專利名稱：一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，尤其涉及農(nóng)田信息無線采集裝置，適用于農(nóng)田信息長期、大范圍、無人值守條件下實時監(jiān)測，屬于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)作物生產(chǎn)管理過程中，對作物生長狀況往往缺乏準(zhǔn)確量化認(rèn)識；或雖對作物生長指標(biāo)進(jìn)行定量分析，但需破壞性取樣與化學(xué)分析，時效性差，常導(dǎo)致生產(chǎn)中普遍過量施肥(特別是氮肥)或肥料施用不足(如部分微量元素)，易造成生產(chǎn)成本上升、環(huán)境污染和土地可持續(xù)生產(chǎn)能力下降。以氮肥為例，我國氮肥消費量占世界氮肥總量的30%，但氮肥利用效率卻十分低下，通常只有30%左右，而國外發(fā)達(dá)國家如美國普遍達(dá)到50飛0%。因此，必須要瞄準(zhǔn)世界農(nóng)業(yè)科技前沿，圍繞現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化、智能化技術(shù)，集成先進(jìn)傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理過程中對作物、環(huán)境、土壤的實時監(jiān)測，快速獲取作物生長狀況、生態(tài)環(huán)境以及水肥狀況，為作物生產(chǎn)全程管理提供豐富的實時數(shù)據(jù)資源與決策支持，促進(jìn)作物生產(chǎn)管理向數(shù)字化和智慧化方向發(fā)展。但是現(xiàn)有的技術(shù)中，作物生產(chǎn)智慧管理系統(tǒng)的建立受傳感器技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程、作物生長監(jiān)測和作物 栽培管理決策技術(shù)的制約，大范圍環(huán)境下農(nóng)田作物、環(huán)境、土壤信息的協(xié)同實時獲取技術(shù)還不成熟，還存在著監(jiān)測指標(biāo)單一，監(jiān)測點范圍小、監(jiān)測手段繁瑣、成本高、施工困難、易受干擾等缺陷與不足，還不能很好地滿足實際應(yīng)用需求。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中的缺陷，提供一種應(yīng)用于大范圍農(nóng)田環(huán)境下作物-大氣-土壤信息無線采集終端，該裝置能多跳、協(xié)同、自組織無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)野外田間條件下連續(xù)、實時、大范圍地獲取農(nóng)田生態(tài)環(huán)境信息。本實用新型為了解決上述問題采用以下技術(shù)方案:一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，包括依次相連接的傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊，以及用于供電的電源模塊；還包括實時時鐘模塊、電源控制模塊；其中:所述電源模塊分別供電給實時時鐘模塊和電源控制模塊；所述電源控制模塊分別連接傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊；所述微處理器模塊與實時時鐘模塊的信號輸入端連接，所述實時時鐘模塊的信號輸出端與電源控制模塊連接；當(dāng)微處理器模塊成功接收傳感器模塊采集的信號后，通過控制實時時鐘模塊的脈沖信號翻轉(zhuǎn)，從而控制電源控制模塊的通斷。作為本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述傳感器模塊包括敏感元件單元、信號調(diào)理單元和總線接口單元；其中,所述敏感元件單元包括溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光強傳感器、多光譜作物生長傳感器、土壤水分傳感器和土壤溫度傳感器；所述信號調(diào)理單元包括作物生長信號調(diào)理電路和土壤水分信號調(diào)理電路；其中:所述多光譜作物生長傳感器通過屏蔽電纜連接作物生長信號調(diào)理電路，所述土壤水分傳感器通過屏蔽電纜連接土壤水分信號調(diào)理電路，所述土壤水分信號調(diào)理電路、作物生長信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光強傳感器、土壤溫度傳感器分別連接總線接口單元；所述總線接口單元連接微處理器模塊的數(shù)字口。作為本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述作物生長信號調(diào)理電路包括電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、微信號放大電路、濾波電路、增益可調(diào)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；其中:所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端與多光譜作物生長傳感器連接，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端依次串接微信號放大電路、濾波電路、增益可調(diào)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。作為本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述土壤水分信號調(diào)理電路包括f-V轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；其中:所述f-V轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接土壤水分傳感器，所述f-v轉(zhuǎn)換電路的輸出端依次連接電壓放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。作為本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述無線通信模塊的頻段為780MHZ。作為本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述電源控制模塊包括觸發(fā)器、電子模擬開關(guān)、續(xù)流二極管、低壓差線性穩(wěn)壓器、去耦二極管；其中所述觸發(fā)器依次連接電子模擬開關(guān)、續(xù)流二極管、低壓差線性穩(wěn)壓器、去耦二極管。作為本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述電源模塊包括太陽能充電電路、過壓保護(hù)電路、充電保護(hù)電路、穩(wěn)壓電路；其中，所述太陽能充電電路依次連接過壓保護(hù)電·路、充電保護(hù)電路、穩(wěn)壓電路。本實用新型采用以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:1、本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，在電路板級系統(tǒng)上集成多種傳感器，并按照一定的傳感器模塊采集時序采集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了大范圍環(huán)境下農(nóng)田作物、環(huán)境、土壤信息的協(xié)同實時獲取?？朔艘酝O(jiān)測指標(biāo)單一，監(jiān)測點小，監(jiān)測方法繁瑣的弊端。2、本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端,采用ZigBee_780MHz頻段無線通信，該頻段干凈、繞射能力強，對水和濕度環(huán)境不敏感，傳輸距離長，受干擾小，適合農(nóng)田大范圍環(huán)境下監(jiān)測。3、本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，采用實時時鐘模塊定時，可以實現(xiàn)作物-大氣-土壤信息無線采集終端長時間的休眠與喚醒，節(jié)約了終端的工作能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生存周期，適合農(nóng)田野外大范圍工作環(huán)境。4、本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，采用太陽能供電，成本低，對于供電設(shè)施比較匱乏的農(nóng)田野外環(huán)境，是一種最佳解決方案。

圖1是作物-大氣-土壤信息無線采集終端結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是傳感器模塊結(jié)構(gòu)示意圖。[0021]圖3是電源控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是電源模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參照圖1，一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端包括傳感器模塊、微處理模塊、無線通信模塊、實時時鐘模塊、電源控制模塊、電源模塊。傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊依次相連；電源模塊分別連接實時時鐘模塊、電源控制模塊；實時時鐘模塊前端連接微處理器模塊，后端連接電源控制模塊；電源控制模塊分別連接微處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊。參照圖2，傳感器模塊配置的敏感元件包括溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光強傳感器、多光譜作物生長傳感器、土壤水分傳感器和土壤溫度傳感器；其中，溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光強傳感器、土壤溫度傳感器輸出量為數(shù)字信號，直接連接總線接口單元。多光譜作物生長傳感器采集作物冠層反射光譜信息，依次經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、微信號放大電路、濾波電路、增益可調(diào)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，連接總線接口單元。土壤水分傳感器采集土壤濕度信息，經(jīng)f-v轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，連接總線接口單元。總線接口單元匯聚各感知信號，以并行方式連接微處理器模塊的數(shù)字I/o 口。參照圖3，電源控制模塊包括觸發(fā)器、電子模擬開關(guān)、續(xù)流二極管、低壓差線性穩(wěn)壓器和去耦二極管；其中觸發(fā)器依次連接電子模擬開關(guān)、續(xù)流二極管、低壓差線性穩(wěn)壓器和去
耦二極管。參照圖4，電源模塊包括太陽能充電電路、過壓保護(hù)電路、充電保護(hù)電路和系統(tǒng)供電電路。其中，太陽能充電電路依次連接過壓保護(hù)電路、充電保護(hù)電路和穩(wěn)壓電路。太陽能采用9V/3W，利用鋰電池蓄能，采用穩(wěn)壓電路得到系統(tǒng)穩(wěn)定的電源電壓等級DC3.3V。為了進(jìn)一步詳細(xì)的介紹本實用新型的無線采集終端，下面描述本實用新型的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端的采集方法，包括如下步驟:步驟1)，啟動作物-大氣-土壤信息無線采集終端電源模塊，實時時鐘模塊輸出一窄正脈沖信號，經(jīng)觸發(fā)器保存，驅(qū)動模擬電子開關(guān)，低壓差線性穩(wěn)壓器使能，微處理器模塊接通電源，傳感器模塊接通電源，無線通信模塊接通電源。步驟2)，微處理器模塊進(jìn)行初始化，包括外部數(shù)字口初始化、傳感器模塊采集時序初始化、通信協(xié)議初始化、掃描信道初始化；步驟3)，作物-大氣-土壤信息無線采集終端請求加入網(wǎng)絡(luò)，并等待網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點響應(yīng)，如果網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點發(fā)出連接應(yīng)答，則作物-大氣-土壤信息無線采集終端連網(wǎng)成功；否則繼續(xù)等待響應(yīng)；步驟4)，傳感器模塊在微處理器模塊的控制下，按照傳感器模塊采集時序逐一采集農(nóng)田信息，按時序關(guān)系存儲于微處理器模塊內(nèi)存中。傳感器模塊采集時序為:作物冠層溫度信息、作物冠層濕度信息、作物冠層光照信息、作物冠層CO2濃度信息、作物生長信息、土壤含水率信息、土壤溫度信息；步驟5)，完成一次采集周期后，裝配按時序關(guān)系存儲于微處理器模塊內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，調(diào)用協(xié)議層的API完成數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點的發(fā)送；步驟6)，數(shù)據(jù)成功發(fā)送后，微處理器模塊發(fā)出外部中斷請求，實時時鐘模塊響應(yīng)中斷后，啟動預(yù)先設(shè)定在實時時鐘模塊中的定時時間數(shù)據(jù)，同時，實時時鐘模塊輸出一負(fù)窄脈沖，經(jīng)觸發(fā)器鎖存，關(guān)斷模擬電子開關(guān)，低壓差線性穩(wěn)壓器阻斷，微處理器模塊處于斷電休眠狀態(tài)，等待喚醒。 步驟7)，當(dāng)定時時間到時，實時時鐘模塊輸出一正窄脈沖，經(jīng)觸發(fā)器鎖存，驅(qū)動模擬電子開關(guān)，低壓差線性穩(wěn)壓器使能，微處理器模塊接通電源，被喚醒，傳感器模塊接通電源，無線通信模塊接通電源，重復(fù)執(zhí)行步驟2)-步驟7)。本實用新型采用以上方案,可以連續(xù)、實時、大范圍地獲取農(nóng)田作物氮含量、氮積累量、葉面積指數(shù)、生物量等作物生長信息，作物冠層溫度、濕度、CO2濃度、光照強度，以及農(nóng)田土壤含水率、土壤溫度等信息。以上方案只是本實用新型的一個簡單示例，任何在本實用新型的技術(shù)方案上所做出的等效替換和變形，都應(yīng)屬于本實用新型所公開的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，包括依次相連接的傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊，以及用于供電的電源模塊；其特征在于，還包括實時時鐘模塊、電源控制模塊；其中:所述電源模塊分別供電給實時時鐘模塊和電源控制模塊；所述電源控制模塊分別連接傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊；所述微處理器模塊與實時時鐘模塊的信號輸入端連接，所述實時時鐘模塊的信號輸出端與電源控制模塊連接；當(dāng)微處理器模塊成功接收傳感器模塊采集的信號后，通過控制實時時鐘模塊的脈沖信號翻轉(zhuǎn)，從而控制電源控制模塊的通斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，其特征在于，所述傳感器模塊包括敏感元件單元、信號調(diào)理單元和總線接口單元；其中，所述敏感元件單元包括溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光強傳感器、多光譜作物生長傳感器、土壤水分傳感器和土壤溫度傳感器；所述信號調(diào)理單元包括作物生長信號調(diào)理電路和土壤水分信號調(diào)理電路； 其中:所述多光譜作物生長傳感器通過屏蔽電纜連接作物生長信號調(diào)理電路，所述土壤水分傳感器通過屏蔽電纜連接土壤水分信號調(diào)理電路，所述土壤水分信號調(diào)理電路、作物生長信號調(diào)理電路、溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光強傳感器、土壤溫度傳感器分別連接總線接口單元；所述總線接口單元連接微處理器模塊的數(shù)字口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，其特征在于，所述作物生長信號調(diào)理電路包括電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、微信號放大電路、濾波電路、增益可調(diào)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；其中:所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端與多光譜作物生長傳感器連接，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端依次串接微信號放大電路、濾波電路、增益可調(diào)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，其特征在于，所述土壤水分信號調(diào)理電路包括f-V轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；其中:所述f-V轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接土壤水分傳感器，所述f-v轉(zhuǎn)換電路的輸出端依次連接電壓放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，其特征在于，所述無線通信模塊的頻段為780MHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，其特征在于，所述電源控制模塊包括觸發(fā)器、電子模擬開關(guān)、續(xù)流二極管、低壓差線性穩(wěn)壓器、去耦二極管；其中所述觸發(fā)器依次連接電子模擬開關(guān)、續(xù)流二極管、低壓差線性穩(wěn)壓器、去耦二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，其特征在于，所述電源模塊包括太陽能充電電路、過壓保護(hù)電路、充電保護(hù)電路、穩(wěn)壓電路；其中，所述太陽能充電電路依次連接過壓保護(hù)電路、充電保護(hù)電路、穩(wěn)壓電路。
專利摘要本實用新型公開了一種作物-大氣-土壤信息無線采集終端，包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、實時時鐘模塊、電源控制模塊、電源模塊，其中電源模塊分別供電給實時時鐘模塊和電源控制模塊；電源控制模塊分別連接傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊；微處理器模塊依次與實時時鐘模塊、電源控制模塊連接；當(dāng)微處理器模塊成功接收傳感器模塊采集的信號后，通過控制實時時鐘模塊的脈沖信號翻轉(zhuǎn)，從而控制電源控制模塊的通斷，實現(xiàn)無線采集終端長時間的休眠與喚醒，節(jié)約了終端的工作能耗。
文檔編號G08C17/02GK203118195SQ20122070580
公開日2013年8月7日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者倪軍, 曹衛(wèi)星, 朱艷, 姚霞, 田永超, 龐方榮 申請人:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)