CN207150583U - 用于土壤温度监测的地下无线传感节点 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，其特征在于，包括防水壳体，防水壳体内设有微控制器、LoRa数据传输部分、温度传感器部分、系统供电部分，微控制器分别与LoRa数据传输部分、温度传感器部分连接。本实用新型提出了一种可用于土壤温度采集的地下无线传感节点，设计结构合理、功能有效，实现对土壤温度的监测。基于LoRa无线通信方式实现无线数据传输，在较低功耗的前提下，可以方便地布置在土壤当中自动采集土壤温度信息。本实用新型结构简单、成本低廉、布设简便、使用容易、可靠性高，有望为相关领域的土壤测温工作提供支持。

Description

用于土壤温度监测的地下无线传感节点

技术领域

本实用新型涉及一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，属于无线数据传输技术领域。

背景技术

土壤温度监测在智慧农业、矿业安监、自然灾害预防等领域中有重要的意义，常见的应用场合有作物根系保护、翻浆评估、冻土灾害预警等。但是传统的土壤温度监测多依赖于仪器仪表进行单点或数点的监测。这一监测方式不适于采集分布式数据、设备成本过高，且多为基于探针式数据采集等有线监测方法。而农业作业中，地表与地下的连线会影响翻耕等农业活动；在矿业安监中，日常矿业作业常见的采集、运输等活动也使在很多情况下无法长期安置有线式采集设备。在自然灾害预防中，由于部分环境危险性较高、灾害变化难以预期，也无法采用长期安置有线式仪器仪表的方式进行土壤温度监测。近年来随着物联网技术的发展，地下无线传感器网络技术得到了广泛的重视。通过地下无线传感器网络，可以自动地获取分布式数据监测结果。但是地下无线传感器网络由于布设在土壤等环境中，无线信号在传输过程中会被周围环境影响，从而造成较大的衰减；而其布设后也无法采用市电或太阳能等持续性供电手段。所以与传统无线传感器网络相比，地下无线传感器网络在布设中通常对低功耗、无线传输有着更为苛刻的要求。此外对地下无线传感器网络的成本、结构等特性也存在着一定要求。

无线传感器网络多采用无需使用授权的ISM频段。但是ISM频段中使用最广泛的2.4GHz频率在土壤等地下环境中的传输特性较差。所以常见地下无线传感器网络多采用433MHz及868MHz等穿透性较好的ISM频段。近年来Semtech公司所推出的LoRa无线通信技术由于采用了先进的编解码与扩频技术，可以在信号有较大衰减的情况下保障数据传输的可靠性。此外LoRa技术还具有低功耗、低成本与组网规模大等优点。其为地下无线传感器网络的构建提供了新的选择。基于LoRa技术，可以组建稳定可靠、埋深较大、工作时间长、成本低廉的地下无线传感器网络。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供了一种结构简单、成本低廉、可靠性高的用于土壤温度监测的地下无线传感节点，解决了目前的地下无线传感器网络由于布设在土壤等环境中，无线信号在传输过程中会被周围环境影响，从而造成较大衰减的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供了一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，其特征在于，包括防水壳体，防水壳体内设有微控制器、LoRa数据传输部分、温度传感器部分、系统供电部分，微控制器分别与LoRa数据传输部分、温度传感器部分连接。

优选地，所述的LoRa数据传输部分包括LoRa无线通信模块和全向天线部分，LoRa无线通信模块与全向天线部分连接；温度传感器部分选用不锈钢铠装的接触式温度传感器。

优选地，所述的LoRa无线通信模块的传输采用双发发送模式；若节点布设较多且埋深较浅，可采用多发发送模式。

优选地，所述的LoRa无线通信模块选取方便与微控制器上的简单接口进行连接的型号。

优选地，所述的接触式温度传感器使用寄生供电方式。

优选地，所述的微控制器读取温度传感器数据，并将温度传感器中的数据利用数据指针暂存在其内部存储空间对应的位置中；当温度传感器的数据存满该存储位置后，通过LoRa无线通信模块将已采集到的数据发出，完成后将该数据指针重新指向存储空间位置的起点。

优选地，所述的系统供电部分包括碱性电池和将碱性电池所提供电压转换为系统工作电压的低压差稳压器。

优选地，所述的防水壳体的材料可选用PVC或PMMA材质，防水壳体的形状呈球形，防水壳体的表面开有以便温度传感器与外界土壤接触的孔。

本实用新型提出了一种可用于土壤温度采集的地下无线传感节点，设计结构合理、功能有效，实现对土壤温度的监测。基于LoRa无线通信方式实现无线数据传输，在较低功耗的前提下，可以方便地布置在土壤当中自动采集土壤温度信息；可以应用在在智慧农业、矿业安监、自然灾害预防等领域，实现分布式无线土壤温度测量。本实用新型结构简单、成本低廉、布设简便、使用容易、可靠性高，有望为相关领域的土壤测温工作提供支持。

附图说明

图1为一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点的结构图；

图2为一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点的系统供电部分电路原理图；

图3为一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点的微控制器(MCU)、LoRa数据传输部分、温度传感器部分电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本实用新型为一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，如图1-图3所示，其由微控制器(MCU)、LoRa数据传输部分、温度传感器部分、系统供电部分及防水壳体组成。

微控制器是节点的核心控制处理部分，其可依照预先设定的时序读取温度传感器数据，并将温度传感器数据利用数据指针暂存在其内部存储空间对应的位置中。当温度传感器数据存满该存储位置后，通过LoRa无线通信模块将已采集到的数据发出2次(双发发送模式，2次时间间隔为一随机值)，完成后将该数据指针重新指向存储空间位置的起点。节点上各功能部件的唤醒与休眠也由微控制器实现。在设计中应尽可能采用集成度高、稳定性好、运行功耗较低及支持低功耗休眠的微控制器型号。

LoRa数据传输部分用以为节点提供稳定可靠、穿透力较强、结构简单的无线传输功能。其由LoRa无线通信模块及其外围电路组成。LoRa无线通信模块在设计中应尽可能选取方便与微控制器通过串行接口等较为简单接口进行连接的型号。如LoRa无线通信模块还可使用ASCII码进行控制，则能进一步提高节点设计的紧凑性与可靠性。LoRa无线通信模块的外围电路中的天线对其传输特性也有重大影响。由于节点布设在土壤中后其可能由于土壤活动等发生位置变化，所以需要采用全向天线部分弥补这一问题。考虑到节点的体积与成本，推荐选用表帖陶瓷天线或者PCB天线。在节点安放在土壤前，需要将监测区域的所有节点都设置在同一ID的LPWAN中，以便使用接收设备获取各节点发出的数据。需要注意的是，由于LoRa无线通信模块发出的信号受土壤吸收影响会造成较大衰减。所以在同一区域内的多个节点同时发送数据产生冲突的情况远小于布置于地面时。此时传输采用双发发送模式，基本上可保障不会出现数据丢失。若节点布设较多且埋深较浅，可考虑采用多发发送模式。

温度传感器部分需选用接触式温度传感器，为了适应土壤中恶劣的工作环境，需采用不锈钢铠装的接触式温度传感器型号。为了降低节点功耗，该接触式温度传感器还需使用寄生供电方式。此外该接触式温度传感器与节点微控制器的通信接口还应尽可能简单，并能提供较为精确、具有较高分辨率的温度监测结果。

系统供电部分采用低压差稳压器结合5号碱性电池的工作方式。系统的工作电压为3.3V，使用中采用6节5号碱性电池提供能量(3节一组串联后再把两组并联)。低压差稳压器将上述5号碱性电池所提供的4.5V电压转换为3.3V系统工作电压。低压差稳压器应该选择封装小、所需外围元件少及输出稳定的型号。碱性电池应选择具有较大容量的型号。

防水壳体的材料可选用PVC或PMMA材质，防水壳体的形状呈球形以便较好承压。在防水壳体表面开孔以便温度传感器与外界土壤接触。温度传感器外露的尺寸以5mm以下为宜。在防水壳体有缝隙处，使用密封胶密封。PCB置于与球形防水壳体赤道平面平行的平面上，使用密封胶固定。另外需在防水壳体上标注天线最大辐射强度方向。

本实施例中，微控制器采用微芯公司出品的、采用纳瓦技术的PIC16F690单片机，该单片机为20引脚8位CMOS闪存单片机。在实施中，PIC16F690单片机采用QFN-20封装，以便实现节点的微型化。工作中，PIC16F690单片机采用3.3V供电，在其供电引脚处一0.1uF的0402封装陶瓷电容进行去耦。PIC16F690单片机在工作中使用内部LP振荡器，此时需注意将其OSCCON寄存器的对应位设为000。PIC16F690单片机内部的16位TIMER1定时器用于双发发送模式产生随机的时间间隔，在使用中其高3位用于填充非零随机数，其余位置1。PIC16F690单片机的4号、18号与19号管脚用于连接PICkit下载器。

LoRa无线通信模块选用微芯公司生产的RN2483型LoRa无线通信模块。该模块体积较小(17.8 x 26.7 x 3.34mm)，便于布设在面积较小的PCB上。该模块UART接口(6号与7号管脚)连接在PIC16F690单片机的EUSART接口(10号与12号管脚)上，PIC16F690单片机通过串行通信方式向其发送ASCII码指令进行控制及实现传输功能。该模块也使用3.3V供电，使用中将TX Power Setting取值设为15，此时可以获得13.6dBm的433MHz信号输出功率，工作电流约为32.9mA。而如果无需让该模块进行数据发送时，需要令该模块休眠，以便节约节点能耗，延长节点工作寿命。PIC16F690单片机通过向RN2483发出ASCII码格式的sys sleep指令令其进入休眠状态，RN2483深度休眠时的电流仅约为0.0018mA。节点天线采用RAINSUNAN1603-433M贴片全向陶瓷天线。该天线极化方向为线性极化，峰值增益为0.5dBi，输入阻抗为50欧姆。该天线使用微带线连接于RN2483的RFL端口上(25号引脚)。

温湿度传感器选用不锈钢防水铠装的美信DS18B20温度传感器，该温度传感器采用1-Wire接口，最大分辨率可达12bit，误差小于±0.5℃。在使用中DS18B20采用寄生供电方式。DS18B20的单总线与PIC16F690单片机的RCl管脚(15号)管脚相连，总线使用4.7K Ω的0402封装精密电阻上拉到Vec(3.3V)。

低压差稳压器选用Ti公司出品、SOT-23封装的低噪声线性稳压器TPS73033。其输入引脚采用0603封装、0.1uF的钽电容进行滤波，输出引脚处采用0603封装、2.2uF的钽电容进行滤波。在本实施例中，TPS73033的NR端到地之间也须接0.01uF、0402封装的陶瓷电容。而TPS73033的EN引脚与输入短接，从而保证其在PIC16F690单片机与RN2483休眠时也能稳定工作。实施中节点电池选用LR6AA聚能环5号碱性电池，采用2个带开关电池盒容纳后再进行并联。当电池盒上开关打开后，节点上电工作。

防水壳体采用PMMA透明材料，球体半径为8cm，厚度0.5cm。在防水壳体表面开孔以便DS18B20与外界土壤接触。DS18B20外露的尺寸以5mm以下为宜。为适应该PMMA球体外壳，PCB外形轮廓可以设置为圆形。连接处使用环氧树脂防水。防水壳体分为上下两部分，当防水壳体闭合后即可置入土壤当中。

为了面向(满足)对土壤温度分布式、低成本地下监测的需求，本实用新型拟结合在土壤环境中有较好传输特性的LoRa无线通信技术，实现低成本、低功耗、结构简单、布设便捷、使用容易的无线传感节点，为智慧农业、矿业安监及自然灾害预防等相关领域提供切实可行的土壤温度监测手段。

Claims (6)

1.一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，其特征在于，包括防水壳体，防水壳体内设有微控制器、LoRa数据传输部分、温度传感器部分、系统供电部分，微控制器分别与LoRa数据传输部分、温度传感器部分连接。

2.如权利要求1所述的一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，其特征在于，所述的LoRa数据传输部分包括LoRa无线通信模块和全向天线部分，LoRa无线通信模块与全向天线部分连接；温度传感器部分选用不锈钢铠装的接触式温度传感器。

3.如权利要求2所述的一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，其特征在于，所述的接触式温度传感器使用寄生供电方式。

4.如权利要求2所述的一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，其特征在于，所述的微控制器读取温度传感器数据，并将温度传感器中的数据利用数据指针暂存在其内部存储空间对应的位置中；当温度传感器的数据存满该存储位置后，通过LoRa无线通信模块将已采集到的数据发出，完成后将该数据指针重新指向存储空间位置的起点。

5.如权利要求1所述的一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，其特征在于，所述的系统供电部分包括碱性电池和将碱性电池所提供电压转换为系统工作电压的低压差稳压器。

6.如权利要求1所述的一种用于土壤温度监测的地下无线传感节点，其特征在于，所述的防水壳体的材料可选用PVC或PMMA材质，防水壳体的形状呈球形，防水壳体的表面开有以便温度传感器与外界土壤接触的孔。