一种低功耗害虫自动监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种低功耗的、能实现农田害虫大范围自动监测的监测系统，它包括若干个害虫监测终端、终端管理主机和害虫监测数据中心。诱捕器包括圆柱状外壳、漏斗结构、传感器、控制模块、无线通信模块、电池盒及定时器，外壳上部周向均匀布置害虫进入孔。本发明所提供的害虫监测系统以传统的害虫性引诱剂诱捕器为基础，安装了传感器及无线网络技术，实现了自动监测害虫数量功能，并配设了数据处理中心用于接收和分析监测数据；同时，本发明的监测终端的控制模块采用了低功耗模式；本发明的电池管理模块同时对电池电源进行升降压处理，稳压电压，保证最大化利用电池电量，更进一步降低功耗、延长使用时间。
【专利说明】一种低功耗害虫自动监测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及农业自动化技术，特别涉及能自动计数的害虫诱捕器及相关组网技术的害虫自动监测系统。
【背景技术】
[0002]昆虫诱捕器在应用时最大问题在于:1、无法实现自动计数功能，需要每天进行人工清点，费时费力且易出错；2、害虫监测时要求各个诱捕器之间有较大间距，受人力限制，无法进行大范围应用。对诱捕器进行自动化改造并与无线通信相结合对提高农业害虫监测效率具有十分明确的现实意义。
[0003]无线传感器网络涉及传感器技术、低功耗技术、嵌入式计算机技术、无线通信技术和分布式信息处理技术，因其广阔的应用背景成为备受关注、高度多学科交叉的研究热点。国内外早已将无线传感器网络引入了农业生产之中，特别的是在温室大棚管理上的应用。国外如Mizunuma等(2003)年在农田和温室中应用WLAN技术检测农作物生长并对生产系统实施远程控制。而在国内也有部分发明见诸报道，特别是在ZigBee技术提出之后。例如周益明等(2007)提出了基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控系统等。
[0004]由此可见，为无线传感器网络技术应用是农业现代化的必然趋势，但是在现有的应用实例上也存在着许多不足之处。一方面，现有的一些研究成果并没有很好的解决农田环境电源供应问题，因此多应用在温室栽培上，而无法在广阔的农田环境下使用；另一方面，现有的研究成果局限于小气候控制等方面，例如只能用温湿度传感器设计大棚环境参数监测系统等，在农业害虫监测自动化方面尚为空白。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种低功耗的、能实现农田害虫大范围自动监测的监测系统。为此，本发明采用以下技术方案:它包括若干个害虫监测终端、终端管理主机和害虫监测数据中心，监测终端将传感器测得的昆虫进入信号数据包发送至终端管理主机，终端管理主机将所有监测终端的数据发送至害虫监测数据中心。
[0006]所述监测终端为昆虫性诱剂诱捕器，所述诱捕器包括圆柱状外壳、漏斗结构、传感器、控制模块、无线通信模块、电池盒及定时器，所述外壳上部周向均匀布置害虫进入孔，所述漏斗结构设置在外壳内部并处于害虫进入孔下方，漏斗结构包括漏斗体及漏斗体下方的漏斗管，漏斗管上设置有传感器，无线通信模块及电池盒同处于漏斗结构下方，所述传感器与控制模块相连，感应进入诱捕器的害虫，实现自动计数；
所述漏斗管采用深色塑料制作，并在漏斗管上安装传感器，所述传感器为光电传感器。
[0007]所述监测终端的控制模块为能够实现休眠的单片机，所述监测终端的无线通信模块为能够实现无线唤醒和近距离通信的单片集成射频芯片，其电源管理模块为能够实现
2.7-5V到3.3V电压升降压变换的高效电源芯片。其中，控制模块为MSP430G系列单片机，所述监测终端的无线通信模块为CllOl芯片，所述监测终端的电源管理模块为TPS63031。[0008]所述的光电传感器为低功耗设计的光电门传感器，它包括发送器、接收器和驱动电路，发送器和接收器选用红外对管进行发送和接受，并在驱动电路上加以改进:在发射管上串接IkQ的限流电阻，降低发射管电流；将接收管的发射极直接连接到一颗三极管的基极上，对光电流进行放大，提高接收端的灵敏度；
同时，在发射电路上增加开关管，对发射管进行脉冲调制，该脉冲的占空比为10%，发射管的平均工作电流降为原来的二十分之一至五分之一，仅在脉冲信号的高电平时监测害虫，最终传感器实测平均电流约0.05mA，较传统光电传感器十几毫安功耗降低了 2个数量级。
[0009]所述害虫监测系统具有两种工作状态:休眠状态及事件响应状态，
当处于休眠状态时，监测终端的控制器工作于低功耗模式，关闭所有无关外设，仅保留定时器产生调试信号，无线通信模块工作处于无线唤醒状态；
当处于事件响应状态时，监测终端响应三种事件，并作出响应动作:1)害虫落入诱捕器，触发传感器发出电信号唤醒监测终端的控制器，监测终端的控制器中的计数器加一，完成动作之后,系统再次进入休眠模式；2)监测终端接收到管理主机的命令，唤醒监测终端的控制器，完成响应功能，完成动作之后，系统再次进入休眠模式；3)监测终端接收到其他监测终端的命令，根据一定路由规则进行转发，完成动作之后，系统再次进入休眠模式。
[0010]所述终端管理主机包括控制模块、短距离通信、太阳能电池系统与GPRS通信模块；
所述终端管理主机的供电系统为太阳能电池系统，所述终端管理主机的GPRS通信模块能提供与普通手机网络的接入。
[0011]所述害虫监测数据中心包括PC机服务器；
所述的一种低功耗害虫监测系统，其特征在于所述终端管理主机与各个监测终端之间根据一个自定义的网络协议进行通信和网络管理。自定义的网络协议主要分成硬件层和网络层两个部分。
[0012]协议硬件层定义了网络传输所需的信道参数、地址、数据包格式，以及地址过滤和CRC校验；协议网络层提供了一种基于跳数树状网络拓扑的组网形式，主要包括重置后组网、最短路径向量路由和能量均衡。
[0013]由于采用了本发明的技术方案，本发明所提供的害虫监测系统以传统的害虫性引诱剂诱捕器为基础，并在该基础上作出改进，安装了传感器及无线网络技术，实现了自动监测害虫数量功能，并配设了数据处理中心用于接收和分析监测数据；同时，本发明的监测终端的控制模块采用了低功耗模式，并配设了低功耗通信芯片CCllOl和自主设计低功耗光电传感器，进一步降低系统功耗；本发明的电池管理模块同时对电池电源进行升降压处理，稳压电压，保证最大化利用电池电量，更进一步降低功耗、延长使用时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的系统架构示意图。
[0015]图2为监测终端结构示意图。
[0016]图3为图2的C-C剖视图。
[0017]图4为监测终端原理图。[0018]图5自动检测终端工作流程图。
[0019]图6为传感器模块原理图。
[0020]图7为传感器工作时序图。
[0021]图8为终端管理主机原理图。
[0022]图9为监测数据中心原理图。
[0023]图10为网络协议分层结构。
[0024]图11为网络拓扑结构。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图对本发明技术方案进行进一步说明。
[0026]本发明包括若干个监测终端、终端管理主机和害虫监测数据中心。如图1所示,若干个监测终端、终端管理主机组成田间传感器网络，通过现有因特网和/或手机网络与害虫监测数据中心链接。害虫监测监测数据中心主要负责各个田间传感器网络的远程管理，并进行数据汇总及分析。一个数据中心可以管理多个田间传感器网络，以实现多级监测网络组建、数据分类采集汇总及分析应用；田间传感器网络主要由一个终端管理主机和众多监测终端组成，负责某一区域。终端管理主机负责田间传感器网络与外界网络的数据交互，并负责整个田间传感器网络的管理，通过田间网络采集各个监测终端的数据，并通过手机网络发送到害虫监测数据中心。监测终端在诱捕器的基础上通过添加光电传感器实现了捕获害虫自动统计的功能，并利用许多具有针对性低功耗电路设计方案保证电池供电情况下监测终端长时间正常工作。
[0027]如图3所示，所述监测终端为昆虫性诱剂诱捕器，所述诱捕器包括圆柱状外壳1、漏斗结构2、传感器3、控制模块4、无线通信模块5、电池盒6，所述外壳上部周向均匀布置害虫进入孔7，所述漏斗结构2设置在外壳内部并处于害虫进入孔7下方，漏斗结构2包括漏斗体21及漏斗体下方的漏斗管22，漏斗管22上设置有传感器3，无线通信模块5及电池盒6同处于漏斗结构2下方，所述传感器3与控制模块4相连，感应进入诱捕器的害虫，实现自动计数；
所述漏斗结构2的漏斗管采用深色塑料制作，减小环境光对传感器的影响，在漏斗管上安装传感器3，所述传感器为光电传感器，传感器的输出链接到控制模块4上，感应进入诱捕器的害虫，实现自动计数。控制模块4 (MSP430G系列单片机)与无线通信模块(5C1101芯片)放置于传感器3的后面，边上是电池盒6与电源管理模块一起，为系统供电，充分挖掘电池电容量，提高系统工作寿命。
[0028]如图4所示自动监测终端原理图，自动监测终端由传感器模块、无线通信模块、控制器模块和电源管理模块组成。各部分的连接关系为:以控制芯片MSP430G2452为中心分别与传感器、无线通信芯片CCllOl相连，电池通过升降压芯片TPS63030为各个部分供电。传感器输出的模拟信号经过控制芯片内部的比较器变为高低电平，当害虫掉落的时候会引起传感器输出变化触发控制芯片中断，控制芯片处理中断时自动计数。控制芯片通过SPI总线与无线通信模块相连，一般情况下无线通信芯片均处于睡眠状态，仅当需要通信的时候才被唤醒。
[0029]所述的光电传感器为低功耗设计，该传感器在传统光电门的基础上，，选用红外对管并在驱动电路上加以改进，如图6所示。在发射管上串接IkQ的限流电阻，降低发射管电流；同时将接收管的发射极直接连接到一颗三极管的基极上，对光电流进行放大，提高接收端的灵敏度；
在此基础上，在发射电路上增加开关管，对发射管进行脉冲调制，仅在脉冲信号的高电平时监测害虫。本发明使用占空比为10%脉冲进行调试，发射管的平均工作电流降为原来的二十分之一至五分之一。最终传感器实测平均电流约0.05mA，较传统光电传感器十几毫安功耗降低了 2个数量级。
[0030]如图5所示基于时间驱动的低功耗管理程序的工作流程图，系统具有两种工作状态:休眠状态及事件响应状态，
当处于休眠状态时，监测终端的控制器工作于低功耗模式，关闭所有无关外设，仅保留定时器产生调试信号，无线通信模块工作处于无线唤醒状态；
当处于事件响应状态时，监测终端响应三种事件，并作出响应动作:1)害虫落入诱捕器，触发传感器发出电信号唤醒监测终端的控制器，监测终端的控制器中的计数器加一，完成动作之后,系统再次进入休眠模式；2)监测终端接收到管理主机的命令，唤醒监测终端的控制器，完成响应功能，完成动作之后，系统再次进入休眠模式；3)监测终端接收到其他监测终端的命令，根据一定路由规则进行转发，完成动作之后，系统再次进入休眠模式。
[0031]如图6所示传感器模块原理图。本发明根据实际应用时光电对管的工作距离较近的特点，加大串接在发射管上的限流电阻(1ΚΩ)降低发射管功耗，并将发射管的负极连接控制信号输入端口，仅当控制端口信号为低电平时产生电流发射管发光；将接收管反接，发射极连接到40ΚΩ左右的电阻上，如果接收管接收到信号产生光电流，那么就会在电阻上产生一个到电平输出。在此基础上，将传感器的输入端口接连接到具有一定输出能力的单片机引脚上，便可以方便的控制传感器模块的开关。
[0032]如图7所示传感器工作时序图，控制信号为占空比较高的PWM波，对应的传感器输出信号为周期性的脉冲信号。传感器在工作时，没有物体落入的情况下，传感器一直输出规则的周期性脉冲信号；如果在某一个时刻有物体掉落遮挡光源，那么对应的传感器输出信号就会消失直到物体离开。在控制信号的低电平时监测输出信号的高低电平便可以判断是否有物体遮光。当控制信号的周期，小于物体掉落遮挡传感器的时间，便可以实现传感器的虚拟实时工作。如果使用占空比仅为10%脉冲进行调试，那么发射管的平均工作电流将降为原来的十分之一，可有效的降低了发射管工作电流。
[0033]实际应用的时候一个更加重要的问题是传感器的可靠性问题。虫落下时传感器没有输出和没有虫的时候的误触发问题会对实际的应用带来的严重的问题，本设计通过以下方法保证传感器的可靠性。由于害虫落下的数据较慢，通常能够遮挡光线数十个毫秒，使调制波的周期远小于这个时间便能做到等效的实时监测。为了避免传感器输出信号在变化沿上存在的毛刺造成误触发，控制器在检测传感器信号时同时通过在上升沿和下降延时定义一个触发延时，在这个延时时间间隔里只响应一个触发沿；为了避免不同大小的害虫在落下时的时间间隔不同，控制器对于触发信号只检测信号的变化沿，当一个信号变化沿到来时只引起一次触发，而与信号持续时间的长度无关。这些措施均可保证传感器的可靠性。
[0034]通过以上设计，选用了红外对管并在驱动电路上加以改进，并对红外发射管进行脉冲调制，解决了传统光电门高功耗缺点，最终使平均电流降到0.05mA(较传统光电门降低2个数量级)左右；同时对传感器信号进行了技术处理，保证传感器的可靠性。
[0035]如图8所示终端管理主机原理图，由控制模块、传感器网络接口、GPRS通信模块、太阳能电池模块组成，主要负责传感器网路的路由管理，本网络数据的临时存储和监测数据中心进行通信等功能。传感器网络接口(CC1101)，提供终端管理主机与各个监测终端通信的模块，具有与整个传感器网络相同的硬件标准。控制模块(MSP430单片机):控制中心，通过接口管理所有相关外设；传感器网络管理中心，不断更新所有终端工作状态，及时报告问题终端；树状网络的网关，存储整个网络的路由表，可根据一定算法寻找最优路径；数据临时存储及简单分析。RTC实时时钟模块:提供定时信息，根据设置数据采集时间，终端管理主机根据设置自动向监测终端发送指令，唤醒终端，进行数据采集。太阳能电池模块:长时间有效的提供能源，能够支持较大的功耗。GPRS通信模块:GPRS通信模块利用手机网络，实现数据远距离发送与指令接收。使得监测地点不受距离的限制，方便不同级别与规模的监测网络组建。
[0036]如图9所示为监测数据中心原理图，所述害虫监测数据中心包括PC机服务器及运行其上的数据库程序。所有终端管理主机都会向该域名发送本网络的数据，服务器负责接收所有数据，再由服务器上的数据库程序负责各个田间传感器网络的数据汇总及分析。一个数据中心可以管理多个田间传感器网络，可以灵活组建不同规模的害虫监测网络。
[0037]本发明在终端管理主机和监测终端之间运行一个自定义的无线网络协议。本协议针对本传感器网络规模较小，监测终端为电池供电，通信数据率较小，较少的直接相互通信等特点设计，能够保证网络间的数据通信及整个网络的维护。
[0038]如图10所示，本网络协议主要分为硬件层、网络层两个部分。
[0039]硬件层定义了网络传输所需的信道参数、地址、数据包格式，以及地址过滤和CRC校验。整个网络工作在433MHz的ISM波段，采用GFSK调制方式进行通信，无线通信数据率100Kb/S。为了进一步降低功耗，无线通信模块在平时大多数时间里都处于休眠模式，而仅仅在需要使用的时候由主节点用无线信号进行唤醒。
[0040]数据包格式如表1所示。本网络协议中的数据及命令主要通过数据包的形式在网络中进行传播。为了适应数据与命令的长度差异，提高网络的通信效率，本协议中采用的是变长数据包。
头有效货载I尾It导信号I同步字节I度丨B的地址丨貴载 I CRC校验
[0041]表1网络层数据包格式
数据包由头部、有效负载和尾部等三个部分组成。数据包头部包括前导信号(在同步信号之前发送的随机的0101交替序列)和同步信号(在发送有效负载之前，发送的4个字节的事先指定同步字节)。通过对前导信号和同步字节的探测，设备能够有效的实现数据包的位和字节同步。有效负载的第一个字节便是本数据包的长度，由SBit组成，支持长度从2到255个字节的变长数据包，在接收数据包时会对数据包的长度进行监测，如果数据包的长度不符合要求，则直接抛弃数据包。有效负载的第二个字节为目的地址，本网络协议支持16-bit地址，前八位用于表示网络号与信道以一定规则相对应，便于进一步扩展网络容量；后八位用于标识网络中的各个节点。目的地址，用于指示数据包将要到达的节点号，支持地址过滤功能，网络层在接收到非本节点的数据包时直接抛弃。当目的地址为OxOO时，数据包进行广播，网络中所有收到数据包的节点都进行处理；当目的地址为其他时，点到点通信开启地址过滤。尾部包含CRC校验字，每个数据包在发送的时候都会进行16位CRC计算，计算所得的值作为数据包的尾部直接添加到有效负载的后面。在数据包接收的时候，会进行一次CRC纠错，如果没有通过CRC校验，这整个数据包直接丢弃。
[0042]如图11所示，本协议提供了一种基于跳数树状网络拓扑的组网形式，主要包括重置后组网、最短路径向量路由和能量均衡。
[0043]重置后组网:本传感器网络在应用时网络的拓扑结构并不会发生较大的变化，或者说使用的过程中一旦网络已经建立，除非网络中有节点出现故障，否则网络的路由关系并不会发生变化。这种情况下，本网络协议不需要进行动态路由的更新，由此可以节省大量的网络开销，而是采用一种类似类似于重置的方式，向应用层提供一个重置接口，在需要更新路由表的时候进行重置重新搜索网络节点并建立路由表。
[0044]最短距离向量路由:本网络在实际应用时终端与终端之间的距离一般固定的且位于有效的通信范围之内。终端与终端之间只要能够通信，那么通常情况下链路质量并不会有太大的差别，可以认为各个链路是对称的。为了方便判断，本协议选择距离向量作为判据进行路由选择。
[0045]本协议的组网过程从管理主机开始逐跳向外搜索直到最远的一个节点为止，具体可以分为如下几步:
(I)管理主机发射组网请求信令,从机接收到信令后回传本节点信息到主机进行注册；主机继续发射一遍信令以确认第一条范围内没有未注册的终端，如没有响应信号则执行
(2)，否则在发射一遍组网信令。
[0046](2)在已经注册完的最新一跳终端的基础上，有主机控制各个终端向外搜索更外一跳的终端，并根据能量均衡原则进行路由选择。
[0047](3)如果没有搜索到更外层的终端则停止组网，否则重复步骤(2)。
[0048]能量均衡:低功耗网络需要保证整个网络能够有效的长时间工作，这就要求网络中的每一个终端都能够尽可能地均衡地被分配网络任务。一旦保证路由的建立也应当考虑这个问题，尽可能避免通过同一个终端建立过多的路由，或者可以将这成为能量均衡。
【权利要求】
1.一种低功耗害虫监测系统，它包括若干个监测终端、终端管理主机和害虫监测数据中心， 所述监测终端为昆虫性诱剂诱捕器，其特征在于所述诱捕器包括圆柱状外壳、漏斗结构、传感器、控制模块、无线通信模块、电池盒及定时器，所述外壳上部周向均匀布置害虫进入孔，所述漏斗结构设置在外壳内部并处于害虫进入孔下方，漏斗结构包括漏斗体及漏斗体下方的漏斗管，漏斗管上设置有传感器，无线通信模块及电池盒同处于漏斗结构下方，所述传感器与控制模块相连，感应进入诱捕器的害虫，实现自动计数； 所述终端管理主机包括控制模块、短距离通信、太阳能电池系统与GPRS通信模块； 所述害虫监测数据中心包括PC机服务器； 所述监测终端将传感器测得的昆虫进入信号数据包发送至终端管理主机，终端管理主机将所有监测终端的数据发送至害虫监测数据中心。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗害虫监测系统，其特征在于所述漏斗管采用深色塑料制作，并在漏斗管上安装传感器，所述传感器为光电传感器。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗害虫监测系统，其特征在于所述监测终端的控制模块为能够实现休眠的单片机，所述监测终端的无线通信模块为能够实现无线唤醒和近距离通信的单片集成射频芯片，其电源管理模块为能够实现2.7-5V到3.3V电压升降压变换的闻效电源芯片。
4.根据权利要求3所述的一种低功耗害虫监测系统，其特征在于所述单片机为TI的MSP430G系列单片机，单片集成射频芯片为TI的CC1101，高效电源芯片为TI的TPS63031。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗害虫监测系统，其特征在于所述的光电传感器为低功耗设计的光电门传感器，`它包括发送器、接收器和驱动电路，发送器和接收器选用红外对管进行发送和接受，并在驱动电路上加以改进:在发射管上串接IkQ的限流电阻，降低发射管电流；将接收管的发射极直接连接到一颗三极管的基极上，对光电流进行放大，提高接收端的灵敏度； 同时，在发射电路上增加开关管，对发射管进行脉冲调制，该脉冲的占空比为10%，仅在脉冲信号的高电平时监测害虫，最终传感器实测平均电流约0.05mA。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗害虫监测系统，其特征在于所述监测终端具有两种工作状态:休眠状态及事件响应状态， 当处于休眠状态时，监测终端的控制器工作于低功耗模式，关闭所有无关外设，仅保留定时器产生调试信号，无线通信模块工作处于无线唤醒状态； 当处于事件响应状态时，监测终端响应三种事件，并作出响应动作:1)害虫落入诱捕器，触发传感器发出电信号唤醒监测终端的控制器，监测终端的控制器中的计数器加一，完成动作之后,系统再次进入休眠模式；2)监测终端接收到管理主机的命令，唤醒监测终端的控制器，完成响应功能，完成动作之后，系统再次进入休眠模式；3)监测终端接收到其他监测终端的命令，根据一定路由规则进行转发，完成动作之后，系统再次进入休眠模式。
7.根据权利要求1所述的一种低功耗害虫监测系统，其特征在于所述终端管理主机的供电系统为太阳能电池系统，所述终端管理主机的GPRS通信模块能提供与普通手机网络的接入。
8.根据权利要求1所述的一种低功耗害虫监测系统，其特征在于所述终端管理主机与各个监测终端之间根据一个自定义的网络协议进行通信和网络管理，自定义的网络协议主要分成硬件层和网络层两 个部分。
【文档编号】H04W84/18GK103700237SQ201310682494
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】杨驾鹏, 杨廉伟, 王华弟 申请人:杨驾鹏