一种可动态调整测量和上报周期的低功耗土壤温湿度检测装置及其检测方法与流程

本发明涉及一种可动态调整测量和上报周期的低功耗土壤温湿度检测装置，还涉及该装置的检测方法，属于智能控制技术领域。

背景技术：

在土壤温湿度检测及智能浇水装置领域，目前已有多个专利存在（例如智能浇花装置CN103688824A、基于手机遥控的智能浇灌系统CN103548647A、一种土壤湿度的测量及智能浇灌系统CN104642063A、一种土壤温度湿度检测装置CN204142281U、一种根据土壤湿度灌溉的智能自动化装置CN204540232U，等等）。这些专利中描述的装置的基本工作原理都是类似的：通过土壤温湿度检测设备定时测量得到土壤温湿度值，并将这些测量值以无线的方式发送到一个控制设备，然后通过手机或者通过自动的方式来控制水阀浇水。

在上述专利中，土壤温湿度检测装置需要定时进行测量。为了满足测量的实时性要求，测量周期一般都设得比较短。为了满足土壤温湿度检测装置（里面包含土壤温湿度检测设备和无线收发设备）的耗电需求，一般都采用了外接市电或者太阳能面板加充电电池的方式来为土壤温湿度检测装置提供电源。这些方式在某些场景下是适用的（比如专业化的农业大棚内），但在大部分情况下（比如家庭庭院内），这些方式并不适用，或者说不能带来较好的用户体验。具体来说，外接市电的方式在家庭庭院里既不安全、又不方便。而太阳能面板加充电电池的方式需要能够接受到阳光照射，这样就限制了土壤温湿度检测装置的使用环境。此外，普通的太阳能面板及充电电池的有效使用寿命仅为一年左右，这个因素也大大影响了用户对整体的土壤温湿度检测装置的使用体验。由于上述这些问题的存在，土壤温湿度检测装置目前在普通家庭里并没有得到广泛的应用。

技术实现要素：

本发明提出了一种低功耗的土壤温湿度检测装置，通过动态的调整温湿度测量周期以及测量结果上报周期来减少土壤温湿度传感器的整机功耗，从而达到利用普通的干电池供电也能够维持较长工作时间的效果。

一种可动态调整测量和上报周期的低功耗土壤温湿度检测装置，包括相互通讯连接的土壤温湿度传感器、短距离无线通信网关和用户控制终端，土壤温湿度传感器包含带有短距离无线通信设备的土壤温湿度检测设备；短距离无线通信网关包含相互通讯连接的短距离无线通信设备、互联网通信设备和智能测量控制设备；用户终端为可与所述互联网通讯设备通讯连通的智能设备。

本发明进一步限定的技术方案为：

进一步的，还包括可自动喷水的无线水阀（13），所述无线水阀（13）与短距离无线通信网关（11）通讯连接。

进一步的，短距离无线通信设备（111）和短距离无线通信设备（101）为蓝牙或Zigbee，所述用户终端（12）为手机或电脑等智能上网设备。

进一步的，土壤温湿度传感器（10）与所述短距离无线通信网关（11）之间以短距离无线通信技术进行双向无线通信。

一种可动态调整测量和上报周期的低功耗土壤温湿度检测装置的检测方法，按照如下步骤进行：

1）检测模式选择，短距离无线通信网关根据当地当天的天气状况制定适宜的湿度检测模式；

2）数据加载，短距离无线通信网关将选择好的湿度检测模式推送给所述土壤温湿度传感器；

3）数据推送，土壤温湿度传感器将超过预定限值的检测数值提交给短距离无线通信网关；

4）终端控制，短距离无线通信网关将步骤3推送的数据提交给用户控制终端，用户根据检测值偏高还是偏低选择是需要排水还是开启无线水阀。

本发明进一步限定的技术方案为：

进一步的，短距离无线通信网关根据一系列外部输入条件值动态调整土壤温湿度传感器的测量周期、上报周期和上报门限值，并将这些参数值发送给土壤温湿度传感器。

进一步的，土壤温湿度传感器能够以无线的方式接收到短距离无线通信网关发送过来的无线通信周期值、温湿度测量周期值、动态上报门限值等参数，并且能够基于这些参数即时调整自身的土壤温湿度测量和无线收发的频度。

进一步的，土壤温湿度传感器在不进行土壤温湿度测量、发送测量结果和查询网关消息的时候即进入休眠状态，以节省功耗。

进一步的，短距离无线通信网关所利用的外部输入条件值包括土壤温湿度传感器上报的土壤温湿度测量值、短距离无线通信网关所在地的即时天气条件值、用户人为设置的浇水时间值和水阀开启门限值，以及用户设定的无线通信周期值、温湿度测量周期值、动态上报门限值。

本发明提出的低功耗土壤温湿度检测装置包含一个或多个土壤温湿度传感器，一个具有互联网通信功能的短距离无线通信网关，以及用户控制终端（比如手机、电脑等等）。以下为本发明中各个设备的组成、功能及工作原理的详细介绍：

一、设备组成和功能：

1） 土壤温湿度传感器：该设备里包含短距离无线通信设备和土壤温湿度检测设备，这两个设备也是土壤温湿度传感器中主要的耗电部分。无线通信设备可以采用任何成熟的短距离无线通信技术（比如Zigbee、蓝牙等），该设备负责接收网关发送过来的指令，并且将测量结果发送给网关。土壤温湿度检测设备102负责检测土壤的温湿度。

2） 短距离无线通信网关：该设备里包含和土壤温湿度传感器里对应的短距离无线通信技术的设备（比如Zigbee、蓝牙等）、互联网通信设备（比如有线以太网通信设备、WiFi通信设备，或者移动网络通信设备等）以及一个智能测量控制设备。

3）用户控制终端：可以为手机、电脑等一切可以连接到互联网上的用户终端。用户可以通过终端实时查看土壤温湿度传感器的测量值。

二、工作原理：

我们知道，在正常的情况下（没有降雨、没有人为浇水，或者降水已经很充分），土壤温湿度的变化是一个缓慢的过程。在这种情况中，如果土壤温湿度传感器频繁地进行土壤温湿度测量，并且每次测量结束后都将结果通过无线设备上报给控制设备（或者用户终端）里，那么其实这一方面浪费了宝贵的电量，另一方面对提升用户体验而言并无益处。但在有降水的情况下（自然降雨或者人为浇水），土壤湿度值就会在短时间内发生变化。在这种场景下，如果土壤温湿度测量装置不能及时地将测量值上报给控制设备（或者用户终端）里，那么一方面会导致过量浇水的发生，另一方面也由于用户不能看到土壤温湿度值的实时变化从而降低了用户体验。

基于上述的分析，本发明中提出的土壤温湿度传感器10里采用了一种可动态调整测量和上报周期的方式，具体工作方式如下：

1）土壤温湿度传感器上电并完成初始化之后，即进入正常工作模式。首先通过无线通信设备从网关的智能测量控制设备处获得一些工作参数，其中包括：无线通信周期值A、温湿度测量周期值B、动态上报门限值C。无线通信周期值指的是土壤传感器中的无线设备每隔A分钟才会和网关进行一次通信，其它时间为休眠状态；温湿度测量周期值指的是土壤传感器中的温湿度检测设备每隔B分钟才会进行一次土壤温湿度测量，其它时间为休眠状态；动态上报门限值指的是只有当本次测量结果和上次测量结果之间的差值超过上报门限值C之后，无线设备才会将本次测量结果上报给网关中的智能测量控制设备。

2）上述的无线通信周期值A、温湿度测量周期值B、动态上报门限值C都由网关中的智能测量控制设备根据外部输入条件值动态产生。

外部输入条件值包括：

a) 网关所在地的即时天气情况（通过网关的互联网通信设备从互联网上获取到）：如果发现即时天气为降雨，那么网关中的智能测量控制设备即缩短温湿度测量周期值B。

b) 土壤传感器的上报值：在正常情况下（没有降水，或者降水已经很充分），土壤传感器的连续的几次温湿度上报值之间的变化会是很缓慢的。但如果发生了降水，土壤传感器的连续的几次温湿度上报值之间就会产生比较明显的变化。网关可以根据这些上报值之间的差值以及测量时间间隔来判断是否发生了降水以及降水量的相对大小，从而动态调整温湿度测量周期值B。

c) 人工浇水的时间设置或者水阀启动门限值设置：如果用户通过同一个网关来控制无线水阀进行浇水，那么在浇水时刻来临之前，或者在土壤湿度测量值即将达到水阀启动门限值之前，网关可以缩短温湿度测量周期值B。

d) 用户的设置：用户可以通过用户终端人为调整上述的A、B、C的值。

3）在正常情况下（没有降水，或者降水已经很充分），由于土壤温湿度值的变化是很缓慢的，因此温湿度测量周期值B可以设置得比较大，这样土壤温湿度检测设备在绝大部分时间内都是处于休眠状态。此外，通过动态上报门限值C的过滤作用，只有真正有变化的温湿度测量值才会由无线通信设备发送给网关。通过这种方式也有效降低了无线通信设备的功耗。

4）在开始降水的时候，网关中的智能测量控制设备将温湿度测量周期值B设置得比较小，这样土壤温湿度检测设备能够及时地检测出土壤温湿度值的变化。

5）为了降低功耗，土壤温湿度传感器在绝大多数时间内是处于休眠状态。但为了能够及时获得网关中智能测量控制设备产生的新指令（比如温湿度测量周期值B的调整），土壤传感器中的无线通信设备需要定时和网关通信，这里的定时周期值是由无线通信周期值A来确定。A值一般比B值小。同温湿度测量周期值B一样，无线通信周期值A也是通过网关的智能测量控制设备112根据外部输入条件来动态调整。

综上所述，本发明专利通过网关中的智能测量控制设备112来动态调整土壤温湿度传感器10的测量周期和结果上报周期，从而有效降低了土壤温湿度传感器10的整体功耗、提升了用户体验。

本发明专利具有较高的实用价值。和背景技术中提到的几个已有专利相比，本发明专利的有益效果是：

1) 采用智能化的动态调整测量周期和结果上报周期的方式来有效降低土壤温湿度传感器10的功耗，从而达到利用普通的干电池供电也能够维持较长工作时间的效果、提升了用户体验。

2) 采用普通干电池方案来替代外接市电方案，可以降低土壤温湿度传感器的产品成本、提高产品的使用安全性；

3) 采用普通干电池方案来替代太阳能面板加充电电池方案，可以降低土壤温湿度传感器的产品成本、提高产品的整体可靠性及使用寿命。

4) 产品成本的降低、可靠性的提高以及用户体验的提升将有效地促进土壤温湿度检测装置在普通家庭环境中的推广使用。

附图说明

图1为低功耗土壤温湿度检测装置的系统架构图；

图2为土壤温湿度传感器结构框图；

图3为短距离无线通信网关结构框图；

图4为一个包含低功耗土壤温湿度检测装置和无线水阀装置的智能浇水系统的架构图。

具体实施方式

本发明专利中提出的低功耗土壤温湿度检测装置既可以做为一个独立的系统来检测土壤温湿度值，也可以和无线水阀装置组网，组成一个智能浇水系统。下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种可动态调整测量和上报周期的低功耗土壤温湿度检测装置，包括相互通讯连接的土壤温湿度传感器10、短距离无线通信网关11和用户控制终端12，土壤温湿度传感器10包含带有短距离无线通信设备101的土壤温湿度检测设备102；短距离无线通信网关11包含相互通讯连接的短距离无线通信设备111、互联网通信设备113和智能测量控制设备112；用户终端12为可与互联网通讯设备通讯连通的智能设备。还包括可自动喷水的无线水阀13，无线水阀13与短距离无线通信网关11通讯连接。短距离无线通信设备111和短距离无线通信设备101为蓝牙或Zigbee，用户终端12为手机或电脑等智能上网设备。土壤温湿度传感器10与短距离无线通信网关11之间以短距离无线通信技术进行双向无线通信。

一种可动态调整测量和上报周期的低功耗土壤温湿度检测装置的检测方法，按照如下步骤进行：

1）检测模式选择，短距离无线通信网关11根据当地当天的天气状况制定适宜的湿度检测模式；

2）数据加载，短距离无线通信网关11将选择好的湿度检测模式推送给所述土壤温湿度传感器10；

3）数据推送，土壤温湿度传感器10将超过预定限值的检测数值提交给短距离无线通信网关11；

4）终端控制，短距离无线通信网关11将步骤3推送的数据提交给用户控制终端12，用户根据检测值偏高还是偏低选择是需要排水还是开启无线水阀13。

实施方式一：一个独立的低功耗土壤温湿度检测系统

如图1所示，一个独立的低功耗土壤温湿度检测系统中包含一个土壤温湿度传感器10、一个具有互联网通信功能的短距离无线通信网关11以及一个用户控制终端12。土壤温湿度传感器10将土壤温湿度测量值通过无线的方式上报给网关11，网关然后将该值通过互联网通信设备113发送到用户终端12上去。网关中的智能测量控制设备112根据当地的即时天气情况以及土壤温湿度传感器10的测量上报值动态调整温湿度测量周期。土壤温湿度传感器10中的温湿度检测设备102根据网关产生的温湿度测量周期来启动测量工作，在其余时间进入休眠状态以节省电力消耗。在正常情况下（没有降水，或者降水已经很充分），温湿度测量周期可以设置得比较长（比如半个小时甚至一个小时）；在发生降水的情况下，温湿度测量周期可以设置得比较短（比如一分钟甚至30秒）。通过这种动态调整测量周期的方式，在保证了用户体验的前提下有效地降低了土壤温湿度传感器10的整机功耗。

实施方式二：一个包含低功耗土壤温湿度检测装置和无线水阀装置的智能浇水系统

图4中所示的智能浇水系统包含了一个土壤温湿度传感器10、一个无线水阀13、一个具有互联网通信功能的短距离无线通信网关11以及一个用户控制终端12。土壤温湿度传感器10、无线水阀13以及网关11中采用同一种短距离无线通信技术（比如Zigbee或者蓝牙）。用户可以通过控制终端12设置无线水阀13的浇水时间。网关11在该浇水时间到来之前将调整后的温湿度测量周期值（比如一分钟甚至30秒）发给土壤温湿度传感器10，这样当浇水开始时，土壤温湿度传感器10即可及时地启动温湿度测量过程，用户就可以在控制终端12上看到实时的温湿度测量值变化。当浇水结束后，网关11将新的温湿度测量周期值（比如半个小时甚至一个小时）发给土壤温湿度传感器10，这样土壤温湿度传感器10在绝大部分时间内都将处于休眠状态，从而有效节省整机功耗。

用户也可以将智能浇水系统设置为全自动模式，也就是说，用户通过控制终端12设置一个水阀开启门限值，并将该值发送给网关11。当土壤湿度低于该门限值时，网关11即通知无线水阀13开始浇水。在这种全自动模式下，网关11根据土壤温湿度传感器10的上报值，在该值即将到达水阀开启门限值之前调整温湿度测量周期值（比如一分钟甚至30秒），这样当浇水开始时，土壤温湿度传感器10即可及时地启动温湿度测量过程。当浇水结束后，网关11将新的温湿度测量周期值（比如半个小时甚至一个小时）发给土壤温湿度传感器10。

以上所述仅为本发明的两个典型实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。