[發明專利]一種低功耗通用農業環境監測終端

有效

• 申請號: 202111149645.8
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113848791B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 徐尚瑜;張燕;陳文君;嚴冬;王洪欣;苗麗娟
• 申請（專利權）人: 金陵科技學院
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 于瀚文;胡建華

1.一種低功耗通用農業環境監測終端，其特征在于，包括主控芯片MCU(1)、LoRa射頻(2)、485通信模塊(3)、繼電器模塊(5)、電路管理降壓模塊(6)和終端外圍設備；

所述終端外圍設備包括：RS485傳感器(4)、LoRa天線(8)，以及為所述終端供電的鋰電池組(7)；

所述主控芯片MCU(1)通過UART串口連接485通信模塊(3)，與RS485傳感器(4)通信獲得傳感數據；

所述主控芯片MCU(1)通過高速SPI接口連接LoRa射頻(2)，通過LoRa無線協議完成數據收發功能；

所述繼電器模塊(5)用于控制RS485傳感器(4)和485通信模塊(3)的電源通斷，在不需要采集數據時斷電，所述主控芯片MCU(1)使用通用輸入輸出GPIO端口連接繼電器模塊(5)；

所述RS485傳感器(4)連接485通信模塊(3)；

所述LoRa天線(8)是外接天線，連接LoRa射頻(2)；

所述電路管理降壓模塊(6)是電源管理模塊，降壓后為其他模塊供電；

所述鋰電池組(7)連接電路管理降壓模塊(6)；

所述主控芯片MCU(1)、LoRa射頻(2)封裝在物聯網芯片XC30中；

所述RS485傳感器(4)包括各類符合Modbus協議的485接口類型農業環境參數監測傳感器，用于監測參數，所述監測參數包括：氣象參數、土壤參數、水質參數和溫室環境參數；

所述LoRa天線(8)是具有增益效果的無線數據收發天線，連接物聯網芯片XC30的ANT引腳；

所述鋰電池組(7)通過電路管理降壓模塊(6)為主控芯片MCU(1)和LoRa射頻(2)、485通信模塊(3)和RS485傳感器(4)供電；

所述485通信模塊(3)是數據通信協議轉換模塊，485通信模塊(3)的一端是485接口連接RS485傳感器(4)，另一端UART串口連接主控芯片MCU(1)的UART串口，完成RS485傳感器(4)與主控芯片MCU(1)通信的數據轉換功能；

所述物聯網芯片XC30共有29個引腳，其中供電VDD引腳、接地GND引腳、天線ANT引腳，引腳A3、A9、A10、A13、A14，引腳B10、B11、B13、B14使用；

其中，引腳B10和B11為UART3串口，與485通信模塊(3)的UART串口連接，完成傳感器數據的收發；

引腳A9和A10為UART1串口；

引腳B13和B14為通用輸入輸出GPIO引腳，分別連接繼電器模塊(5)的CTRL_ON和CTRL_OFF輸入點，控制RS485傳感器(4)與485通信模塊(3)電源通斷，實現RS485傳感器(4)和485通信模塊(3)按需開啟；

引腳ANT連接LoRa天線(8)，引腳VDD和GND連接3.3V直流供電，引腳A13和A14供版本下載、程序燒錄、程序跟蹤調試Debug使用；

引腳A3為鋰電池電壓測量數模轉換AD的輸入口，使用分壓電路測量電阻R14對應的電壓值V，并計算出當前鋰電池的電壓為V的11倍；

所述繼電器模塊(5)用于控制RS485傳感器(4)和485通信模塊(3)的電源通斷，繼電器模塊(5)包含磁保持型雙穩態繼電器HFD2-005-M-L2；

所述磁保持型雙穩態繼電器HFD2/005-M-L2擁有2路線圈，均為DC5V供電；還擁有2路常開與常閉觸點；所述2路線圈分別為：1-16和2-15，線圈1-16是關閉線圈，由CTRL_OFF輸入點控制；線圈2-15是開啟線圈，由CTRL_ON輸入點控制；繼電器模塊(5)采用MMBT3904三極管，控制線圈通電與斷電；當輸入點CTRL_ON、CTRL_OFF為高電平時，MMBT3904三極管發射極和集電極導通，繼電器線圈得電，常開或常閉觸點動作；當CTRL_ON、CTRL_OFF為低電平時，MMBT3904三極管發射極和集電極關斷，繼電器線圈失電，常開或常閉觸點保持原有狀態不變；電阻R1、R4與電容C4為MMBT3904三極管Q1基極偏置元件，電阻R1和R4形成分壓回路；電阻R2、R5與電容C5為MMBT3904三極管Q2基極偏置元件，電阻R2和R5形成分壓回路；當MMBT3904三極管關斷時，因線圈電感效應產生自感電動勢，二極管D2、D3為其提供能量釋放通道，同時電阻R7、R8與電容C6、C7形成吸收電路，用以緩沖MMBT3904三極管開通和關斷時刻，MMBT3904三極管所承受的電壓、電流；

所述磁保持型雙穩態繼電器HFD2-05-M-L2包括六個觸點，六個觸點分兩組，分別為4-6-8和9-11-13，4-6-8是5V傳感器開關電路，其中觸點4接DC-DC降壓輸出的5V電源，觸點6懸空，觸點8接RS485傳感器(4)供電電源；9-11-13是485通信模塊(3)的開關電路，其中觸點9接LDO降壓輸出的3.3V電源，觸點11懸空，觸點13接485通信模塊(3)供電電源；

所述RS485傳感器(4)和485通信模塊(3)電源接通，物聯網芯片XC30的GPIO引腳B13的高電平脈沖引起三極管Q2導通，線圈2-15接通5V電源，觸點4和觸點8吸合，觸點13和觸點9吸合，為RS485傳感器(4)和485通信模塊(3)供電；

所述RS485傳感器(4)和485通信模塊(3)電源斷開，物聯網芯片XC30的GPIO引腳B14輸出3.3V高電平，引起三極管Q1導通，線圈1-16接通5V電源，引起繼電器線圈觸點4和觸點6吸合，導致RS485傳感器(4)5V供電斷開；引起觸點13和觸點11吸合，導致485通信模塊(3)3.3V供電斷開；

所述電路管理降壓模塊(6)用于完成降壓供電，由于所述物聯網芯片XC30(主控芯片MCU(1)和LoRa射頻(2))和485通信模塊(3)使用3.3V供電，RS485傳感器(4)5V供電，故電路管理降壓模塊(6)需要提供5V和3.3V兩種電壓；電路管理降壓模塊(6)選擇DC-DC和LDO兩種方式串聯進行降壓，一級DC-DC降壓使用降壓轉換器MP2315GJ，二級LDO降壓使用LDO穩壓器LP5907MFX-3.3；

一級DC-DC降壓使用轉換器MP2315GJ，其輸入端連接鋰電池組(7)，輸出端連接二級LDO降壓的LP5907MFX-3.3的輸入端，同時連接繼電器模塊(5)的觸點4；

二級LDO降壓使用穩壓器LP5907MFX-3.3，其輸出端連接物聯網芯片XC30的VDD引腳，同時連接繼電器模塊(5)的觸點13；

所述終端具有農業環境數據采集功能，包括啟動和周期性工作兩個階段；

其中，在啟動階段，所述終端上電硬件初始化完成后，發送LoRaWan入網請求消息，入網成功后發送注冊請求消息，收到注冊響應消息后表示注冊成功，然后上報電池電壓消息；通過注冊響應下行消息攜帶的RS485傳感器(4)的查詢指令，所述終端能夠動態加載RS485傳感器(4)的指令，實現即插即用功能，完成各類環境指標的采集；

在周期性工作階段，終端根據RS485傳感器(4)的查詢指令，周期性采集RS485傳感器(4)的數據，解析封裝后通過LoRa消息上報，上報完畢后主控芯片MCU(1)和LoRa射頻(2)進入低功耗休眠狀態，并關閉繼電器模塊(5)，將RS485傳感器(4)和485通信模塊(3)斷電；

所述終端具有通用環境監測功能，實現各類485傳感器的即插即用動態加載，并根據需求設置采集周期，將采集的數據上報至云端，具體包括如下步驟：

步驟1，在服務器端，定義系統下所有傳感器的類型庫，包括485的請求指令和響應解析，其中，485的請求指令包括：操作碼、寄存器起始和寄存器長度；響應解析包括：寄存器位置、對應的采集參數種類和響應數值處理單位；

步驟2，在服務器端，所述終端接入傳感器配置，根據終端實際接入的傳感器，配置終端標識DEVEUI對應的傳感器類型和傳感器的485地址；

步驟3，所述終端發送注冊請求消息，注冊消息攜帶終端唯一標識DEVEUI；

步驟4，在服務器端，根據長度16個字節的唯一串號DEVEUI識別所述終端的合法性，發送注冊成功或注冊失敗響應：

如果注冊成功，根據DEVEUI查找所述終端下的傳感器配置，組合步驟1中配置的傳感器485請求指令和步驟2中配置的傳感器485地址，生成注冊響應消息下發給終端；

其中在所述周期性工作階段，對應不同傳感器的終端采集上報周期能夠在服務器端單獨配置，并通過注冊響應消息發送給終端并生效；

如果注冊失敗，所述終端下未配置具體的傳感器，發送注冊拒絕響應，流程結束；

步驟5，所述終端上報電量，所述物聯網芯片XC30的A3作為AD引腳，將模擬量轉化為數字量，獲得電池電壓值，并發送電池電壓上報消息；所述終端設置超時定時器，超過一定時間重啟，重新初始化入網并上報電量；

在周期性工作階段，工作模式包括：終端休眠、傳感器預熱與查詢、數據發送和數據接收；

所述終端休眠是指終端不需要工作時，主控芯片MCU(1)和LoRa射頻(2)進入低功耗休眠狀態，RS485傳感器(4)和485通信模塊(3)斷電，節約終端整體功耗；

所述傳感器預熱與查詢是指，RS485傳感器(4)的預熱時間T_{pre_snr}由傳感器的特性決定；

所述數據發送是將采集到的環境參數發送給服務器，數據發送時間T_tx按照如下公式計算：

T_tx＝Tsym(6+4.25+Npl)???(3)

LoRa物理層使用線性擴頻的調制方式，將數據編碼成Symbol發送，公式(1)計算發送單個Symbol的時長Tsym，SF是擴頻因子，Bw為帶寬；公式(2)計算長度為PL字節的應用層數據編碼成Symbol的個數Npl，CRC是校驗碼，IH是隱式頭部標識，DE是低速優化開關，冗余編碼率CR；公式(3)計算數據發送時間T_tx，其中LoRa無線幀前導碼長度為6，起始同步碼長度為4.25；

所述數據接收是接收服務器的下行LoRaWan無線參數配置消息，數據接收時間T_rx固定為LoRa的兩個接收窗口RX1和RX2的時間和；

采用如下公式計算終端進入休眠時長T_sleep：

T_sleep＝T_cycle-T_{pre_snr}-T_tx-T_rx????(4)

其中，T_cycle是在步驟4中配置的采集上報周期，T_{pre_snr}表示傳感器預熱時間，T_rx表示數據接收時間。

2.根據權利要求1所述的終端，其特征在于，所述終端通過執行如下步驟完成農業環境數據采集和發送：

步驟S1，終端休眠完成后，主控芯片MCU(1)從停止模式啟動；

步驟S2，進入傳感器預熱階段，主控芯片MCU(1)電平觸發繼電器模塊(5)線圈吸合為RS485傳感器(4)供電；

步驟S3，RS485傳感器(4)的485查詢與響應：終端按照RS485傳感器(4)查詢指令獲取到RS485傳感器(4)的采集數據，RS485傳感器(4)返回485響應后通過UART接口發送給主控芯片MCU(1)，主控芯片MCU(1)解析成功后關閉繼電器模塊(5)線圈；

步驟S4，主控芯片MCU(1)解析485響應后，通過LoRaWan網絡上報給服務器，進行數據解析，具體包括如下步驟：

步驟S4-1，終端順序采集RS485傳感器(4)的數值，將485響應中的485地址、寄存器長度、寄存器數值作為三元組，將RS485傳感器(4)響應生成的三元組數組作為傳感器上報消息發送至服務器端；

步驟S4-2，云服務器接收從LoRaWan網絡上報的終端消息，即三元組數組，順序解析數組取得485地址，根據485地址從步驟2定義的配置中取得傳感器類型，進而從步驟1定義的傳感器類型庫中獲得傳感器的采集參數種類和數值單位，從而獲得要監測的具體環境參數值；

步驟S5，步驟S4中的數據包上報完畢后，等待服務器下行消息；下行消息用于優化LoRaWan無線參數配置；

步驟S6，LoRa通信模塊(2)進入休眠模式，主控芯片MCU(1)進入停止模式，等待下一次采集周期。