基于太阳能供电的农田环境监测系统的制作方法

本实用新型属于农业物联网的技术领域，具体涉及基于太阳能供电的农田环境监测系统。

背景技术：

在本实用新型发明之前，目前市场上的无线传感器节点的供电方式主要有两种，一种是使用干电池为传感器节点节点供电，此种方法需要不断更换电量耗尽的干电池，不但成本较高，而且长期地检查和维护会浪费大量的人力资源。另一种方法是依靠太阳能为充电电池充电，并由电池为节点实时供电，此种方法虽然省去了大量电池的成本，也降低了维护和更换电池的频率，但是在阴雨天气时，传感器会因为电压不足而无法稳定工作。

在现代化的智慧农业中，如何保证在天气恶劣时，无线传感器节点能够正常工作成为亟待解决的问题，因为天气恶劣时的农田中的各参数值更加的重要。

技术实现要素：

在本实用新型的目的就是克服上述缺陷，提供一种基于太阳能供电的农田环境监测系统。

本实用新型的技术方案是：

基于太阳能供电的农田环境监测系统，其主要技术特征在于太阳能电池模块经充电电路连接充电电池模块，太阳能电池模块、充电电池模块分别连接到传感器节点模块，传感器节点模块连接PC机；所述太阳能电池模块中的太阳能电池板连接开关S1，开关S1连接充电电路，直流变换电路连接传感器节点模块中的CC2530输入点，CC2530输出点连接开关S1；所述充电电池模块中锂电池连接开关S2，开关S2输出连接稳压电路，稳压电路连接传感器节点模块；所述传感器节点模块中传感器连接至信号放大电路，信号放大电路连接至处理器模块的CC2530，CC2530分别输出连接至比较电路、无线收发模块，CC2530连接比较电路，无线收发模块连接至功率放大电路。

所述直流变换电路连接开关S1。

所述锂电池有二块，分别连接开关S2、传感器节点模块的处理器模块中的比较电路。

所述开关S2输出连接的稳压电路有二个，分别为3.3V稳压电路、5V稳压电路，3.3V稳压电路、5V稳压电路分别连接传感器节点模块的处理器模块。

所述开关S1和开关S2为单刀双掷模拟开关。

所述比较电路的阈值电压设为3.45V。

所述传感器节点模块包括光照传感器、环境温湿度传感器、土壤温湿度传感器、可燃气体传感器、二氧化碳传感器、水中溶氧传感器、土壤水分传感器。

所述信号放大电路包括极性反转电路和电信号放大电路。

本实用新型的有益效果表现为：

1、本实用新型的农田环境监测节点，它主要适用于智慧农业中的环境参数采集，也适用于智能交通等领域的前端采集工作，应用范围广；

2、本实用新型的农田环境监测节点可以在光照不足等恶劣天气下稳定工作，环境适应性强，保证了传感器的功能不受天气的影响；

3、本实用新型的农田环境监测节点数据通信能力强，数据准确；

4、本实用新型的农田环境监测节点可以采集多种类型的传感器的信号、数据采集覆盖范围广，避免采集功能的单一化；

5、本实用新型的农田环境监测节点与上位机系统保持无线方式的连接，实时性好。

本发明的其他具体效果将在下面继续说明。

附图说明

图1——本实用新型的结构原理方框示意图。

图2——本实用新型的电源供给模块的主程序流程示意图。

图3——本实用新型的发送节点的主程序流程示意图。

图4——本实用新型的接收节点的主程序流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示：

太阳能电池模块经充电电路连接充电电池模块，太阳能电池模块、充电电池模块均连接到传感器节点模块，传感器节点模块连接PC机。

具体而言：

太阳能电池模块中的太阳能电池板分别连接开关S1、直流变换电路，开关S1连接充电电路，直流变换电路连接传感器节点模块中的CC2530输入点，CC2530输出点连接开关S1。

充电电池模块中有锂电池，本实用新型中设置有二块锂电池，充电电路分别连接该二块锂电池，锂电池连接开关S2，开关S2输出连接稳压电路，本实用新型中设置3.3伏稳压电路和5伏稳压电路，锂电池连接至传感器节点模块的处理器模块中的比较电路，处理器模块的比较电路连接开关S2，3.3伏稳压电路和5伏稳压电路也连接至处理器模块。开关S1和开关S2是单刀双掷开关。

传感器节点模块中传感器连接至信号放大电路，信号放大电路连接至处理器模块的CC2530，CC2530分别输出连接至比较电路、无线收发模块，CC2530连接比较电路，无线收发模块连接至功率放大电路。PC机处理来自传感器模块的各个信息并发出指令。

开关S1和开关S2是单刀双掷开关。

锂电池型号为锂聚合物型。

极性反转电路选用型号为ICL7660的芯片，电信号放大电路选用型号为OP-07的芯片。

处理器模块采用型号为CC2530的无线单片机。

本实用新型的应用过程说明，如图2、3、4所示：

当白天或非阴天时，传感器采集到信号后送至信号放大电路放大，信号放大电路与处理器模块连接；处理器模块与PC机无线连接。

本实用新型中，只有当电池的电压在3.4V以上，系统才能稳定地工作，由于比较电路工作和切换电池需要一定的反应时间，为了防止电池的输出电压低于3.4V，设定比较电路的阈值电压为3.45V。

本实用新型中，开关S1实现对充电锂电池的选择，开关S2实现对放电锂电池的选择，只有达到阈值的电池才能为系统供电，否则就接通太阳能电池电路为其充电；如果由于连续的阴雨天气等原因使两块电池电压均达不到阈值，系统将比较两块电池电压，由电压相对较高的电池为节点供电；最终，达到两块锂电池一充一放的效果，电源供给模块的主程序流程如图2所示。

本实用新型中，太阳能电池模块经过AD采集过程与处理器模块直接连接，可以实时监控电池的电压值；可充电锂电池经过开关S2与限流电路(省略，图中未画出)和稳压电路连接，这可以为传感器采集模块和处理器模块提供不同的电压值，保证了在信号采集的过程中，每个模块都工作在稳定的状态，进而确保最后采集到的数据真实而准确，此外，两块可充电电池的使用，克服了依靠单一的充电电池为节点供电存在的电压不足的缺陷，即使太阳能电池的电压值过低，也可以依靠双锂电池保存的电量维持相当长的一段时间，以达到缓冲的效果，保证了节点工作的连续性，相对延长节点的使用寿命，最终确保稳定地采集数据。

本实用新型在传感器与处理器之间插入了一个信号放大电路，由于电信号的波动较小，利用OP-07运算放大器和ICL7660极性反转电源转换器可以达到放大电信号的目的，电信号的放大表现为检测装置的灵敏性能进一步较强，提高了转换精度。所述传感器模块输出的电信号经过信号放大电路处理后与处理器的CC2530芯片的A/D转换口P0_4相连。

本实用新型采用的处理器芯片优选为CC2530无线单片机，处理器模块涵盖了A/D转换器、射频收发器和存储器，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据。其中，A/D转换器的主要功能是采集太阳能电池的电信号并转换为电压值、采集各种传感器的电信号并转换为参数值，射频收发电路用于实现节点与节点，节点与基站间的无线通信。所述处理器使用两个晶振，一个是高频的32MHz，另一个是低频的32.768KHz，高频晶振在射频收发时工作，低频晶振是为了减少功耗，在芯片睡眠时关闭内部某些电路，使它们以极低的频率工作，达到低功耗的目的。

本实用新型设计了一种相对简易的装置实现太阳能的智能供电，具有输出电压值波动小和可靠性高的优点，较好地保证了农田环境监测节点在光照不足等恶劣天气下可以稳定工作，主要适用于智慧农业中的环境参数采集和监测工作，也可应用于智能交通、智能医疗等领域，具有较高的应用价值和极广的应用范围。