CN203689670U

CN203689670U - 一种用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点

Info

Publication number: CN203689670U
Application number: CN201420010361.XU
Authority: CN
Inventors: 刘刚; 张传帅; 张天蛟; 张漫; 王辉; 于亮亮
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2024-01-07

Abstract

本实用新型公开了一种用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点，包括：微控制器模块、无线传输模块、太阳能管理模块、电池供电管理模块、电压监控模块、供电模块和传感器控制模块。

Description

一种用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点

技术领域

本实用新型涉及环境信息采集技术领域，特别涉及一种用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点。

背景技术

我国的温室设施面积位列世界第一，但温室种植现代化水平却很落后。随着我国温室产业化进程的加快，准确快速的获取环境信息成为现代温室生产中的重要研究内容，远程、快速、低成本获取环境信息是温室精细化管理的一个研究难题。温室群生产管理中，温室管理者需要实时了解各个温室内环境信息，温室环境信息主要有温室环境温湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤水分含量、土壤温度、土壤盐分含量。

现有的温室环境信息的远程监测节点主要使用外接电池或者外接直流电源供电，采集单一环境信息。

现有的温室环境信息的远程监测节点存在的问题是：使用外接电池供电，供电时间和供电电流受限制；使用外接电池或者外接电源供电，供电模式单一；没有采取低功耗控制，浪费了电量，降低了节点寿命；采集单一的环境信息，不能全面的反映温室中的环境，不能满足温室管理者需求；设备无线传输距离太小，不能在温室环境中保证信息传输质量；使用的芯片器件功耗太大，不利于节点的长时间工作。

实用新型内容

（一）要解决的技术问题

本实用新型所要解决的技术问题是：现有节点供电模式单一、采集环境信息单一、无线传输距离较近且功耗较高。

（二）技术方案

为了解决上述现有技术的问题，本实用新型提出一种用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点，包括：微控制器模块、无线传输模块、太阳能管理模块、电池供电管理模块、电压监控模块、供电模块和传感器控制模块；

所述无线传输模块与所述微控制器模块相连，用于实现微控制器模块和外界节点的信息传输；

所述太阳能管理模块与所述电池供电管理模块相连，用于对外接电池充电；

所述供电模块与电池供电管理模块、外接直流电源相连，用于向传感器控制模块供电；

所述电压监控模块与所述电池供电管理模块、所述供电模块相连，用于监测电池电压和供电电压的变化；

所述传感器控制模块与所述微控制器模块相连，用于微控制器模块和外部传感器的连接与信息传输。

其中，该节点进一步包括：复位模块；

所述复位模块与所述微控制器模块相连，用于实现跑飞程序回到预定初始程序，重新执行预定初始程序。

其中，该节点进一步包括：状态指示灯模块；

所述状态指示灯模块与所述微控制器模块相连，用于指示微控制器模块、无线传输模块、太阳能管理模块和传感器控制模块的工作状态。

其中，所述复位模块包括上电复位、手动复位和看门狗定时器复位。

其中，所述状态指示灯模块包括微控制器模块指示灯驱动电路、无线传输模块指示灯驱动电路、太阳能管理模块指示灯驱动电路和传感器控制模块指示灯驱动电路。

其中，所述供电模块包括：稳压单元和电压转换单元；

所述稳压单元与所述电压转换单元相连，用于向电压转换单元提供稳定的直流电压；所述电压转换单元用于将输入的直流电压转换，输出不同的直流电压。

其中，所述传感器控制模块包括：传感器电源控制单元、AD采集单元和通信接口；

其中，所述通信接口包括I2C和RS232。

其中，所述微控制器模块包括MSP430F149最小系统。

其中，所述无线传输模块包括nRF905集成模块。

其中，所述太阳能管理模块包括CN3082集成电路，所述电池供电管理模块包括升压电路和充电接口。

（三）有益效果

本实用新型提供的无线传感器节点，通过采用太阳能管理模块实现对外接电池的充电，按照电池充电规律避免了电池过度充电，提高了充电效率，延长了节点工作时间；通过采用电池供电管理模块中的升压电路实现电池电压升为稳定的直流电压；通过采用供电模块中的稳压单元和电压转换单元，可以提供不同的稳定直流电压；通过传感器控制模块中的AD采集单元和不同的通信接口实现不同环境信息的采集；通过使用无线传输模块实现和外界节点的信息传输，提高了传输距离和传输稳定性，降低了功耗。

附图说明

图1为实施例1中用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点的示意图；

图2为实施例2中用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点的示意图；

图3为实施例2中用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点的电路原理图；

图4为实施例2中用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点的工作流程图；

图5为实施例2中用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点向外界节点发送数据的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本实用新型作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本实用新型的实施例，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

本实施例公开一种用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点，如图1所示，包括：微控制器模块、无线传输模块、太阳能管理模块、电池供电管理模块、电压监控模块、供电模块和传感器控制模块；

其中，该节点进一步包括：复位模块；

其中，该节点进一步包括：状态指示灯模块；

其中，所述供电模块包括：稳压单元和电压转换单元；

其中，所述通信接口包括I2C和RS232。

其中，所述微控制器模块包括MSP430F149最小系统。

其中，所述无线传输模块包括nRF905集成模块。

实施例2

本实施例公开一种用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点，如图2所示，包括：微控制器模块CPU、433MHz无线传输模块、太阳能管理模块、电池供电管理模块、电压监控模块、供电模块和传感器控制模块、复位模块、状态指示灯模块；

所述433MHz无线传输模块与所述微控制器模块CPU相连，用于实现微控制器模块CPU和外界节点的信息传输；

所述太阳能管理模块与所述电池供电管理模块相连，用于对外接的3节5号电池充电；

所述传感器控制模块与所述微控制器模块CPU相连，用于微控制器模块CPU和外部传感器的连接与信息传输。

所述复位模块与所述微控制器模块CPU相连，用于实现跑飞程序回到预定初始程序，重新执行预定初始程序。

所述状态指示灯模块与所述微控制器模块CPU相连，用于指示微控制器模块CPU、无线传输模块、太阳能管理模块和传感器控制模块的工作状态。

其中，所述状态指示灯模块包括微控制器模块CPU指示灯驱动电路、433MHz无线传输模块指示灯驱动电路、太阳能管理模块指示灯驱动电路和传感器控制模块指示灯驱动电路。

其中，所述供电模块包括：稳压单元和电压转换单元；

所述稳压单元与所述电压转换单元相连，用于向电压转换单元提供稳定的直流电压；所述电压转换单元用于将输入的直流电压转换，输出不同的直流电压；

所述稳压单元包括1N4001、10uF钽电容、0.1uF电容；

所述电压转换单元包括L7805、LM1117-5V和LM1117-3.3V集成电路。

其中，所述传感器控制模块包括：传感器电源控制单元（ADG709集成电路）、MSP430F149自带的AD采集单元和通信接口；

其中，所述通信接口包括I2C和RS232。

其中，所述微控制器模块包括MSP430F149最小系统。

其中，所述433MHz无线传输模块包括nRF905集成模块。

其中，所述太阳能管理模块包括CN3082集成电路，所述电池供电管理模块包括MAX1797升压电路和充电接口。

本实施例公开的用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点的各部分接口连接，如图3所示：

5V/3W太阳能板通过P1接口接入CN3082引脚4，可输入4.5V到6V的直流电压；CN3082集成芯片引脚5连接电池，输出最高500mA的电流，为3节5号镍氢电池智能供电；其中CN3082引脚8用于监测电池的电压，电阻R4和R5用于设置恒流充电时的电流大小。

3节5号镍氢电池通过P4接口与电感L1串联，提供2V到4.5V的直流电压；MAX1797引脚7用于输出精准5V直流电压，通过开关SW-SPDT与LM1117-3.3V相连。

外接12V直流电源通过P1接口与1N4001二极管串联，输入6V到12V直流电压，接入L7805引脚3，通过L7805引脚2输出5V稳定直流电压，通过开关SW-SPDT与LM1117-3.3V相连。LM1117-3.3V引脚2分别于CPU引脚1、引脚64、ADG709引脚9、nRF905引脚3相连，用于提供标准的3.3V直流电压源。

复位模块包括上电复位、手动复位、看门狗定时器复位，实现在程序跑飞的情况下回到预定初始程序并顺序执行。其中，手动复位按键S1按下，会产生低电平，S1连接微控制器模块CPU引脚58，会使微控制器模块CPU复位；看门狗定时器是微控制器模块CPU软件设置的复位措施，微控制器模块CPU会定时进行喂狗操作，如果程序跑飞，没有按时进行喂狗操作，微控制器模块CPU软件触发复位。

433MHz无线传输模块通过nRF905模块实现，nRF905模块引脚1、2与5V相连，引脚3与3.3V相连、引脚9、10、17、18与地相连，引脚4、6、7、8、11、12、13、14、15、16分别于微控制器模块CPU的P21、P25、P22、P23、P50、P51、P26、P24、P22、P20相连，实现了微控制器模块CPU与433MHz无线传输模块的通信连接，微控制器模块CPU有数据要发送时，设置nRF905进入Standby模式，将发送地址和数据内容写入NRF905；微控制器模块CPU置高NRF905引脚4，设置nRF905进入ShockBurst TX发送模式；NRF905完成数据打包后，发送数据包，当数据发送完成，数据准备好nRF905引脚13被置高；当NRF905引脚4被置低，nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。需要注意的是，一旦发送数据的过程开始，无论引脚15和引脚4是高或低，发送过程都会被处理完。只有前一个数据包发送完毕，nRF905才能接受下一个发送数据包。当NRF905引脚4为高、引脚15为低时，nRF905进入ShockBurst TM接收模式，等待接收数据；当nRF905检测到同一频段的载波信号时，载波检测引脚CD被置高；当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚6被置高；当一个正确的数据包接收完毕，nRF905会自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备好nRF905引脚13置高；CPU把NRF905引脚4置低，nRF905进入空闲模式；CPU进行数据读取，在所有的数据接收完成后，nRF905把引脚13和NRF905引脚6置低。

传感器电源控制单元通过ADG709集成电路实现，ADG709的引脚1、引脚2、引脚16分别于CPU的引脚P30、P32、P31相连，用于微控制器模块CPU对传感器的电源控制。引脚8、引脚9分别于5V、3.3V电源相连为传感器提供电源，引脚4、引脚5、引脚6、引脚10、引脚11、引脚13分别于JP4、JP2、JP3、JP5、JP6、JP1相连；其中，JP4、JP2、JP3、JP5、JP6、JP1分别于光照强度传感器、土壤温度传感器、土壤盐分传感器、二氧化碳传感器、空气温湿度传感器、土壤湿度传感器相连接；其中，JP1、JP2、JP3、JP4分别与CPU引脚61、引脚62、引脚63、引脚64相连，通过AD采集单元，采集各传感器电压信息。JP5与CPU引脚32、引脚33相连，通过RS232总线进行通信；JP6与CPU引脚41、引脚42相连，通过I2C总线进行通信；JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6分别铜鼓接线端子与外部的传感器连接，接线端子具有连接稳定，固定性好、兼容性强的特点。

状态指示灯模块包括微控制器模块CPU指示灯驱动电路、433MHz无线传输模块指示灯驱动电路、太阳能管理模块指示灯驱动电路和传感器控制模块指示灯驱动电路。P9、P10、P11分别与外接LED指示灯相连。P9通过电阻R11与地相连，P10通过电阻R12与CPU引脚12相连，P11通过电阻R13与CPU引脚11相连；太阳能指示灯LED1通过R1与CN3082引脚7相连。当太阳能给电池充电时，CN3082引脚7为低电平，LED1亮。

微控制器模块CPU引脚52、引脚53分别于Y2的两端相连，为CPU提供外接8M晶振源；引脚8、引脚9分别于Y1的两端相连，为CPU提供外接32.767K晶振源；引脚54、引脚55、引脚56、引脚57、引脚58分别于JTAG的引脚1、引脚3、引脚5、引脚7相连，用于上位机为CPU下载程序和在线调试；引脚34、引脚35与MAX3232的引脚11、引脚12相连，用于与外部接口的RS232通信。

本实施例公开的用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点工作原理介绍如下：

所述无线传感器节点通过传感器电源控制单元为各个传感器分别供电，通过AD采集单元连接光照传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤盐分传感器；通过RS232总线连接二氧化碳传感器；通过I2C总线连接空气温湿度传感器。连接传感器后，控制各个传感器采集环境信息数据，并在微控制器模块CPU内部存储、处理，通过433M无线传输模块将环境信息传输到外界节点，采集完成后进入低功耗状态，控制传感器断电。根据各模块的工作状态，微控制器模块CPU通过状态指示灯模块驱动各个指示灯，具体如下：当微控制器模块CPU正常时，驱动微控制器模块CPU指示灯；当太阳能充电时，驱动太阳能管理模块指示灯；当无线传输数据时，驱动433MHz无线传输模块指示灯；当传感器控制模块工作时，驱动传感器控制模块指示灯。3节5号电池通过MAX1797集成电路升压到5V，通过LM1117-3.3V降压到3.3V为所述无线传感器节点提供3.3V和5V电源；太阳能板通过CN3082集成电路为电池充电，CN3082集成电路可根据太阳能板输出电流的大小调节充电电流。

本实施例公开的用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点通过采用多种复位模式实现“跑飞”的程序能回到预定初始程序并重新执行，保证了程序长时间的运行；采用多种状态指示灯，提高了设备使用舒适度。

本实施例公开的用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点的微控制器模块CPU的工作流程，如图4所示，包括：

所述无线传感器节点经过参数初始化后，控制各传感器依次进行数据采集，确认网络空闲后，与外界节点建立通信通道，判断采用CSMA/CA机制发送数据是否成功，若成功，则微控制器模块CPU进入低功耗休眠状态，等待定时器中断唤醒后，与外界节点建立通信通道，若不成功，则微控制器模块CPU重新执行参数初始化。

433MHz无线传输模块的工作流程，如图5所示，包括：

初始化433MHz无线模块，设置nRF095为接收状态，监听信道是否空闲，如果信道空闲，随机延时0个或1个延时间隙，通过握手协议判断外界节点是否空闲，若外界节点空闲，则与外界节点建立通信信道，发送数据，若外界节点不空闲，则重新监听信道是否空闲；如果信道不空闲，将进入随机退避延时，退避延时间到后，再次监听信道是否空闲，当随机退避次数大于设定值时，放弃数据发送。两次监听验证可以排除监听的误差，保证系统稳定性。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种用于温室环境信息远程监测的无线传感器节点，其特征在于，包括：微控制器模块、无线传输模块、太阳能管理模块、电池供电管理模块、电压监控模块、供电模块和传感器控制模块；

2.根据权利要求1所述的无线传感器节点，其特征还在于，该节点进一步包括：复位模块；

3.根据权利要求1所述的无线传感器节点，其特征还在于，该节点进一步包括：状态指示灯模块；

4.根据权利要求2所述的无线传感器节点，其特征在于，所述复位模块包括上电复位、手动复位和看门狗定时器复位。

5.根据权利要求3所述的无线传感器节点，其特征在于，所述状态指示灯模块包括微控制器模块指示灯驱动电路、无线传输模块指示灯驱动电路、太阳能管理模块指示灯驱动电路和传感器控制模块指示灯驱动电路。

6.根据权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述供电模块包括：稳压单元和电压转换单元；

7.根据权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述传感器控制模块包括：传感器电源控制单元、AD采集单元和通信接口；其中，所述通信接口包括I2C和RS232。

8.根据权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述微控制器模块包括MSP430F149最小系统。

9.根据权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述无线传输模块包括nRF905集成模块。

10.根据权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述太阳能管理模块包括CN3082集成电路，所述电池供电管理模块包括升压电路和充电接口。