一种农业无线传感器网络节点制造技术

本发明专利技术公开了一种超低功耗农业无线传感器网络节点的设计及降低其功耗的方法。该节点包括传感器模组，AD采集芯片，MCU控制模块,无线传输模块以及供电电路，其中无线传输模块中包括低功率射频电路和高功率射频电路。由于在农业传感器网络中普遍存在着传感器节点分布不均的情况，从而出现发射功率过剩和发射功率不足的现象，MCU控制模块可根据丢包率和信号强度控制模拟开关选通低功率射频电路或者高功率射频电路。另一方面，本发明专利技术使传感器处于间歇工作模式，大大缩短了传感器的工作时间，从而达到降低功耗的目的。本发明专利技术可切实解决目前无线传感器网络节点分布不均引起的能耗问题，提供一种稳固、高效、节能的无线传感器网络节点，在很大程度上可以提高传感器节点的电池使用寿命。

An agricultural wireless sensor network node

The invention discloses an ultra low power agricultural wireless sensor network node design and a method for reducing its power consumption. The node consists of sensor module, AD collection chip, MCU control module, wireless transmission module and power supply circuit, in which the wireless transmission module includes low power RF circuit and high power RF circuit. Due to the unequal distribution of sensor nodes in the agricultural sensor network, the phenomenon of excess power and low emission power appears. The MCU control module can select the low power RF circuit or the high power RF circuit based on the packet loss rate and the signal intensity control analog switch. On the other hand, the invention makes the sensor work in intermittent mode, greatly shortens the working time of the sensor, thereby achieving the goal of reducing power consumption. The invention can effectively solve the problem of energy consumption caused by the uneven distribution of nodes in wireless sensor networks, and provide a stable, efficient and energy-efficient wireless sensor network node, to a great extent, to improve the battery life of sensor nodes.

【技术实现步骤摘要】
一种农业无线传感器网络节点
本专利技术涉及农业传感
，尤其是涉及无线传感器领域。
技术介绍
在农业领域中，大范围、实时、高效地获取农情信息是现代化农业生产和管理的一个重要环节。传统的依靠人工采集和有线测量的数据获取方式在实时性、精准性和便捷性等方面均无法满足精准农业的要求。无线传感器网络技术的应用，恰好弥补了这些不足，让种植者能够快速地掌握各种监测对象的信息，做到科学合理地进行农业种植和生产。同时，面对复杂多变的农业环境，无线传感器网络技术在稳定性、数据处理和传输性能等方面仍存在诸多不足，依然需要更深层面的研究。农业无线传感器网络中两节点之间的通信质量取决于路径损耗和发射功率，其中路径损耗和通信距离和通信路径上是否存在障碍物有关。农业无线传感器网络所处的环境具有地势多样、天气状况复杂、检测面积达、传感器节点数量多等特点。因此无线传感器节点之间可能距离过远或者过近，或者节点之间存在可遮挡信号的障碍物的情况。从而导致无线传感器信号覆盖不均匀，发射功率过大会导致功耗过剩，发射功率过低无法满足通信质量。当传感器网络中的某一节点瘫痪时也会导致无线传感器的分布具不均，因此农业无线传感器网络对于功耗和通信质量有很高的要求。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种超低功耗农业无线传感器网络节点的设计方法及其降低功耗的方法，其可切实解决由于农业无线传感器节点放置环境复杂，分布距离不均而引起的能耗浪费和传输错误等问题，提供一种可靠、低功耗的农业无线传感器网络节点。本专利技术实施例提供了一种农业无线传感器网络节点，包括传感器模组，AD采集芯片，MCU控制模块,无线传输模块以及供电电路，所述传感器模组将采集到的数据经所述AD采集芯片传送到所述MCU控制模块进行处理，处理后的数据经所述无线传输模块发送出去，所述MCU控制模块同时控制所述农业无线传感器网络节点工作时间和选择射频通路，所述传感器模组包括多个种类的传感器。进一步的，所述无线传输模块包括射频芯片、单刀双掷模拟开关、低功率射频电路和高功率射频电路。进一步的，所述MCU控制模块根据所述无线传输模块反馈的丢包率及信号强度，控制所述单刀双掷模拟开关选择射频通路，避免发射功率不足和发射功率过剩的情况。进一步的，所述传感器模组包括多个传感器，所述传感器模组中预留所述传感器的接口，所述传感器分别连接所述AD采集芯片的部分通道，所述AD采集芯片部分通道用于预留扩容。进一步的，所述传感器采用间歇工作模式，每休息N秒工作X秒。进一步的，所述传感器模组工作与否由所述MCU控制模块的电源供电端控制，所述MCU控制模块控制三极管的栅极，当MCU控制模块输出高电平时，所述三极管导通，所述传感器模组电源接通，所述传感器处于工作状态。进一步的，所述供电电路包括锂电池，充电电路和稳压电路。进一步的，当农业无线传感器网络节点正常工作时，使用低功率射频电路；当通信的两个农业无线传感器网络节点之间信号弱时，所述MCU控制模块通过检测丢包率和信号强度低于某阈值时，控制所述单刀双掷模拟开关切换至所述高功率射频电路。进一步的，农业无线传感器网络节点处于多跳通信模式下，信号经过第一农业无线传感器网络节点传输至第二农业无线传感器网络节点，再由所述第二农业无线传感器网络节点传输到第三农业无线传感器网络节点，当所述第二农业无线传感器网络节点出现故障时，所述MCU控制模块通过检测丢包率和信号强度低于某阈值时，控制所述单刀双掷模拟开关切换至所述高功率射频电路。进一步的，所述传感器模组包括多个种类的传感器，所述传感器为二氧化碳、光照强度、空气温湿度、土壤水分或土壤温度传感器。本专利技术通过控制传感器模组中的各传感器定时工作，既能满足信息数据实时采集，又能将传感器模组的功耗降低至原来的X/(X+N)倍。例如二氧化碳传感器TGS4160的工作电流约为250mA，若传感器每工作1秒，休眠9秒，则功耗大大降低为原来的1/10。本专利技术设计的节点可自适应选择低功率射频电路和高功率射频电路，一方面可以使传感器网络中的某一节点出现故障，使传感器网络中出现信号薄弱区时，通过功率自动调整，跳过故障节点，保证整个网络的稳健性。另一方面当网络中的节点分布不均时，通过功率自调整，避免所有节点使用同一功率发射导致的射频功率过大导致的功耗浪费和发射功率不足导致通信质量差。附图说明图1为本专利技术的系统框图。图2为供电电路结构框图。图3为传感器模块的工作方式示意图。图4为MCU控制传感器模组工作方式电路图。图5为无线传输模块的内部构成及其连接关系。图6为低功率射频电路的电路图。图7为高功率射频电路的电路图。图8为当两节点间信号弱时的处理方式示意图。图9为当传感器网络中出现故障节点时的处理方式示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术实施例提供的一种农业无线传感器网络节点包括传感器模组，AD采集芯片，MCU控制模块，无线传输模块和供电电路。其中无线传输模块包括射频芯片、单刀双掷模拟开关、低功率射频电路和高功率射频电路。为方便技术方案的说明，如图2所示供电电路中，包含microUSB、充电电路、锂电池和稳压电路，microUSB作为充电接口，充电电路选取CN3065芯片，锂电池选取容量为400mAh，输出电压4.2V，稳压电路选用AP1117E33G，输出电压为3.3V。该模块中还具有低电压检测功能，当电池电压低于3.5V时，会发送预警信息至控制中心，提醒充电。传感器模组中包含二氧化碳、光照强度、空气温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器，由于各种传感器的灵敏度，响应特性（反应时间，稳定性，精度），分布环境不同（例如土壤中，水中，空气中），所以传感器模组中只预留各传感器传感器的接口，各传感器分别连接AD采集芯片的1-5通道，AD剩余的3个通道用于预留扩容。如图3所示，各传感器的工作方式设定为每工作X秒休眠N秒，根据二氧化碳、光照强度、空气温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器的灵敏度和相应特性，当X=1秒时即可满足所有传感器的最小数据采集时间，未保证数据采集精度，休眠时间N设为9秒，即传感器模组每工作1秒休眠9秒。在此种工作方式下，传感器模组的功耗可降低至原来的X/(X+N),即原来的1/10。当主节点想要获取从节点的数据时，从节点从休眠模式下唤醒，工作X秒后在进入休眠状态，此种工作方式为遥控方式。如图4所示，传感器模组的工作状态通过MCU的引脚CTL控制三极管PMOS来实现。当CTL为低电压时，三极管关断，传感器模组的电源端VCC为低电平，传感器模组处于休眠状态；当CTL为高电压时，三极管导通，传感器模组的电源端VCC拉高，传感器模组处于工作状态。该方法大大缩短了传感器的工作时间，既能满足数据采集需求，又达到了降低功耗的目的。AD转换芯片将传感器模组采集到的模拟信号转换为数字信号，AD芯片和MCU控制模块使用SPI总线相连。AD芯片将采集到的数据实时传送给MCU控制模块进行处理。MCU控制模块是本专利技术的控制核心，承担着对传感器数据、无线通讯数据的存储和处理，对传感器的工作方式进行控制，同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种农业无线传感器网络节点，其特征在于，包括传感器模组，AD采集芯片，MCU控制模块,无线传输模块以及供电电路，所述传感器模组将采集到的数据经所述AD采集芯片传送到所述MCU控制模块进行处理，处理后的数据经所述无线传输模块发送出去，所述MCU控制模块同时控制所述农业无线传感器网络节点工作时间和选择射频通路，所述传感器模组包括多个种类的传感器。

【技术特征摘要】
1.一种农业无线传感器网络节点，其特征在于，包括传感器模组，AD采集芯片，MCU控制模块,无线传输模块以及供电电路，所述传感器模组将采集到的数据经所述AD采集芯片传送到所述MCU控制模块进行处理，处理后的数据经所述无线传输模块发送出去，所述MCU控制模块同时控制所述农业无线传感器网络节点工作时间和选择射频通路，所述传感器模组包括多个种类的传感器。2.根据权利要求1所述的农业无线传感器网络节点，其特征在于，所述无线传输模块包括射频芯片、单刀双掷模拟开关、低功率射频电路和高功率射频电路。3.根据权利要求2所述的农业无线传感器网络节点，其特征在于，所述MCU控制模块根据所述无线传输模块反馈的丢包率及信号强度，控制所述单刀双掷模拟开关选择射频通路，避免发射功率不足和发射功率过剩的情况。4.根据权利要求1所述的农业无线传感器网络节点，其特征在于，所述传感器模组包括多个传感器，所述传感器模组中预留所述传感器的接口，所述传感器分别连接所述AD采集芯片的部分通道，所述AD采集芯片部分通道用于预留扩容。5.根据权利要求1所述的农业无线传感器网络节点，其特征在于，所述传感器采用间歇工作模式，每休息N秒工作X秒。6.根据权利要求1所述的农业无线传感器网络节点，其特征在于，所述传感器模组工作与否由所述MCU控...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振魏，马松，程玉华，
申请(专利权)人：上海矽润科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31