一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置及方法
【专利摘要】一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置，包括有雷电预警监测装置，雷电预警监测装置通过无线传感器网络与路由节点无线连接；路由节点与终端设备节点相连；路由节点与网络中的其他路由节点无线连接；其防雷击方法为：1）通过设立在田间的小型雷电预警监测装置监测、采集大气电场强度信息，并对采集的大气电场强度信息进行分析判断，判断雷电的发生的可能性大小；2）当大气电场强度超过预定阈值时，雷电预警监测装置向路由节点发出预警信号，路由节点接收到预警信号后，通知无线传感器网络中所有活动的终端设备节点；3）终端设备节点接收到信号以后，立刻进入无线电静默状态；降低灌溉系统遭受雷电袭击的可能性，保证了监测数据的连续性。
【专利说明】一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于灌溉系统通信【技术领域】，具体涉及一种智能灌溉系统中无线传感设 备的防雷击装置及方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着智能灌溉技术的大力推广，越来越多的智能灌溉设施在田间投入运 行，其中绝大多数的智能灌溉系统通过无线传感器网络的形式来监测和传送土壤墒情数 据。对于一些雷电灾害较为严重的地区，无线传感设备极易受到雷电的袭击。如果为无线 传感器网络中数量众多无线传感设备加装避雷装置，不仅投资较大，而且较难维护。
【发明内容】
[0003] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种智能灌溉系统中无线 传感设备的防雷击装置及方法，能在雷电到来之前提前发出预警信息并通过无线传感器网 络发送控制命令，使全网无线设备保持无线电静默，并本地缓存监测数据，待雷电警报解除 后再次发送，从而大大降低遭受雷电袭击的可能性且保证了监测数据的连续性。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种智能灌溉系统中无线传感设 备的防雷击装置，包括有雷电预警监测装置3,雷电预警监测装置3通过无线传感器网络与 路由节点2无线连接；路由节点2与终端设备节点1相连；路由节点2与网络中的其他路由 节点2无线连接。
[0005] 所述的雷电预警监测装置3用于对大气电场进行监测，采用Campbell Scientific Inc生产的LW110型雷电预警系统。
[0006] 所述的无线传感器网络为采用ZIGBEE协议栈进行通信的MESH型ZIGBEE无线传 感器网络。
[0007] 所述的路由节点采用支持ZIGBEE协议的无线芯片。
[0008] 所述的路由节点和无线传感器设备为ZIGBEE无线传感器网络中使用ZIGBEE无线 芯片搭建的路由设备和无线传感器设备。
[0009] 所述的无线芯片中设有发射功率寄存器。
[0010] 一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击方法，包括以下步骤： 1) 通过设立在田间的小型雷电预警监测装置监测、采集大气电场强度信息，并对采集 的大气电场强度信息进行分析判断，判断雷电的发生的可能性大小； 2) 当大气电场强度超过预定阈值时，雷电预警监测装置向路由节点组成的无线传感器 网络发出预警信号，无线传感器网络中的路由节点接收到预警信号后，在无线传感器网络 中进行广播，通知无线传感器网络中所有活动的终端设备节点； 3) 终端设备节点通过无线传感器网络接收到预警信号后，向所有与其建立通信的终端 设备节点和路由节点进行转发，当路由节点确认所有与其通信的终端设备节点均收到预警 消息之后，路由节点转入无线电静默状态，终端设备节点接收到信号以后，立刻进入无线电 静默状态。 toon] 在整个广播过程中，各路由节点根据自己通讯范围中设备(路由或传感器设备）的 通信链路质量指数（LQI)，自动设置无线芯片中的发射功率寄存器，以调整发射功率，力求 用最小的发射功率将消息在全网广播，最大可能地降低雷击的风险。
[0012] 本发明的优点是： 由于雷电预警监测设备是基于对大气电场的测量，并非雷击本身，因此可以监测雷电 的潜在威胁，可以在雷电到来之前提前采取保护。本方法对雷击风险采取主动规避的措施， 并尽可能少地对系统进行改动，既有效地规避了风险，又节省了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的整体示意图。
[0014] 图2为本发明中雷电预警系统与无线芯片的连接电路图。
[0015] 图3为本发明的系统工作流程图。
[0016] 图4为本发明的路由节点工作流程图。
[0017] 图5为本发明中无线芯片发射功率自动调整流程图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0019] 参见图1，一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置，包括有雷电预警监测 装置3,雷电预警监测装置3通过无线传感器网络与路由节点2无线连接；路由节点2与终 端设备节点1相连；路由节点2与网络中的其他路由节点2无线连接。
[0020] 所述的雷电预警监测装置3用于对大气电场进行监测，采用Campbell Scientific Inc生产的LW110型雷电预警系统。
[0021] 所述的无线传感器网络为采用ZIGBEE协议栈进行通信的MESH型（网状）ZIGBEE 无线传感器网络。
[0022] 所述的路由节点采用支持ZIGBEE协议的无线芯片。
[0023] 所述的路由节点和无线传感器设备为ZIGBEE无线传感器网络中使用ZIGBEE无线 芯片（如CC2430/2530)搭建的路由节点和无线传感器设备。
[0024] 所述的无线芯片中设有发射功率寄存器。发射功率寄存器(如：CC2430 ZIGBEE无 线芯片中的TXCTRLL. PA_LEVEL寄存器)。
[0025] -种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击方法，包括以下步骤： 1) 通过设立在田间的小型雷电预警监测装置监测、采集大气电场强度信息，并对采集 的大气电场强度信息进行分析判断，判断雷电的发生的可能性大小； 2) 当大气电场强度超过预定阈值时，雷电预警监测装置向路由节点组成的无线传感器 网络发出预警信号，无线传感器网络中的路由节点接收到预警信号后，立即在无线传感器 网络中进行广播，以最快的速度通知无线传感器网络中所有活动的终端设备节点； 3) 终端设备节点通过无线传感器网络接收到预警信号后，向所有与其建立通信的终端 设备节点和路由节点进行转发，当路由节点确认所有与其通信的终端设备节点均收到预警 消息之后，路由节点转入无线电静默状态，终端设备节点接收到信号以后，立刻进入无线电 静默状态。 实施例
[0026] 下面以一次雷电过程对本发明作进一步说明。
[0027] 参见图1、图3和图4,当雷电来临时，雷电监测预警装置3监测到大气电场场强值 异常，随即通过ZIGBEE无线传感器网络向网络中最近的几个路由节点2发送数据帧类型为 广播帧的雷电预警信息。当附近几个的路由节点2接收到含有雷电预警信号的数据帧之 后，每个路由节点向其所有终端设备节点1进行转发，同时向其他路由节点2继续广播，待 其所有终端设备节点1均收到预警消息之后，路由节点2随即转入无线电静默状态，而终端 设备节点1接收到预警信号以后，则立刻进入无线电静默状态。无线电静默期间终端设备 节点所采集到的土壤墒情数据在无线芯片中缓存。当雷电过程趋于结束，雷电预警监测装 置3监测到大气电场场强值恢复正常，按上述过程发布警报解除消息，整个系统重新激活。 终端设备节点1向各自的路由节点2 (父级节点）发送雷电过程中本地缓存的土壤墒情检 测数据。
[0028] 参见图5,在数据帧进行广播的过程中，具有数据转发功能的路由节点2在广播预 警信息时，为了进一步地规避雷击风险，采用动态调整发射功率的广播策略：在广播预警信 息之前，路由节点2首先检视并记录当前所有可用路由的通信链路质量指数（LQI)，在随后 预警信息经所有可用路由转发的过程中，首先读取当前路由的LQI，并根据当前链路的LQI 值调整无线芯片中寄存器TXCTRLL. PA_LEVEL的值（寄存器TXCTRLL. PA_LEVEL的取值大小 最终会影响无线电通信的发射功率，对于LQI较高的链路，可适当降低发射功率)。如此往 复以上过程，直至预警信息经所有可用路由发送完毕。
[0029] 参见图2,雷电预警系统与无线芯片CC2530之间通过MAX485电平转换芯片进行通 讯，预警系统首先将预警信息通过RS-485数据线传送至MAX485电平转换芯片，经电平转换 后传送至CC2530无线芯片并将预警信息封装成数据帧借助无线传感器网络发送。
【权利要求】
1. 一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置，其特征在于，包括有雷电预警监 测装置（3)，雷电预警监测装置（3)通过无线传感器网络与路由节点（2)无线连接；路由节 点（2)与终端设备节点（1)相连；路由节点（2)与网络中的其他路由节点（2)无线连接。
2. 根据权利要求1所述的一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置，其特征 在于，所述的雷电预警监测装置（3)用于对大气电场进行监测，采用Campbell Scientific Inc生产的LW110型雷电预警系统。
3. 根据权利要求1所述的一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置，其特征在 于，所述的无线传感器网络为采用ZIGBEE协议栈进行通信的MESH型ZIGBEE无线传感器网 络。
4. 根据权利要求1所述的一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置，其特征在 于，所述的路由节点采用支持ZIGBEE协议的无线芯片。
5. 根据权利要求1所述的一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置，其特征在 于，所述的路由节点和无线传感器设备为ZIGBEE无线传感器网络中使用ZIGBEE无线芯片 搭建的路由设备和无线传感器设备。
6. 根据权利要求4所述的一种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击装置，其特征在 于，所述的无线芯片中设有发射功率寄存器。
7. -种智能灌溉系统中无线传感设备的防雷击方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 通过设立在田间的小型雷电预警监测装置监测、采集大气电场强度信息，并对采集 的大气电场强度信息进行分析判断，判断雷电的发生的可能性大小； 2) 当大气电场强度超过预定阈值时，雷电预警监测装置向路由节点组成的无线传感器 网络发出预警信号，无线传感器网络中的路由节点接收到预警信号后，在无线传感器网络 中进行广播，通知无线传感器网络中所有活动的终端设备节点； 3) 终端设备节点通过无线传感器网络接收到预警信号后，向所有与其建立通信的终端 设备节点和路由节点进行转发，当路由节点确认所有与其通信的终端设备节点均收到预警 消息之后，路由节点转入无线电静默状态，终端设备节点接收到信号以后，立刻进入无线电 静默状态。
【文档编号】H04W84/18GK104143256SQ201410420545
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】郭国法, 许萌, 张开生 申请人:陕西科技大学