一種低功耗害蟲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低功耗的、能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田害蟲大范圍自動(dòng)監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括若干個(gè)害蟲監(jiān)測(cè)終端、終端管理主機(jī)和害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心。誘捕器包括圓柱狀外殼、漏斗結(jié)構(gòu)、傳感器、控制模塊、無(wú)線通信模塊、電池盒及定時(shí)器，外殼上部周向均勻布置害蟲進(jìn)入孔。本發(fā)明所提供的害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以傳統(tǒng)的害蟲性引誘劑誘捕器為基礎(chǔ)，安裝了傳感器及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)害蟲數(shù)量功能，并配設(shè)了數(shù)據(jù)處理中心用于接收和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；同時(shí)，本發(fā)明的監(jiān)測(cè)終端的控制模塊采用了低功耗模式；本發(fā)明的電池管理模塊同時(shí)對(duì)電池電源進(jìn)行升降壓處理，穩(wěn)壓電壓，保證最大化利用電池電量，更進(jìn)一步降低功耗、延長(zhǎng)使用時(shí)間。
【專利說(shuō)明】一種低功耗害蟲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，特別涉及能自動(dòng)計(jì)數(shù)的害蟲誘捕器及相關(guān)組網(wǎng)技術(shù)的害蟲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]昆蟲誘捕器在應(yīng)用時(shí)最大問題在于:1、無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)功能，需要每天進(jìn)行人工清點(diǎn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易出錯(cuò)；2、害蟲監(jiān)測(cè)時(shí)要求各個(gè)誘捕器之間有較大間距，受人力限制，無(wú)法進(jìn)行大范圍應(yīng)用。對(duì)誘捕器進(jìn)行自動(dòng)化改造并與無(wú)線通信相結(jié)合對(duì)提高農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)測(cè)效率具有十分明確的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及傳感器技術(shù)、低功耗技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)，因其廣闊的應(yīng)用背景成為備受關(guān)注、高度多學(xué)科交叉的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外早已將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，特別的是在溫室大棚管理上的應(yīng)用。國(guó)外如Mizunuma等(2003)年在農(nóng)田和溫室中應(yīng)用WLAN技術(shù)檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)并對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程控制。而在國(guó)內(nèi)也有部分發(fā)明見諸報(bào)道，特別是在ZigBee技術(shù)提出之后。例如周益明等(2007)提出了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等。
[0004]由此可見，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)，但是在現(xiàn)有的應(yīng)用實(shí)例上也存在著許多不足之處。一方面，現(xiàn)有的一些研究成果并沒有很好的解決農(nóng)田環(huán)境電源供應(yīng)問題，因此多應(yīng)用在溫室栽培上，而無(wú)法在廣闊的農(nóng)田環(huán)境下使用；另一方面，現(xiàn)有的研究成果局限于小氣候控制等方面，例如只能用溫濕度傳感器設(shè)計(jì)大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，在農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)測(cè)自動(dòng)化方面尚為空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種低功耗的、能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田害蟲大范圍自動(dòng)監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:它包括若干個(gè)害蟲監(jiān)測(cè)終端、終端管理主機(jī)和害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測(cè)終端將傳感器測(cè)得的昆蟲進(jìn)入信號(hào)數(shù)據(jù)包發(fā)送至終端管理主機(jī)，終端管理主機(jī)將所有監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)發(fā)送至害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心。
[0006]所述監(jiān)測(cè)終端為昆蟲性誘劑誘捕器，所述誘捕器包括圓柱狀外殼、漏斗結(jié)構(gòu)、傳感器、控制模塊、無(wú)線通信模塊、電池盒及定時(shí)器，所述外殼上部周向均勻布置害蟲進(jìn)入孔，所述漏斗結(jié)構(gòu)設(shè)置在外殼內(nèi)部并處于害蟲進(jìn)入孔下方，漏斗結(jié)構(gòu)包括漏斗體及漏斗體下方的漏斗管，漏斗管上設(shè)置有傳感器，無(wú)線通信模塊及電池盒同處于漏斗結(jié)構(gòu)下方，所述傳感器與控制模塊相連，感應(yīng)進(jìn)入誘捕器的害蟲，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)；
所述漏斗管采用深色塑料制作，并在漏斗管上安裝傳感器，所述傳感器為光電傳感器。
[0007]所述監(jiān)測(cè)終端的控制模塊為能夠?qū)崿F(xiàn)休眠的單片機(jī)，所述監(jiān)測(cè)終端的無(wú)線通信模塊為能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線喚醒和近距離通信的單片集成射頻芯片，其電源管理模塊為能夠?qū)崿F(xiàn)
2.7-5V到3.3V電壓升降壓變換的高效電源芯片。其中，控制模塊為MSP430G系列單片機(jī)，所述監(jiān)測(cè)終端的無(wú)線通信模塊為CllOl芯片，所述監(jiān)測(cè)終端的電源管理模塊為TPS63031。[0008]所述的光電傳感器為低功耗設(shè)計(jì)的光電門傳感器，它包括發(fā)送器、接收器和驅(qū)動(dòng)電路，發(fā)送器和接收器選用紅外對(duì)管進(jìn)行發(fā)送和接受，并在驅(qū)動(dòng)電路上加以改進(jìn):在發(fā)射管上串接IkQ的限流電阻，降低發(fā)射管電流；將接收管的發(fā)射極直接連接到一顆三極管的基極上，對(duì)光電流進(jìn)行放大，提高接收端的靈敏度；
同時(shí)，在發(fā)射電路上增加開關(guān)管，對(duì)發(fā)射管進(jìn)行脈沖調(diào)制，該脈沖的占空比為10%，發(fā)射管的平均工作電流降為原來(lái)的二十分之一至五分之一，僅在脈沖信號(hào)的高電平時(shí)監(jiān)測(cè)害蟲，最終傳感器實(shí)測(cè)平均電流約0.05mA，較傳統(tǒng)光電傳感器十幾毫安功耗降低了 2個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0009]所述害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有兩種工作狀態(tài):休眠狀態(tài)及事件響應(yīng)狀態(tài)，
當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)終端的控制器工作于低功耗模式，關(guān)閉所有無(wú)關(guān)外設(shè)，僅保留定時(shí)器產(chǎn)生調(diào)試信號(hào)，無(wú)線通信模塊工作處于無(wú)線喚醒狀態(tài)；
當(dāng)處于事件響應(yīng)狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)終端響應(yīng)三種事件，并作出響應(yīng)動(dòng)作:1)害蟲落入誘捕器，觸發(fā)傳感器發(fā)出電信號(hào)喚醒監(jiān)測(cè)終端的控制器，監(jiān)測(cè)終端的控制器中的計(jì)數(shù)器加一，完成動(dòng)作之后,系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；2)監(jiān)測(cè)終端接收到管理主機(jī)的命令，喚醒監(jiān)測(cè)終端的控制器，完成響應(yīng)功能，完成動(dòng)作之后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；3)監(jiān)測(cè)終端接收到其他監(jiān)測(cè)終端的命令，根據(jù)一定路由規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成動(dòng)作之后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式。
[0010]所述終端管理主機(jī)包括控制模塊、短距離通信、太陽(yáng)能電池系統(tǒng)與GPRS通信模塊；
所述終端管理主機(jī)的供電系統(tǒng)為太陽(yáng)能電池系統(tǒng)，所述終端管理主機(jī)的GPRS通信模塊能提供與普通手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的接入。
[0011]所述害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心包括PC機(jī)服務(wù)器；
所述的一種低功耗害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述終端管理主機(jī)與各個(gè)監(jiān)測(cè)終端之間根據(jù)一個(gè)自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信和網(wǎng)絡(luò)管理。自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要分成硬件層和網(wǎng)絡(luò)層兩個(gè)部分。
[0012]協(xié)議硬件層定義了網(wǎng)絡(luò)傳輸所需的信道參數(shù)、地址、數(shù)據(jù)包格式，以及地址過(guò)濾和CRC校驗(yàn)；協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層提供了一種基于跳數(shù)樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕M網(wǎng)形式，主要包括重置后組網(wǎng)、最短路徑向量路由和能量均衡。
[0013]由于采用了本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明所提供的害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以傳統(tǒng)的害蟲性引誘劑誘捕器為基礎(chǔ)，并在該基礎(chǔ)上作出改進(jìn)，安裝了傳感器及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)害蟲數(shù)量功能，并配設(shè)了數(shù)據(jù)處理中心用于接收和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；同時(shí)，本發(fā)明的監(jiān)測(cè)終端的控制模塊采用了低功耗模式，并配設(shè)了低功耗通信芯片CCllOl和自主設(shè)計(jì)低功耗光電傳感器，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗；本發(fā)明的電池管理模塊同時(shí)對(duì)電池電源進(jìn)行升降壓處理，穩(wěn)壓電壓，保證最大化利用電池電量，更進(jìn)一步降低功耗、延長(zhǎng)使用時(shí)間。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3為圖2的C-C剖視圖。
[0017]圖4為監(jiān)測(cè)終端原理圖。[0018]圖5自動(dòng)檢測(cè)終端工作流程圖。
[0019]圖6為傳感器模塊原理圖。
[0020]圖7為傳感器工作時(shí)序圖。
[0021]圖8為終端管理主機(jī)原理圖。
[0022]圖9為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心原理圖。
[0023]圖10為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)。
[0024]圖11為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]本發(fā)明包括若干個(gè)監(jiān)測(cè)終端、終端管理主機(jī)和害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心。如圖1所示,若干個(gè)監(jiān)測(cè)終端、終端管理主機(jī)組成田間傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)現(xiàn)有因特網(wǎng)和/或手機(jī)網(wǎng)絡(luò)與害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心鏈接。害蟲監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心主要負(fù)責(zé)各個(gè)田間傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程管理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總及分析。一個(gè)數(shù)據(jù)中心可以管理多個(gè)田間傳感器網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)多級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)組建、數(shù)據(jù)分類采集匯總及分析應(yīng)用；田間傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由一個(gè)終端管理主機(jī)和眾多監(jiān)測(cè)終端組成，負(fù)責(zé)某一區(qū)域。終端管理主機(jī)負(fù)責(zé)田間傳感器網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互，并負(fù)責(zé)整個(gè)田間傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，通過(guò)田間網(wǎng)絡(luò)采集各個(gè)監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)，并通過(guò)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心。監(jiān)測(cè)終端在誘捕器的基礎(chǔ)上通過(guò)添加光電傳感器實(shí)現(xiàn)了捕獲害蟲自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的功能，并利用許多具有針對(duì)性低功耗電路設(shè)計(jì)方案保證電池供電情況下監(jiān)測(cè)終端長(zhǎng)時(shí)間正常工作。
[0027]如圖3所示，所述監(jiān)測(cè)終端為昆蟲性誘劑誘捕器，所述誘捕器包括圓柱狀外殼1、漏斗結(jié)構(gòu)2、傳感器3、控制模塊4、無(wú)線通信模塊5、電池盒6，所述外殼上部周向均勻布置害蟲進(jìn)入孔7，所述漏斗結(jié)構(gòu)2設(shè)置在外殼內(nèi)部并處于害蟲進(jìn)入孔7下方，漏斗結(jié)構(gòu)2包括漏斗體21及漏斗體下方的漏斗管22，漏斗管22上設(shè)置有傳感器3，無(wú)線通信模塊5及電池盒6同處于漏斗結(jié)構(gòu)2下方，所述傳感器3與控制模塊4相連，感應(yīng)進(jìn)入誘捕器的害蟲，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)；
所述漏斗結(jié)構(gòu)2的漏斗管采用深色塑料制作，減小環(huán)境光對(duì)傳感器的影響，在漏斗管上安裝傳感器3，所述傳感器為光電傳感器，傳感器的輸出鏈接到控制模塊4上，感應(yīng)進(jìn)入誘捕器的害蟲，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)。控制模塊4 (MSP430G系列單片機(jī))與無(wú)線通信模塊(5C1101芯片)放置于傳感器3的后面，邊上是電池盒6與電源管理模塊一起，為系統(tǒng)供電，充分挖掘電池電容量，提高系統(tǒng)工作壽命。
[0028]如圖4所示自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端原理圖，自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端由傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、控制器模塊和電源管理模塊組成。各部分的連接關(guān)系為:以控制芯片MSP430G2452為中心分別與傳感器、無(wú)線通信芯片CCllOl相連，電池通過(guò)升降壓芯片TPS63030為各個(gè)部分供電。傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)控制芯片內(nèi)部的比較器變?yōu)楦叩碗娖?，?dāng)害蟲掉落的時(shí)候會(huì)引起傳感器輸出變化觸發(fā)控制芯片中斷，控制芯片處理中斷時(shí)自動(dòng)計(jì)數(shù)?？刂菩酒ㄟ^(guò)SPI總線與無(wú)線通信模塊相連，一般情況下無(wú)線通信芯片均處于睡眠狀態(tài)，僅當(dāng)需要通信的時(shí)候才被喚醒。
[0029]所述的光電傳感器為低功耗設(shè)計(jì)，該傳感器在傳統(tǒng)光電門的基礎(chǔ)上，，選用紅外對(duì)管并在驅(qū)動(dòng)電路上加以改進(jìn)，如圖6所示。在發(fā)射管上串接IkQ的限流電阻，降低發(fā)射管電流；同時(shí)將接收管的發(fā)射極直接連接到一顆三極管的基極上，對(duì)光電流進(jìn)行放大，提高接收端的靈敏度；
在此基礎(chǔ)上，在發(fā)射電路上增加開關(guān)管，對(duì)發(fā)射管進(jìn)行脈沖調(diào)制，僅在脈沖信號(hào)的高電平時(shí)監(jiān)測(cè)害蟲。本發(fā)明使用占空比為10%脈沖進(jìn)行調(diào)試，發(fā)射管的平均工作電流降為原來(lái)的二十分之一至五分之一。最終傳感器實(shí)測(cè)平均電流約0.05mA，較傳統(tǒng)光電傳感器十幾毫安功耗降低了 2個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0030]如圖5所示基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)的低功耗管理程序的工作流程圖，系統(tǒng)具有兩種工作狀態(tài):休眠狀態(tài)及事件響應(yīng)狀態(tài)，
當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)終端的控制器工作于低功耗模式，關(guān)閉所有無(wú)關(guān)外設(shè)，僅保留定時(shí)器產(chǎn)生調(diào)試信號(hào)，無(wú)線通信模塊工作處于無(wú)線喚醒狀態(tài)；
當(dāng)處于事件響應(yīng)狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)終端響應(yīng)三種事件，并作出響應(yīng)動(dòng)作:1)害蟲落入誘捕器，觸發(fā)傳感器發(fā)出電信號(hào)喚醒監(jiān)測(cè)終端的控制器，監(jiān)測(cè)終端的控制器中的計(jì)數(shù)器加一，完成動(dòng)作之后,系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；2)監(jiān)測(cè)終端接收到管理主機(jī)的命令，喚醒監(jiān)測(cè)終端的控制器，完成響應(yīng)功能，完成動(dòng)作之后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；3)監(jiān)測(cè)終端接收到其他監(jiān)測(cè)終端的命令，根據(jù)一定路由規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成動(dòng)作之后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式。
[0031]如圖6所示傳感器模塊原理圖。本發(fā)明根據(jù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)光電對(duì)管的工作距離較近的特點(diǎn)，加大串接在發(fā)射管上的限流電阻(1ΚΩ)降低發(fā)射管功耗，并將發(fā)射管的負(fù)極連接控制信號(hào)輸入端口，僅當(dāng)控制端口信號(hào)為低電平時(shí)產(chǎn)生電流發(fā)射管發(fā)光；將接收管反接，發(fā)射極連接到40ΚΩ左右的電阻上，如果接收管接收到信號(hào)產(chǎn)生光電流，那么就會(huì)在電阻上產(chǎn)生一個(gè)到電平輸出。在此基礎(chǔ)上，將傳感器的輸入端口接連接到具有一定輸出能力的單片機(jī)引腳上，便可以方便的控制傳感器模塊的開關(guān)。
[0032]如圖7所示傳感器工作時(shí)序圖，控制信號(hào)為占空比較高的PWM波，對(duì)應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)為周期性的脈沖信號(hào)。傳感器在工作時(shí)，沒有物體落入的情況下，傳感器一直輸出規(guī)則的周期性脈沖信號(hào)；如果在某一個(gè)時(shí)刻有物體掉落遮擋光源，那么對(duì)應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)就會(huì)消失直到物體離開。在控制信號(hào)的低電平時(shí)監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)的高低電平便可以判斷是否有物體遮光。當(dāng)控制信號(hào)的周期，小于物體掉落遮擋傳感器的時(shí)間，便可以實(shí)現(xiàn)傳感器的虛擬實(shí)時(shí)工作。如果使用占空比僅為10%脈沖進(jìn)行調(diào)試，那么發(fā)射管的平均工作電流將降為原來(lái)的十分之一，可有效的降低了發(fā)射管工作電流。
[0033]實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候一個(gè)更加重要的問題是傳感器的可靠性問題。蟲落下時(shí)傳感器沒有輸出和沒有蟲的時(shí)候的誤觸發(fā)問題會(huì)對(duì)實(shí)際的應(yīng)用帶來(lái)的嚴(yán)重的問題，本設(shè)計(jì)通過(guò)以下方法保證傳感器的可靠性。由于害蟲落下的數(shù)據(jù)較慢，通常能夠遮擋光線數(shù)十個(gè)毫秒，使調(diào)制波的周期遠(yuǎn)小于這個(gè)時(shí)間便能做到等效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了避免傳感器輸出信號(hào)在變化沿上存在的毛刺造成誤觸發(fā)，控制器在檢測(cè)傳感器信號(hào)時(shí)同時(shí)通過(guò)在上升沿和下降延時(shí)定義一個(gè)觸發(fā)延時(shí)，在這個(gè)延時(shí)時(shí)間間隔里只響應(yīng)一個(gè)觸發(fā)沿；為了避免不同大小的害蟲在落下時(shí)的時(shí)間間隔不同，控制器對(duì)于觸發(fā)信號(hào)只檢測(cè)信號(hào)的變化沿，當(dāng)一個(gè)信號(hào)變化沿到來(lái)時(shí)只引起一次觸發(fā)，而與信號(hào)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。這些措施均可保證傳感器的可靠性。
[0034]通過(guò)以上設(shè)計(jì)，選用了紅外對(duì)管并在驅(qū)動(dòng)電路上加以改進(jìn)，并對(duì)紅外發(fā)射管進(jìn)行脈沖調(diào)制，解決了傳統(tǒng)光電門高功耗缺點(diǎn)，最終使平均電流降到0.05mA(較傳統(tǒng)光電門降低2個(gè)數(shù)量級(jí))左右；同時(shí)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行了技術(shù)處理，保證傳感器的可靠性。
[0035]如圖8所示終端管理主機(jī)原理圖，由控制模塊、傳感器網(wǎng)絡(luò)接口、GPRS通信模塊、太陽(yáng)能電池模塊組成，主要負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)路的路由管理，本網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信等功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)接口(CC1101)，提供終端管理主機(jī)與各個(gè)監(jiān)測(cè)終端通信的模塊，具有與整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)相同的硬件標(biāo)準(zhǔn)?？刂颇K(MSP430單片機(jī)):控制中心，通過(guò)接口管理所有相關(guān)外設(shè)；傳感器網(wǎng)絡(luò)管理中心，不斷更新所有終端工作狀態(tài)，及時(shí)報(bào)告問題終端；樹狀網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，存儲(chǔ)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由表，可根據(jù)一定算法尋找最優(yōu)路徑；數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)及簡(jiǎn)單分析。RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊:提供定時(shí)信息，根據(jù)設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間，終端管理主機(jī)根據(jù)設(shè)置自動(dòng)向監(jiān)測(cè)終端發(fā)送指令，喚醒終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。太陽(yáng)能電池模塊:長(zhǎng)時(shí)間有效的提供能源，能夠支持較大的功耗。GPRS通信模塊:GPRS通信模塊利用手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離發(fā)送與指令接收。使得監(jiān)測(cè)地點(diǎn)不受距離的限制，方便不同級(jí)別與規(guī)模的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)組建。
[0036]如圖9所示為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心原理圖，所述害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心包括PC機(jī)服務(wù)器及運(yùn)行其上的數(shù)據(jù)庫(kù)程序。所有終端管理主機(jī)都會(huì)向該域名發(fā)送本網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，服務(wù)器負(fù)責(zé)接收所有數(shù)據(jù)，再由服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫(kù)程序負(fù)責(zé)各個(gè)田間傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯總及分析。一個(gè)數(shù)據(jù)中心可以管理多個(gè)田間傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以靈活組建不同規(guī)模的害蟲監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。
[0037]本發(fā)明在終端管理主機(jī)和監(jiān)測(cè)終端之間運(yùn)行一個(gè)自定義的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本協(xié)議針對(duì)本傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，監(jiān)測(cè)終端為電池供電，通信數(shù)據(jù)率較小，較少的直接相互通信等特點(diǎn)設(shè)計(jì)，能夠保證網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)通信及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。
[0038]如圖10所示，本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要分為硬件層、網(wǎng)絡(luò)層兩個(gè)部分。
[0039]硬件層定義了網(wǎng)絡(luò)傳輸所需的信道參數(shù)、地址、數(shù)據(jù)包格式，以及地址過(guò)濾和CRC校驗(yàn)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作在433MHz的ISM波段，采用GFSK調(diào)制方式進(jìn)行通信，無(wú)線通信數(shù)據(jù)率100Kb/S。為了進(jìn)一步降低功耗，無(wú)線通信模塊在平時(shí)大多數(shù)時(shí)間里都處于休眠模式，而僅僅在需要使用的時(shí)候由主節(jié)點(diǎn)用無(wú)線信號(hào)進(jìn)行喚醒。
[0040]數(shù)據(jù)包格式如表1所示。本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的數(shù)據(jù)及命令主要通過(guò)數(shù)據(jù)包的形式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳播。為了適應(yīng)數(shù)據(jù)與命令的長(zhǎng)度差異，提高網(wǎng)絡(luò)的通信效率，本協(xié)議中采用的是變長(zhǎng)數(shù)據(jù)包。
頭有效貨載I尾It導(dǎo)信號(hào)I同步字節(jié)I度丨B的地址丨貴載 I CRC校驗(yàn)
[0041]表1網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包格式
數(shù)據(jù)包由頭部、有效負(fù)載和尾部等三個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)包頭部包括前導(dǎo)信號(hào)(在同步信號(hào)之前發(fā)送的隨機(jī)的0101交替序列)和同步信號(hào)(在發(fā)送有效負(fù)載之前，發(fā)送的4個(gè)字節(jié)的事先指定同步字節(jié))。通過(guò)對(duì)前導(dǎo)信號(hào)和同步字節(jié)的探測(cè)，設(shè)備能夠有效的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的位和字節(jié)同步。有效負(fù)載的第一個(gè)字節(jié)便是本數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，由SBit組成，支持長(zhǎng)度從2到255個(gè)字節(jié)的變長(zhǎng)數(shù)據(jù)包，在接收數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度不符合要求，則直接拋棄數(shù)據(jù)包。有效負(fù)載的第二個(gè)字節(jié)為目的地址，本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持16-bit地址，前八位用于表示網(wǎng)絡(luò)號(hào)與信道以一定規(guī)則相對(duì)應(yīng)，便于進(jìn)一步擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量；后八位用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。目的地址，用于指示數(shù)據(jù)包將要到達(dá)的節(jié)點(diǎn)號(hào)，支持地址過(guò)濾功能，網(wǎng)絡(luò)層在接收到非本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包時(shí)直接拋棄。當(dāng)目的地址為OxOO時(shí)，數(shù)據(jù)包進(jìn)行廣播，網(wǎng)絡(luò)中所有收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行處理；當(dāng)目的地址為其他時(shí)，點(diǎn)到點(diǎn)通信開啟地址過(guò)濾。尾部包含CRC校驗(yàn)字，每個(gè)數(shù)據(jù)包在發(fā)送的時(shí)候都會(huì)進(jìn)行16位CRC計(jì)算，計(jì)算所得的值作為數(shù)據(jù)包的尾部直接添加到有效負(fù)載的后面。在數(shù)據(jù)包接收的時(shí)候，會(huì)進(jìn)行一次CRC糾錯(cuò)，如果沒有通過(guò)CRC校驗(yàn)，這整個(gè)數(shù)據(jù)包直接丟棄。
[0042]如圖11所示，本協(xié)議提供了一種基于跳數(shù)樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕M網(wǎng)形式，主要包括重置后組網(wǎng)、最短路徑向量路由和能量均衡。
[0043]重置后組網(wǎng):本傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用時(shí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不會(huì)發(fā)生較大的變化，或者說(shuō)使用的過(guò)程中一旦網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立，除非網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，否則網(wǎng)絡(luò)的路由關(guān)系并不會(huì)發(fā)生變化。這種情況下，本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)路由的更新，由此可以節(jié)省大量的網(wǎng)絡(luò)開銷，而是采用一種類似類似于重置的方式，向應(yīng)用層提供一個(gè)重置接口，在需要更新路由表的時(shí)候進(jìn)行重置重新搜索網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并建立路由表。
[0044]最短距離向量路由:本網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)終端與終端之間的距離一般固定的且位于有效的通信范圍之內(nèi)。終端與終端之間只要能夠通信，那么通常情況下鏈路質(zhì)量并不會(huì)有太大的差別，可以認(rèn)為各個(gè)鏈路是對(duì)稱的。為了方便判斷，本協(xié)議選擇距離向量作為判據(jù)進(jìn)行路由選擇。
[0045]本協(xié)議的組網(wǎng)過(guò)程從管理主機(jī)開始逐跳向外搜索直到最遠(yuǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為止，具體可以分為如下幾步:
(I)管理主機(jī)發(fā)射組網(wǎng)請(qǐng)求信令,從機(jī)接收到信令后回傳本節(jié)點(diǎn)信息到主機(jī)進(jìn)行注冊(cè)；主機(jī)繼續(xù)發(fā)射一遍信令以確認(rèn)第一條范圍內(nèi)沒有未注冊(cè)的終端，如沒有響應(yīng)信號(hào)則執(zhí)行
(2)，否則在發(fā)射一遍組網(wǎng)信令。
[0046](2)在已經(jīng)注冊(cè)完的最新一跳終端的基礎(chǔ)上，有主機(jī)控制各個(gè)終端向外搜索更外一跳的終端，并根據(jù)能量均衡原則進(jìn)行路由選擇。
[0047](3)如果沒有搜索到更外層的終端則停止組網(wǎng)，否則重復(fù)步驟(2)。
[0048]能量均衡:低功耗網(wǎng)絡(luò)需要保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠有效的長(zhǎng)時(shí)間工作，這就要求網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)終端都能夠盡可能地均衡地被分配網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。一旦保證路由的建立也應(yīng)當(dāng)考慮這個(gè)問題，盡可能避免通過(guò)同一個(gè)終端建立過(guò)多的路由，或者可以將這成為能量均衡。
【權(quán)利要求】
1.一種低功耗害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括若干個(gè)監(jiān)測(cè)終端、終端管理主機(jī)和害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心， 所述監(jiān)測(cè)終端為昆蟲性誘劑誘捕器，其特征在于所述誘捕器包括圓柱狀外殼、漏斗結(jié)構(gòu)、傳感器、控制模塊、無(wú)線通信模塊、電池盒及定時(shí)器，所述外殼上部周向均勻布置害蟲進(jìn)入孔，所述漏斗結(jié)構(gòu)設(shè)置在外殼內(nèi)部并處于害蟲進(jìn)入孔下方，漏斗結(jié)構(gòu)包括漏斗體及漏斗體下方的漏斗管，漏斗管上設(shè)置有傳感器，無(wú)線通信模塊及電池盒同處于漏斗結(jié)構(gòu)下方，所述傳感器與控制模塊相連，感應(yīng)進(jìn)入誘捕器的害蟲，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)； 所述終端管理主機(jī)包括控制模塊、短距離通信、太陽(yáng)能電池系統(tǒng)與GPRS通信模塊； 所述害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心包括PC機(jī)服務(wù)器； 所述監(jiān)測(cè)終端將傳感器測(cè)得的昆蟲進(jìn)入信號(hào)數(shù)據(jù)包發(fā)送至終端管理主機(jī)，終端管理主機(jī)將所有監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)發(fā)送至害蟲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述漏斗管采用深色塑料制作，并在漏斗管上安裝傳感器，所述傳感器為光電傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述監(jiān)測(cè)終端的控制模塊為能夠?qū)崿F(xiàn)休眠的單片機(jī)，所述監(jiān)測(cè)終端的無(wú)線通信模塊為能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線喚醒和近距離通信的單片集成射頻芯片，其電源管理模塊為能夠?qū)崿F(xiàn)2.7-5V到3.3V電壓升降壓變換的聞效電源芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低功耗害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述單片機(jī)為TI的MSP430G系列單片機(jī)，單片集成射頻芯片為TI的CC1101，高效電源芯片為TI的TPS63031。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的光電傳感器為低功耗設(shè)計(jì)的光電門傳感器，`它包括發(fā)送器、接收器和驅(qū)動(dòng)電路，發(fā)送器和接收器選用紅外對(duì)管進(jìn)行發(fā)送和接受，并在驅(qū)動(dòng)電路上加以改進(jìn):在發(fā)射管上串接IkQ的限流電阻，降低發(fā)射管電流；將接收管的發(fā)射極直接連接到一顆三極管的基極上，對(duì)光電流進(jìn)行放大，提高接收端的靈敏度； 同時(shí)，在發(fā)射電路上增加開關(guān)管，對(duì)發(fā)射管進(jìn)行脈沖調(diào)制，該脈沖的占空比為10%，僅在脈沖信號(hào)的高電平時(shí)監(jiān)測(cè)害蟲，最終傳感器實(shí)測(cè)平均電流約0.05mA。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述監(jiān)測(cè)終端具有兩種工作狀態(tài):休眠狀態(tài)及事件響應(yīng)狀態(tài)， 當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)終端的控制器工作于低功耗模式，關(guān)閉所有無(wú)關(guān)外設(shè)，僅保留定時(shí)器產(chǎn)生調(diào)試信號(hào)，無(wú)線通信模塊工作處于無(wú)線喚醒狀態(tài)； 當(dāng)處于事件響應(yīng)狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)終端響應(yīng)三種事件，并作出響應(yīng)動(dòng)作:1)害蟲落入誘捕器，觸發(fā)傳感器發(fā)出電信號(hào)喚醒監(jiān)測(cè)終端的控制器，監(jiān)測(cè)終端的控制器中的計(jì)數(shù)器加一，完成動(dòng)作之后,系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；2)監(jiān)測(cè)終端接收到管理主機(jī)的命令，喚醒監(jiān)測(cè)終端的控制器，完成響應(yīng)功能，完成動(dòng)作之后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；3)監(jiān)測(cè)終端接收到其他監(jiān)測(cè)終端的命令，根據(jù)一定路由規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成動(dòng)作之后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述終端管理主機(jī)的供電系統(tǒng)為太陽(yáng)能電池系統(tǒng)，所述終端管理主機(jī)的GPRS通信模塊能提供與普通手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的接入。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗害蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述終端管理主機(jī)與各個(gè)監(jiān)測(cè)終端之間根據(jù)一個(gè)自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信和網(wǎng)絡(luò)管理，自定義的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要分成硬件層和網(wǎng)絡(luò)層兩 個(gè)部分。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK103700237SQ201310682494
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】楊駕鵬, 楊廉偉, 王華弟 申請(qǐng)人:楊駕鵬