收到协议数据后，通过供电标志位来决定是否要打开或关闭传感器电源。这样每个解码器对下面传感器的供电由解码云栈控制，并且个数是可配置的。
在一实施例中，假设解码云栈配置的同时供电传感器个数是N，并且解码云栈下面总计连接了M个解码传感器。开始种子数组是1到M的数组，首先从这M个数中通过随机算法选取N个数字，然后启动定时器模块用来倒计时。解码云栈在给随出N个编号的解码器发送协议的时候打上需要供电的标签，对应N个解码器在收到消息后打开传感器电源并且采集最新传感器数据。当定时器超时的时候，解码云栈在协议中再打上关闭传感器电源的标签。然后从1到M的数组中去除刚刚随机出来的N个数字，剩下的(M-N)个数字是新的随机算法种子。选择随机算法而非顺序排序的算法是因为随机算法出来的ID是随机的并且是分散的，意味着在同一时间对传感器供电的解码传感器也是分散在总线上面，这样会降低整个线缆的压降损失，并且在任意时刻，总线上面的电流是稳定不变的。
上面的随机算法一次会随机出几个数字(比如N)，解码云栈会根据这几个数字来控制对应号码ID的解码传感器进行对传感器供电。在关闭解码传感器对解码器供电后，随机种子算法会将这几个数字从种子数组里面剥离，继续随机出来相同数量的数字，直至整个种子数组为空，代表一个完整的供电周期结束。在一个完整的传感器供电周期中，每一个解码器都被选中并且对自己的传感器进行了供电和数据更新。解码云栈会循环地执行这个完整的周期。
为了使本领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应该理解，这些描述只是示例性的，并非用于限定本发明的范围。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统，其特征在于，包括：解码传感器主机、信号隔离中继、解码传感器和传感器；所述解码传感器主机还包括解码云栈，所述解码云栈与所述解码传感器之间通过共用信号和电源的两根电力线进行连接，并通过随机算法控制决定是否要打开或关闭传感器电源，所述解码传感器与所述传感器之间通过一条电源及信号线连接。
2.如权利要求1所述的一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统，其特征在于，所述解码云栈在电力线上面的输出电压为DC36V。
3.如权利要求1所述的一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统，其特征在于，所述解码云栈还包括读取模块，计时器模块和通信模块。
4.如权利要求3所述解码云栈通过所述通信模块将数字信号通过电力线载波芯片编码到DC36V电源上面实现与所述解码传感器进行通信。
5.如权利要求1所述的一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统，其特征在于，所述解码传感器可以控制与其相连的传感器的电源，当传感器不需要供电的时候，解码传感器会关闭传感器的电源。
6.如权利要求5所述解码传感器将实时解码电力线上面的数据，变成数字信号与自身所连接的传感器进行通讯，且每个解码传感器都有独自的编码ID。
7.如权利要求5所述的一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统，其特征在于，所述解码传感器采用了stm32L010C6T6芯片作为主采控芯片，通过RS485四芯线与传感器连接。
8.如权利要求1所述的一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统，其特征在于，所述信号隔离中继无需外部供电。
9.如权利要求1-8中任一项所述的一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统的随机算法，其特征在于，所述算法包括：
所述解码云栈通过读取模块读取所述解码传感器列表，通过随机抽取N个所述传感器并通过所述通信模块打上供电标签，同时计时器模块开始计时，在规定时间t内，对应抽取的N个传感器打开传感器电源并且采集最新传感器数据；当超过规定时间t后，所述解码云栈通过通信模块对N个传感器打上断电标签，并从传感器中另外重新抽取N个传感器打上供电标签进行采集工作。
10.如权利要求9所述的一种基于随机算法供电的大田农业解码传感器系统的随机算法，其特征在于，在所述解码传感器打上断电标签后，随机算法会将这几个数字从数组里面剥离，继续随机出来相同数量的数字，直至整个数组为空，代表一个完整的供电周期结束。
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