专利名称：一种用于温室大棚的无线环境监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型专利是一种应用ZigBee无线数据传输技术对温室大棚进行环境监测的装置。其主要技术包括多传感器接口实现、多种供电方式兼容、低功耗系统构建、ZigBee 无线传输、按键和指示灯设计及监测装置结构的整体设计。
背景技术：
目前，在我国广大农村的温室大棚中，种植户主要依赖传统的温度计、湿度计等装置，依靠人工实地读取的方式获得环境信息，监测的环境参数少，获得的信息量小，且测量装置的落后和人工读取的误差使得获取的信息准确度差。这成为制约温室作物质量和产量的重要因素。除此之外，在果树花卉的专业种植、农业示范园及科研院所的作物培育过程中，对于多种必要环境信息的精确化采集更是有着强烈而迫切的需求。当前在农业的信息化领域，对于温室大棚环境监测的理论研究可谓不少，但是真正实现产品化并进入市场的却寥寥无几且并不完备。据调研，市场上的温室大棚环境监测方案主要有三种。第一种温室内安置一套终端设备，该终端可实时采集数据，农户定期过来复制数据。该产品无法实现数据的远程收集，复制数据麻烦且实时性差，只适合在科研单位进行实验使用。第二种温湿度采集设备通过有线方案和附近的电脑相连，通过线缆传输数据，并实现远程控制。该产品的缺点在于布线成本高，且设备安置后无法移动，而且很多大棚地处偏僻，在紧挨大棚的地方建设监控中心投入巨大。第三种借助GPRS/3G网络实现数据的远程传输。这是一种较为理想的远程传输方案，但是对于小范围密集式分布的监测需求，这种方案显然成本太高。因此，市场上急需一种能够全面考虑温室大棚环境监测需求，能够适应温室的特殊环境，功能完备，实用性强的环境监测产品。
发明内容为了推进农业的信息化进程，针对温室大棚的环境监测，本实用新型提供了一种基于ZigBee无线传输技术的温室大棚环境监测装置，该装置可以采集温室大棚的空气温湿度、土壤温度、土壤湿度、CO2浓度、光照强度等信息，并将采集到的数据通过无线传输到基站。为了全面采集温室大棚内的环境信息，鉴于传感器有模拟信号和数字信号两种， 我们在硬件上设计了 4路模拟传感器输入(5V供电)和5路数字传感器输入(3V供电)。 其中模拟信号采用电阻分压的方式降压后进入单片机，数字信号通过IIC总线或Ι-wire总线协议与单片机连接。各信号输入端都有相应的保护电路。该实用新型目前挂接了5路传感器，分别是空气温湿度、土壤温度、土壤湿度、CO2和光照强度传感器。还有4路输入通道未占用，方便以后扩展其他传感器。无线数据传输采用国际上广泛应用的ZigBee技术，其数据包确认机制和重发机制能够保证数据传输的可靠性，其低功耗和低成本的特点能够降低系统功耗和成本。该种无线传感器网络可以通过在网路中添加中转路由实现无限扩展，从而达到近程和远程监测的目的。考虑到不同类型的温室大棚中电源分布不同，我们为本实用新型设计了三种供电方式，分别为外接直流电源、内部一次性干电池、内部可充电电池(外接太阳能电池板)。 为了节省用电量以及延长在没有外部电源情况下的工作时间，我们对系统进行了低功耗设计，包括CPU周期性休眠，CPU降频，设计电源控制电路三种方法，使得该装置在外接直流电源和内部可充电电池模式下可以连续工作且耗电极少，在内部一次性干电池供电模式下可工作3年以上。为了指示该装置的工作状态并对装置进行一定的测试和配置操作，我们给本实用新型设计了指示灯和功能按键。通过指示灯可以清楚地知道当前无线网络和整个系统是否正常工作以及工作在何种模式。功能按键的设置可以方便技术人员对系统进行软复位并对装置进行功能测试，同时按键组合可以实现无线修改节点自身ID编号和节点类型的功能， 使得装置应用的灵活度增加。温室大棚的环境湿度特别大，我们在本装置结构设计中考虑了防水、防锈设计。传感器的输入端通过防水航空插头进入装置，外壳的紧固螺杆选用不锈钢优质螺杆，防止生锈。另外，考虑到温室的硬件环境，在大棚温室内，只有顶棚可悬挂设备，而有些玻璃温室的层高很高，不便于土壤环境的测试，所以我们加装了固定设备的三角架以支撑设备。本实用新型的有益效果是，为温室大棚中作物的精细化培育提供全面、准确的环境信息，从而有益于帮助科研人员或普通种植户做出决策以提高作物的质量和产量。低功耗系统的构建，指示灯和按键的设计以及专门针对温室大棚环境的供电模式和外形结构设计使得本装置有很强的针对性和实用性。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型电路原理图；图2为本实用新型信号输入端口原理图；图3为本实用新型三种供电模式原理图；图4为电路中各模块的电源控制具体实施方式
如图1所示，我们对本实用新型电路部分进行了模块化设计。电源模块有三种模式可以选择，视温室大棚的具体环境选择其一。其中，核心模块MCU、无线模块和传感器是分别独立供电的，这是为了满足系统的低功耗需求，当某一模块不工作时，可以掉电以减少能
^^ ο传感器输入端我们采用四端子防插反插针，如图2所示，数字传感器供电电压为 3V,通过IIC总线或Ι-wire总线协议与单片机通信，且输入端带有保护二极管，防止静电对电路造成破坏。为防止输入端悬空，数字信号输入端带有上拉电阻。模拟传感器供电电压为5V，其输入信号采用电阻分压的方式降压后进入单片机，模拟输入端同样带有防静电保护二极管，同时为防止模拟输入电压超出单片机的电压承受范围，我们还在电路中添加了电压保护芯片1，将进入单片机的电压限制在0V-3V之间。[0018]本实用新型兼容三种供电方式，分别为外接直流电源、内部一次性干电池、内部可充电电池(外接太阳能电池板)，其原理图如图3所示。不同供电模式之间切换简单①外接直流电源电压要求为5V，用跳线将插针的2、3端口短接即可。②内部一次性干电池采用3. 6V大容量锂电池，安装在电池盒内，用跳线将插针的1、2端口短接，并断开太阳能充电电路。③内部可充电电池采用3. 6V可充电锂电池，安装在电池盒内，用跳线将插针的 1、2端口短接，接通太阳能充电电路。太阳能充电电路的核心为太阳能充电芯片，该芯片内部带有电池过充保护电路，同时我们在软件中设置了电池过放保护，对电池电压进行AD 采样，当电池电压小于阈值时，切断装置电源。这两种措施可以尽可能地保护可充电锂电池。为了减少耗电量，延长装置的工作时间，我们进行了严格的低功耗设计。该装置需要完成的是一个周期性采集发送的过程，在大部分时间里装置是不工作的。在装置不工作时，通过软件设置CPU进入休眠模式，每隔十分钟唤醒一次，每唤醒一次工作十秒钟，在十秒钟内完成数据的采集和发送。同时，在CPU休眠时，切断ZigBee无线模块和传感器的电源，减少装置在非工作时间的电量消耗。其原理如图4所示，电源模块提供的电压经过LDO 芯片分别供给MCU、无线模块和传感器。由于MCU是整个系统的控制核心，其电源是不可关断的。并且，MCU控制着为无线模块和传感器提供电压的LDO芯片的使能端，当系统完成数据的采集和发送后，MCU断开LDO芯片的使能，使无线模块和传感器掉电，然后CPU进入休眠模式。最后，由于本装置工作量并不大，我们减低了 CPU的频率进一步节省电量。本实用新型采用的ZigBee技术是一种近距离无线通信技术，在实际的安装过程中，考虑到待检测点与基站的距离不同可以采用不同的布点方案。如果待监测点与基站距离在有效传输距离内，则可以将信号直接传输到基站；如果待监测点与基站距离超出 ZigBee信号的有效传输距离，则需要在网路中加装路由，或者将一定范围内各个节点采集到的信息发送到GPRS网关，通过GPRS网关将信息发送到因特网，实现远程监测。本实用新型是针对温室大棚的环境信息需求而开发的一种环境监测装置，它使用户可以通过无线全面而精确地获取温室大棚的各种环境信息，其设计思路完全依照温室大棚的特殊环境，应用目的是实现农业的精细化管理，对于农业的信息化进程将有重要意义。
权利要求1.一种用于温室大棚的无线环境监测装置，其特征在于所述装置由核心模块MCU、 ZIGBEE通信模块、电源模块、模拟和数字传感器及按键、指示灯构成，电源模块输出的电压分别供给核心模块MCU、ZIGBEE通信模块、模拟和数字传感器，核心模块MCU分别与ZIGBEE 通信模块、数字传感器及按键、指示灯相连。
2.根据权利要求1所述的用于温室大棚的无线环境监测装置，其特征在于所述的电源模块分为外接直流电源、内部一次性干电池和内部可充电电池，其中外接直流电源的供电电压为5V ；内部一次性干电池使用3. 6V大容量锂电池；内部可充电电池使用3. 6V可充电锂电池。
3.根据权利要求1所述的用于温室大棚的无线环境监测装置，其特征在于所述的模拟和数字传感器包括4路模拟传感器和5路数字传感器输，其中模拟信号采用电阻分压的方式降压后进入MCU，数字信号通过IIC总线或Ι-wire总线协议与MCU连接。
4.根据权利要求1所述的用于温室大棚的无线环境监测装置，其特征在于所述5路模拟传感器分别是空气温湿度、土壤温度、土壤湿度、CO2和光照强度传感器。
5.根据权利要求1所述的用于温室大棚的无线环境监测装置，其特征在于所述模拟和数字传感器的输入端通过防水航空插头进入。
专利摘要本实用新型公开了一种用于温室大棚的无线数据采集装置，属于低功耗无线传感器技术。该传感器项目采用单片机作为核心控制模块，设置了多路信号输入通道以挂接多路传感器，并设计了三种供电模式以适应不同大棚的电源环境。通过单片机对LDO芯片的使能管理、休眠算法以及CPU降频实现低功耗下数据的采集与发送，结合外部的指示灯和按键，技术人员可以清楚地知道系统的工作状态并对系统进行软复位、测试与配置等操作。本项目采用先进的ZigBee技术组建无线传感器网络，保证了数据传输的可靠性以及网络的自组织性。专门针对温室大棚环境进行的外形结构设计大大加强了本装置的实用性。
文档编号G01W1/02GK202120426SQ201020636459
公开日2012年1月18日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者刘洪涛, 吴云洁, 李鹏, 翟顺 申请人:北京旗硕基业科技有限责任公司, 北京航空航天大学