一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置及方法
【專利摘要】一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置，包括有雷電預警監(jiān)測裝置，雷電預警監(jiān)測裝置通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與路由節(jié)點無線連接；路由節(jié)點與終端設(shè)備節(jié)點相連；路由節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)中的其他路由節(jié)點無線連接；其防雷擊方法為：1）通過設(shè)立在田間的小型雷電預警監(jiān)測裝置監(jiān)測、采集大氣電場強度信息，并對采集的大氣電場強度信息進行分析判斷，判斷雷電的發(fā)生的可能性大小；2）當大氣電場強度超過預定閾值時，雷電預警監(jiān)測裝置向路由節(jié)點發(fā)出預警信號，路由節(jié)點接收到預警信號后，通知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有活動的終端設(shè)備節(jié)點；3）終端設(shè)備節(jié)點接收到信號以后，立刻進入無線電靜默狀態(tài)；降低灌溉系統(tǒng)遭受雷電襲擊的可能性，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。
【專利說明】一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于灌溉系統(tǒng)通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè) 備的防雷擊裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著智能灌溉技術(shù)的大力推廣，越來越多的智能灌溉設(shè)施在田間投入運 行，其中絕大多數(shù)的智能灌溉系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的形式來監(jiān)測和傳送土壤墑情數(shù) 據(jù)。對于一些雷電災害較為嚴重的地區(qū)，無線傳感設(shè)備極易受到雷電的襲擊。如果為無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量眾多無線傳感設(shè)備加裝避雷裝置，不僅投資較大，而且較難維護。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種智能灌溉系統(tǒng)中無線 傳感設(shè)備的防雷擊裝置及方法，能在雷電到來之前提前發(fā)出預警信息并通過無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)發(fā)送控制命令，使全網(wǎng)無線設(shè)備保持無線電靜默，并本地緩存監(jiān)測數(shù)據(jù)，待雷電警報解除 后再次發(fā)送，從而大大降低遭受雷電襲擊的可能性且保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。
[0004] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè) 備的防雷擊裝置，包括有雷電預警監(jiān)測裝置3,雷電預警監(jiān)測裝置3通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與 路由節(jié)點2無線連接；路由節(jié)點2與終端設(shè)備節(jié)點1相連；路由節(jié)點2與網(wǎng)絡(luò)中的其他路由 節(jié)點2無線連接。
[0005] 所述的雷電預警監(jiān)測裝置3用于對大氣電場進行監(jiān)測，采用Campbell Scientific Inc生產(chǎn)的LW110型雷電預警系統(tǒng)。
[0006] 所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為采用ZIGBEE協(xié)議棧進行通信的MESH型ZIGBEE無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)。
[0007] 所述的路由節(jié)點采用支持ZIGBEE協(xié)議的無線芯片。
[0008] 所述的路由節(jié)點和無線傳感器設(shè)備為ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用ZIGBEE無線 芯片搭建的路由設(shè)備和無線傳感器設(shè)備。
[0009] 所述的無線芯片中設(shè)有發(fā)射功率寄存器。
[0010] 一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊方法，包括以下步驟： 1) 通過設(shè)立在田間的小型雷電預警監(jiān)測裝置監(jiān)測、采集大氣電場強度信息，并對采集 的大氣電場強度信息進行分析判斷，判斷雷電的發(fā)生的可能性大?。?2) 當大氣電場強度超過預定閾值時，雷電預警監(jiān)測裝置向路由節(jié)點組成的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)發(fā)出預警信號，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點接收到預警信號后，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中進行廣播，通知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有活動的終端設(shè)備節(jié)點； 3) 終端設(shè)備節(jié)點通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到預警信號后，向所有與其建立通信的終端 設(shè)備節(jié)點和路由節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，當路由節(jié)點確認所有與其通信的終端設(shè)備節(jié)點均收到預警 消息之后，路由節(jié)點轉(zhuǎn)入無線電靜默狀態(tài)，終端設(shè)備節(jié)點接收到信號以后，立刻進入無線電 靜默狀態(tài)。 toon] 在整個廣播過程中，各路由節(jié)點根據(jù)自己通訊范圍中設(shè)備(路由或傳感器設(shè)備）的 通信鏈路質(zhì)量指數(shù)（LQI)，自動設(shè)置無線芯片中的發(fā)射功率寄存器，以調(diào)整發(fā)射功率，力求 用最小的發(fā)射功率將消息在全網(wǎng)廣播，最大可能地降低雷擊的風險。
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)點是： 由于雷電預警監(jiān)測設(shè)備是基于對大氣電場的測量，并非雷擊本身，因此可以監(jiān)測雷電 的潛在威脅，可以在雷電到來之前提前采取保護。本方法對雷擊風險采取主動規(guī)避的措施， 并盡可能少地對系統(tǒng)進行改動，既有效地規(guī)避了風險，又節(jié)省了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的整體示意圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明中雷電預警系統(tǒng)與無線芯片的連接電路圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)工作流程圖。
[0016] 圖4為本發(fā)明的路由節(jié)點工作流程圖。
[0017] 圖5為本發(fā)明中無線芯片發(fā)射功率自動調(diào)整流程圖。

【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0019] 參見圖1，一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置，包括有雷電預警監(jiān)測 裝置3,雷電預警監(jiān)測裝置3通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與路由節(jié)點2無線連接；路由節(jié)點2與終 端設(shè)備節(jié)點1相連；路由節(jié)點2與網(wǎng)絡(luò)中的其他路由節(jié)點2無線連接。
[0020] 所述的雷電預警監(jiān)測裝置3用于對大氣電場進行監(jiān)測，采用Campbell Scientific Inc生產(chǎn)的LW110型雷電預警系統(tǒng)。
[0021] 所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為采用ZIGBEE協(xié)議棧進行通信的MESH型（網(wǎng)狀）ZIGBEE 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
[0022] 所述的路由節(jié)點采用支持ZIGBEE協(xié)議的無線芯片。
[0023] 所述的路由節(jié)點和無線傳感器設(shè)備為ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用ZIGBEE無線 芯片（如CC2430/2530)搭建的路由節(jié)點和無線傳感器設(shè)備。
[0024] 所述的無線芯片中設(shè)有發(fā)射功率寄存器。發(fā)射功率寄存器(如：CC2430 ZIGBEE無 線芯片中的TXCTRLL. PA_LEVEL寄存器)。
[0025] -種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊方法，包括以下步驟： 1) 通過設(shè)立在田間的小型雷電預警監(jiān)測裝置監(jiān)測、采集大氣電場強度信息，并對采集 的大氣電場強度信息進行分析判斷，判斷雷電的發(fā)生的可能性大??； 2) 當大氣電場強度超過預定閾值時，雷電預警監(jiān)測裝置向路由節(jié)點組成的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)發(fā)出預警信號，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點接收到預警信號后，立即在無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)中進行廣播，以最快的速度通知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有活動的終端設(shè)備節(jié)點； 3) 終端設(shè)備節(jié)點通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到預警信號后，向所有與其建立通信的終端 設(shè)備節(jié)點和路由節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，當路由節(jié)點確認所有與其通信的終端設(shè)備節(jié)點均收到預警 消息之后，路由節(jié)點轉(zhuǎn)入無線電靜默狀態(tài)，終端設(shè)備節(jié)點接收到信號以后，立刻進入無線電 靜默狀態(tài)。 實施例
[0026] 下面以一次雷電過程對本發(fā)明作進一步說明。
[0027] 參見圖1、圖3和圖4,當雷電來臨時，雷電監(jiān)測預警裝置3監(jiān)測到大氣電場場強值 異常，隨即通過ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)絡(luò)中最近的幾個路由節(jié)點2發(fā)送數(shù)據(jù)幀類型為 廣播幀的雷電預警信息。當附近幾個的路由節(jié)點2接收到含有雷電預警信號的數(shù)據(jù)幀之 后，每個路由節(jié)點向其所有終端設(shè)備節(jié)點1進行轉(zhuǎn)發(fā)，同時向其他路由節(jié)點2繼續(xù)廣播，待 其所有終端設(shè)備節(jié)點1均收到預警消息之后，路由節(jié)點2隨即轉(zhuǎn)入無線電靜默狀態(tài)，而終端 設(shè)備節(jié)點1接收到預警信號以后，則立刻進入無線電靜默狀態(tài)。無線電靜默期間終端設(shè)備 節(jié)點所采集到的土壤墑情數(shù)據(jù)在無線芯片中緩存。當雷電過程趨于結(jié)束，雷電預警監(jiān)測裝 置3監(jiān)測到大氣電場場強值恢復正常，按上述過程發(fā)布警報解除消息，整個系統(tǒng)重新激活。 終端設(shè)備節(jié)點1向各自的路由節(jié)點2 (父級節(jié)點）發(fā)送雷電過程中本地緩存的土壤墑情檢 測數(shù)據(jù)。
[0028] 參見圖5,在數(shù)據(jù)幀進行廣播的過程中，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的路由節(jié)點2在廣播預 警信息時，為了進一步地規(guī)避雷擊風險，采用動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率的廣播策略：在廣播預警信 息之前，路由節(jié)點2首先檢視并記錄當前所有可用路由的通信鏈路質(zhì)量指數(shù)（LQI)，在隨后 預警信息經(jīng)所有可用路由轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，首先讀取當前路由的LQI，并根據(jù)當前鏈路的LQI 值調(diào)整無線芯片中寄存器TXCTRLL. PA_LEVEL的值（寄存器TXCTRLL. PA_LEVEL的取值大小 最終會影響無線電通信的發(fā)射功率，對于LQI較高的鏈路，可適當降低發(fā)射功率)。如此往 復以上過程，直至預警信息經(jīng)所有可用路由發(fā)送完畢。
[0029] 參見圖2,雷電預警系統(tǒng)與無線芯片CC2530之間通過MAX485電平轉(zhuǎn)換芯片進行通 訊，預警系統(tǒng)首先將預警信息通過RS-485數(shù)據(jù)線傳送至MAX485電平轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換 后傳送至CC2530無線芯片并將預警信息封裝成數(shù)據(jù)幀借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。
【權(quán)利要求】
1. 一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置，其特征在于，包括有雷電預警監(jiān) 測裝置（3)，雷電預警監(jiān)測裝置（3)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與路由節(jié)點（2)無線連接；路由節(jié) 點（2)與終端設(shè)備節(jié)點（1)相連；路由節(jié)點（2)與網(wǎng)絡(luò)中的其他路由節(jié)點（2)無線連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置，其特征 在于，所述的雷電預警監(jiān)測裝置（3)用于對大氣電場進行監(jiān)測，采用Campbell Scientific Inc生產(chǎn)的LW110型雷電預警系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置，其特征在 于，所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為采用ZIGBEE協(xié)議棧進行通信的MESH型ZIGBEE無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置，其特征在 于，所述的路由節(jié)點采用支持ZIGBEE協(xié)議的無線芯片。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置，其特征在 于，所述的路由節(jié)點和無線傳感器設(shè)備為ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用ZIGBEE無線芯片 搭建的路由設(shè)備和無線傳感器設(shè)備。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊裝置，其特征在 于，所述的無線芯片中設(shè)有發(fā)射功率寄存器。
7. -種智能灌溉系統(tǒng)中無線傳感設(shè)備的防雷擊方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 通過設(shè)立在田間的小型雷電預警監(jiān)測裝置監(jiān)測、采集大氣電場強度信息，并對采集 的大氣電場強度信息進行分析判斷，判斷雷電的發(fā)生的可能性大??； 2) 當大氣電場強度超過預定閾值時，雷電預警監(jiān)測裝置向路由節(jié)點組成的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)發(fā)出預警信號，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點接收到預警信號后，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中進行廣播，通知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有活動的終端設(shè)備節(jié)點； 3) 終端設(shè)備節(jié)點通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到預警信號后，向所有與其建立通信的終端 設(shè)備節(jié)點和路由節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，當路由節(jié)點確認所有與其通信的終端設(shè)備節(jié)點均收到預警 消息之后，路由節(jié)點轉(zhuǎn)入無線電靜默狀態(tài)，終端設(shè)備節(jié)點接收到信號以后，立刻進入無線電 靜默狀態(tài)。
【文檔編號】H04W84/18GK104143256SQ201410420545
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】郭國法, 許萌, 張開生 申請人:陜西科技大學