一種用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點的製作方法
2023-08-05 19:47:31
一種用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點，包括：微控制器模塊、無線傳輸模塊、太陽能管理模塊、電池供電管理模塊、電壓監控模塊、供電模塊和傳感器控制模塊。
【專利說明】一種用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及環境信息採集【技術領域】，特別涉及一種用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點。
【背景技術】
[0002]我國的溫室設施面積位列世界第一，但溫室種植現代化水平卻很落後。隨著我國溫室產業化進程的加快，準確快速的獲取環境信息成為現代溫室生產中的重要研究內容，遠程、快速、低成本獲取環境信息是溫室精細化管理的一個研究難題。溫室群生產管理中，溫室管理者需要實時了解各個溫室內環境信息，溫室環境信息主要有溫室環境溫溼度、二氧化碳濃度、光照強度、土壤水分含量、土壤溫度、土壤鹽分含量。
[0003]現有的溫室環境信息的遠程監測節點主要使用外接電池或者外接直流電源供電，米集單一環境信息。
[0004]現有的溫室環境信息的遠程監測節點存在的問題是:使用外接電池供電，供電時間和供電電流受限制；使用外接電池或者外接電源供電，供電模式單一；沒有採取低功耗控制，浪費了電量，降低了節點壽命；採集單一的環境信息，不能全面的反映溫室中的環境，不能滿足溫室管理者需求；設備無線傳輸距離太小，不能在溫室環境中保證信息傳輸質量；使用的晶片器件功耗太大，不利於節點的長時間工作。
實用新型內容
[0005](一)要解決的技術問題
[0006]本實用新型所要解決的技術問題是:現有節點供電模式單一、採集環境信息單一、無線傳輸距離較近且功耗較高。
[0007](二)技術方案
[0008]為了解決上述現有技術的問題，本實用新型提出一種用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點，包括:微控制器模塊、無線傳輸模塊、太陽能管理模塊、電池供電管理模塊、電壓監控模塊、供電模塊和傳感器控制模塊；
[0009]所述無線傳輸模塊與所述微控制器模塊相連，用於實現微控制器模塊和外界節點的信息傳輸；
[0010]所述太陽能管理模塊與所述電池供電管理模塊相連，用於對外接電池充電；
[0011 ] 所述供電模塊與電池供電管理模塊、外接直流電源相連，用於向傳感器控制模塊供電；
[0012]所述電壓監控模塊與所述電池供電管理模塊、所述供電模塊相連，用於監測電池電壓和供電電壓的變化；
[0013]所述傳感器控制模塊與所述微控制器模塊相連，用於微控制器模塊和外部傳感器的連接與信息傳輸。
[0014]其中，該節點進一步包括:復位模塊；[0015]所述復位模塊與所述微控制器模塊相連，用於實現跑飛程序回到預定初始程序，重新執行預定初始程序。
[0016]其中，該節點進一步包括:狀態指示燈模塊；
[0017]所述狀態指示燈模塊與所述微控制器模塊相連，用於指示微控制器模塊、無線傳輸模塊、太陽能管理模塊和傳感器控制模塊的工作狀態。
[0018]其中，所述復位模塊包括上電復位、手動復位和看門狗定時器復位。
[0019]其中，所述狀態指示燈模塊包括微控制器模塊指示燈驅動電路、無線傳輸模塊指示燈驅動電路、太陽能管理模塊指示燈驅動電路和傳感器控制模塊指示燈驅動電路。
[0020]其中，所述供電模塊包括:穩壓單元和電壓轉換單元；
[0021]所述穩壓單元與所述電壓轉換單元相連，用於向電壓轉換單元提供穩定的直流電壓；所述電壓轉換單元用於將輸入的直流電壓轉換，輸出不同的直流電壓。
[0022]其中，所述傳感器控制模塊包括:傳感器電源控制單元、AD採集單元和通信接口 ；
[0023]其中，所述通信接口包括I2C和RS232。
[0024]其中，所述微控制器模塊包括MSP430F149最小系統。
[0025]其中，所述無線傳輸模塊包括nRF905集成模塊。
[0026]其中，所述太陽能管理模塊包括CN3082集成電路，所述電池供電管理模塊包括升壓電路和充電接口。
[0027](三)有益效果
[0028]本實用新型提供的無線傳感器節點，通過採用太陽能管理模塊實現對外接電池的充電，按照電池充電規律避免了電池過度充電，提高了充電效率，延長了節點工作時間；通過採用電池供電管理模塊中的升壓電路實現電池電壓升為穩定的直流電壓；通過採用供電模塊中的穩壓單元和電壓轉換單元，可以提供不同的穩定直流電壓；通過傳感器控制模塊中的AD採集單元和不同的通信接口實現不同環境信息的採集；通過使用無線傳輸模塊實現和外界節點的信息傳輸，提高了傳輸距離和傳輸穩定性，降低了功耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為實施例1中用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點的示意圖；
[0030]圖2為實施例2中用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點的示意圖；
[0031]圖3為實施例2中用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點的電路原理圖；
[0032]圖4為實施例2中用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點的工作流程圖；
[0033]圖5為實施例2中用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點向外界節點發送數據的流程圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合說明書附圖和實施例，對本實用新型作進一步詳細描述。以下實施例僅用於說明本實用新型的實施例，但不用來限制本實用新型的範圍。
[0035]實施例1
[0036]本實施例公開一種用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點，如圖1所示，包括:微控制器模塊、無線傳輸模塊、太陽能管理模塊、電池供電管理模塊、電壓監控模塊、供電模塊和傳感器控制模塊；
[0037]所述無線傳輸模塊與所述微控制器模塊相連，用於實現微控制器模塊和外界節點的信息傳輸；
[0038]所述太陽能管理模塊與所述電池供電管理模塊相連，用於對外接電池充電；
[0039]所述供電模塊與電池供電管理模塊、外接直流電源相連，用於向傳感器控制模塊供電；
[0040]所述電壓監控模塊與所述電池供電管理模塊、所述供電模塊相連，用於監測電池電壓和供電電壓的變化；
[0041]所述傳感器控制模塊與所述微控制器模塊相連，用於微控制器模塊和外部傳感器的連接與信息傳輸。
[0042]其中，該節點進一步包括:復位模塊；
[0043]所述復位模塊與所述微控制器模塊相連，用於實現跑飛程序回到預定初始程序，重新執行預定初始程序。
[0044]其中，該節點進一步包括:狀態指示燈模塊；
[0045]所述狀態指示燈模塊與所述微控制器模塊相連，用於指示微控制器模塊、無線傳輸模塊、太陽能管理模塊和傳感器控制模塊的工作狀態。
[0046]其中，所述復位模塊包括上電復位、手動復位和看門狗定時器復位。
[0047]其中，所述狀態指示燈模塊包括微控制器模塊指示燈驅動電路、無線傳輸模塊指示燈驅動電路、太陽能管理模塊指示燈驅動電路和傳感器控制模塊指示燈驅動電路。
[0048]其中，所述供電模塊包括:穩壓單元和電壓轉換單元；
[0049]所述穩壓單元與所述電壓轉換單元相連，用於向電壓轉換單元提供穩定的直流電壓；所述電壓轉換單元用於將輸入的直流電壓轉換，輸出不同的直流電壓。
[0050]其中，所述傳感器控制模塊包括:傳感器電源控制單元、AD採集單元和通信接口 ；
[0051]其中，所述通信接口包括I2C和RS232。
[0052]其中，所述微控制器模塊包括MSP430F149最小系統。
[0053]其中，所述無線傳輸模塊包括nRF905集成模塊。
[0054]其中，所述太陽能管理模塊包括CN3082集成電路，所述電池供電管理模塊包括升壓電路和充電接口。
[0055]實施例2
[0056]本實施例公開一種用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點，如圖2所示，包括:微控制器模塊CPU、433MHz無線傳輸模塊、太陽能管理模塊、電池供電管理模塊、電壓監控模塊、供電模塊和傳感器控制模塊、復位模塊、狀態指示燈模塊；
[0057]所述433MHz無線傳輸模塊與所述微控制器模塊CPU相連，用於實現微控制器模塊CPU和外界節點的信息傳輸；
[0058]所述太陽能管理模塊與所述電池供電管理模塊相連，用於對外接的3節5號電池充電；
[0059]所述供電模塊與電池供電管理模塊、外接直流電源相連，用於向傳感器控制模塊供電；
[0060]所述電壓監控模塊與所述電池供電管理模塊、所述供電模塊相連，用於監測電池電壓和供電電壓的變化；
[0061]所述傳感器控制模塊與所述微控制器模塊CPU相連，用於微控制器模塊CPU和外部傳感器的連接與信息傳輸。
[0062]所述復位模塊與所述微控制器模塊CPU相連，用於實現跑飛程序回到預定初始程序，重新執行預定初始程序。
[0063]所述狀態指示燈模塊與所述微控制器模塊CPU相連，用於指示微控制器模塊CPU、無線傳輸模塊、太陽能管理模塊和傳感器控制模塊的工作狀態。
[0064]其中，所述復位模塊包括上電復位、手動復位和看門狗定時器復位。
[0065]其中，所述狀態指示燈模塊包括微控制器模塊CPU指示燈驅動電路、433MHz無線傳輸模塊指示燈驅動電路、太陽能管理模塊指示燈驅動電路和傳感器控制模塊指示燈驅動電路。
[0066]其中，所述供電模塊包括:穩壓單元和電壓轉換單元；
[0067]所述穩壓單元與所述電壓轉換單元相連，用於向電壓轉換單元提供穩定的直流電壓；所述電壓轉換單元用於將輸入的直流電壓轉換，輸出不同的直流電壓；
[0068]所述穩壓單元包括1N4001、10uF鉭電容、0.1uF電容；
[0069]所述電壓轉換單元包括L7805、LM1117-5V和LMl 117-3.3V集成電路。
[0070]其中，所述傳感器控制模塊包括:傳感器電源控制單元(ADG709集成電路)、MSP430F149自帶的AD採集單元和通信接口 ；
[0071]其中，所述通信接口包括I2C和RS232。
[0072]其中，所述微控制器模塊包括MSP430F149最小系統。
[0073]其中，所述433MHz無線傳輸模塊包括nRF905集成模塊。
[0074]其中，所述太陽能管理模塊包括CN3082集成電路，所述電池供電管理模塊包括MAX1797升壓電路和充電接口。
[0075]本實施例公開的用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點的各部分接口連接，如圖3所示:
[0076]5V/3W太陽能板通過Pl接口接入CN3082引腳4，可輸入4.5V到6V的直流電壓；CN3082集成晶片引腳5連接電池，輸出最高500mA的電流，為3節5號鎳氫電池智能供電；其中CN3082引腳8用於監測電池的電壓，電阻R4和R5用於設置恆流充電時的電流大小。
[0077]3節5號鎳氫電池通過P4接口與電感LI串聯，提供2V到4.5V的直流電壓；MAX1797引腳7用於輸出精準5V直流電壓，通過開關SW-SPDT與LM1117-3.3V相連。
[0078]外接12V直流電源通過Pl接口與1N4001 二極體串聯，輸入6V到12V直流電壓，接入L7805引腳3，通過L7805引腳2輸出5V穩定直流電壓，通過開關SW-SPDT與LMl 117-3.3V相連。LMl117-3.3V引腳2分別於CPU引腳1、引腳64、ADG709引腳9、nRF905引腳3相連，用於提供標準的3.3V直流電壓源。
[0079]復位模塊包括上電復位、手動復位、看門狗定時器復位，實現在程序跑飛的情況下回到預定初始程序並順序執行。其中，手動復位按鍵Si按下，會產生低電平，SI連接微控制器模塊CPU引腳58，會使微控制器模塊CPU復位；看門狗定時器是微控制器模塊CPU軟體設置的復位措施，微控制器模塊CPU會定時進行餵狗操作，如果程序跑飛，沒有按時進行餵狗操作，微控制器模塊CPU軟體觸發復位。[0080]433MHz無線傳輸模塊通過nRF905模塊實現，nRF905模塊弓I腳1、2與5V相連，弓丨腳3與3.3V相連、引腳9、10、17、18與地相連，引腳4、6、7、8、11、12、13、14、15、16分別於微控制器模塊CPU的P21、P25、P22、P23、P50、P51、P26、P24、P22、P20相連，實現了微控制器模塊CPU與433MHz無線傳輸模塊的通信連接，微控制器模塊CPU有數據要發送時，設置nRF905進入Standby模式，將發送地址和數據內容寫入NRF905 ;微控制器模塊CPU置高NRF905引腳4，設置nRF905進入ShockBurst TX發送模式；NRF905完成數據打包後，發送數據包，當數據發送完成，數據準備好nRF905引腳13被置高；當NRF905引腳4被置低，nRF905發送過程完成，自動進入空閒模式。需要注意的是，一旦發送數據的過程開始，無論引腳15和引腳4是高或低，發送過程都會被處理完。只有前一個數據包發送完畢，nRF905才能接受下一個發送數據包。當NRF905引腳4為高、引腳15為低時，nRF905進入ShockBurst TM接收模式，等待接收數據；inRF905檢測到同一頻段的載波信號時，載波檢測引腳CD被置高；當接收到一個相匹配的地址，地址匹配引腳6被置高；當一個正確的數據包接收完畢，nRF905會自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然後把數據準備好nRF905引腳13置高；CPU把NRF905引腳4置低，nRF905進入空閒模式；CPU進行數據讀取，在所有的數據接收完成後，nRF905把引腳13和NRF905引腳6置低。
[0081]傳感器電源控制單元通過ADG709集成電路實現，ADG709的引腳1、引腳2、引腳16分別於CPU的引腳P30、P32、P31相連，用於微控制器模塊CPU對傳感器的電源控制。引腳
8、引腳9分別於5V、3.3V電源相連為傳感器提供電源，引腳4、引腳5、引腳6、引腳10、引腳
11、引腳 13 分別於 JP4、JP2、JP3、JP5、JP6、JPI 相連；其中，JP4、JP2、JP3、JP5、JP6、JPI 分別於光照強度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤鹽分傳感器、二氧化碳傳感器、空氣溫溼度傳感器、土壤溼度傳感器相連接；其中，JPU JP2、JP3、JP4分別與CPU引腳61、引腳62、引腳63、引腳64相連，通過AD採集單元，採集各傳感器電壓信息。JP5與CPU引腳32、引腳33相連，通過RS232總線進行通信JP6與CPU引腳41、引腳42相連，通過I2C總線進行通信；JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6分別銅鼓接線端子與外部的傳感器連接，接線端子具有連接穩定，固定性好、兼容性強的特點。
[0082]狀態指示燈模塊包括微控制器模塊CPU指示燈驅動電路、433MHz無線傳輸模塊指示燈驅動電路、太陽能管理模塊指示燈驅動電路和傳感器控制模塊指示燈驅動電路。P9、P10,Pll分別與外接LED指示燈相連。P9通過電阻Rll與地相連，PlO通過電阻R12與CPU引腳12相連，Pl I通過電阻R13與CPU引腳11相連；太陽能指示燈LEDl通過Rl與CN3082引腳7相連。當太陽能給電池充電時，CN3082引腳7為低電平，LEDl亮。
[0083]微控制器模塊CPU引腳52、引腳53分別於Y2的兩端相連，為CPU提供外接8M晶振源；引腳8、引腳9分別於Yl的兩端相連，為CPU提供外接32.767K晶振源；引腳54、弓丨腳55、引腳56、引腳57、引腳58分別於JTAG的引腳1、引腳3、引腳5、引腳7相連，用於上位機為CPU下載程序和在線調試；引腳34、引腳35與MAX3232的引腳11、引腳12相連，用於與外部接口的RS232通信。
[0084]本實施例公開的用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點工作原理介紹如下:
[0085]所述無線傳感器節點通過傳感器電源控制單元為各個傳感器分別供電，通過AD採集單元連接光照傳感器、土壤溫度傳感器、土壤溼度傳感器、土壤鹽分傳感器；通過RS232總線連接二氧化碳傳感器；通過I2C總線連接空氣溫溼度傳感器。連接傳感器後，控制各個傳感器採集環境信息數據，並在微控制器模塊CPU內部存儲、處理，通過433M無線傳輸模塊將環境信息傳輸到外界節點，採集完成後進入低功耗狀態，控制傳感器斷電。根據各模塊的工作狀態，微控制器模塊CPU通過狀態指示燈模塊驅動各個指示燈，具體如下:當微控制器模塊CPU正常時，驅動微控制器模塊CPU指示燈；當太陽能充電時，驅動太陽能管理模塊指示燈；當無線傳輸數據時，驅動433MHz無線傳輸模塊指示燈；當傳感器控制模塊工作時，驅動傳感器控制模塊指示燈。3節5號電池通過MAX1797集成電路升壓到5V，通過LM1117-3.3V降壓到3.3V為所述無線傳感器節點提供3.3V和5V電源；太陽能板通過CN3082集成電路為電池充電，CN3082集成電路可根據太陽能板輸出電流的大小調節充電電流。
[0086]本實施例公開的用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點通過採用多種復位模式實現「跑飛」的程序能回到預定初始程序並重新執行，保證了程序長時間的運行；採用多種狀態指示燈，提高了設備使用舒適度。
[0087]本實施例公開的用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點的微控制器模塊CPU的工作流程，如圖4所示，包括:
[0088]所述無線傳感器節點經過參數初始化後，控制各傳感器依次進行數據採集，確認網絡空閒後，與外界節點建立通信通道，判斷採用CSMA/CA機制發送數據是否成功，若成功，則微控制器模塊CPU進入低功耗休眠狀態，等待定時器中斷喚醒後，與外界節點建立通信通道，若不成功，則微控制器模塊CPU重新執行參數初始化。
[0089]433MHz無線傳輸模塊的工作流程，如圖5所示，包括:
[0090]初始化433MHz無線模塊，設置nRF095為接收狀態，監聽信道是否空閒，如果信道空閒，隨機延時O個或I個延時間隙，通過握手協議判斷外界節點是否空閒，若外界節點空閒，則與外界節點建立通信信道，發送數據，若外界節點不空閒，則重新監聽信道是否空閒；如果信道不空閒，將進入隨機退避延時，退避延時間到後，再次監聽信道是否空閒，當隨機退避次數大於設定值時，放棄數據發送。兩次監聽驗證可以排除監聽的誤差，保證系統穩定性。
[0091]以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種用於溫室環境信息遠程監測的無線傳感器節點，其特徵在於，包括:微控制器模塊、無線傳輸模塊、太陽能管理模塊、電池供電管理模塊、電壓監控模塊、供電模塊和傳感器控制模塊； 所述無線傳輸模塊與所述微控制器模塊相連，用於實現微控制器模塊和外界節點的信息傳輸； 所述太陽能管理模塊與所述電池供電管理模塊相連，用於對外接電池充電； 所述供電模塊與電池供電管理模塊、外接直流電源相連，用於向傳感器控制模塊供電； 所述電壓監控模塊與所述電池供電管理模塊、所述供電模塊相連，用於監測電池電壓和供電電壓的變化； 所述傳感器控制模塊與所述微控制器模塊相連，用於微控制器模塊和外部傳感器的連接與信息傳輸。
2.根據權利要求1所述的無線傳感器節點，其特徵還在於，該節點進一步包括:復位模塊； 所述復位模塊與所述微控制器模塊相連，用於實現跑飛程序回到預定初始程序，重新執行預定初始程序。
3.根據權利要求1所述的無線傳感器節點，其特徵還在於，該節點進一步包括:狀態指示燈模塊； 所述狀態指示燈模塊與所述微控制器模塊相連，用於指示微控制器模塊、無線傳輸模塊、太陽能管理模塊和傳感器控制模塊的工作狀態。
4.根據權利要求2所述的無線傳感器節點，其特徵在於，所述復位模塊包括上電復位、手動復位和看門狗定時器復位。
5.根據權利要求3所述的無線傳感器節點，其特徵在於，所述狀態指示燈模塊包括微控制器模塊指示燈驅動電路、無線傳輸模塊指示燈驅動電路、太陽能管理模塊指示燈驅動電路和傳感器控制模塊指示燈驅動電路。
6.根據權利要求1所述的無線傳感器節點，其特徵在於，所述供電模塊包括:穩壓單元和電壓轉換單元； 所述穩壓單元與所述電壓轉換單元相連，用於向電壓轉換單元提供穩定的直流電壓；所述電壓轉換單元用於將輸入的直流電壓轉換，輸出不同的直流電壓。
7.根據權利要求1所述的無線傳感器節點，其特徵在於，所述傳感器控制模塊包括--傳感器電源控制單元、AD採集單元和通信接口 ；其中，所述通信接口包括I2C和RS232。
8.根據權利要求1所述的無線傳感器節點，其特徵在於，所述微控制器模塊包括MSP430F149最小系統。
9.根據權利要求1所述的無線傳感器節點，其特徵在於，所述無線傳輸模塊包括nRF905集成模塊。
10.根據權利要求1所述的無線傳感器節點，其特徵在於，所述太陽能管理模塊包括CN3082集成電路，所述電池供電管理模塊包括升壓電路和充電接口。
【文檔編號】H04W84/18GK203689670SQ201420010361
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年1月7日 優先權日:2014年1月7日
【發明者】劉剛, 張傳帥, 張天蛟, 張漫, 王輝, 於亮亮 申請人:中國農業大學