一種低功耗害蟲自動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低功耗的、能實現(xiàn)農(nóng)田害蟲大范圍自動監(jiān)測的監(jiān)測系統(tǒng)，它包括若干個害蟲監(jiān)測終端、終端管理主機(jī)和害蟲監(jiān)測數(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、無線通信模塊、電池盒及定時器，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)，安裝了傳感器及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了自動監(jiān)測害蟲數(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)測數(shù)據(jù)；同時，本發(fā)明的監(jiān)測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對電池電源進(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、延長使用時間。
【專利說明】一種低功耗害蟲自動監(jiān)測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)，特別涉及能自動計數(shù)的害蟲誘捕器及相關(guān)組網(wǎng)技術(shù)的害蟲自動監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]昆蟲誘捕器在應(yīng)用時最大問題在于:1、無法實現(xiàn)自動計數(shù)功能，需要每天進(jìn)行人工清點，費時費力且易出錯；2、害蟲監(jiān)測時要求各個誘捕器之間有較大間距，受人力限制，無法進(jìn)行大范圍應(yīng)用。對誘捕器進(jìn)行自動化改造并與無線通信相結(jié)合對提高農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)測效率具有十分明確的現(xiàn)實意義。
[0003]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及傳感器技術(shù)、低功耗技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(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。國內(nèi)外早已將無線傳感器網(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。國外如Mizunuma等(2003)年在農(nóng)田和溫室中應(yīng)用WLAN技術(shù)檢測農(nóng)作物生長并對生產(chǎn)系統(tǒng)實施遠(yuǎn)程控制。而在國內(nèi)也有部分發(fā)明見諸報道，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，但是在現(xiàn)有的應(yīng)用實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)計大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)等，在農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)測自動化方面尚為空白。

【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、能實現(xiàn)農(nóng)田害蟲大范圍自動監(jiān)測的監(jiān)測系統(tǒng)。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:它包括若干個害蟲監(jiān)測終端、終端管理主機(jī)和害蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測終端將傳感器測得的昆蟲進(jìn)入信號數(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)測終端的數(shù)據(jù)發(fā)送至害蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)中心。
[0006]所述監(jiān)測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、無線通信模塊、電池盒及定時器，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，實現(xiàn)自動計數(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)測終端的無線通信模塊為能夠?qū)崿F(xiàn)無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)測終端的無線通信模塊為CllOl芯片，所述監(jiān)測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)計的光電門傳感器，它包括發(fā)送器、接收器和驅(qū)動電路，發(fā)送器和接收器選用紅外對管進(jìn)行發(fā)送和接受，并在驅(qū)動電路上加以改進(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，對光電流進(jìn)行放大，提高接收端的靈敏度；
同時，在發(fā)射電路上增加開關(guān)管，對發(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的二十分之一至五分之一，僅在脈沖信號的高電平時監(jiān)測害蟲，最終傳感器實測平均電流約0.05mA，較傳統(tǒng)光電傳感器十幾毫安功耗降低了 2個數(shù)量級。
[0009]所述害蟲監(jiān)測系統(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，監(jiān)測終端的控制器工作于低功耗模式，關(guān)閉所有無關(guān)外設(shè)，僅保留定時器產(chǎn)生調(diào)試信號，無線通信模塊工作處于無線喚醒狀態(tài)；
當(dāng)處于事件響應(yīng)狀態(tài)時，監(jiān)測終端響應(yīng)三種事件，并作出響應(yīng)動作:1)害蟲落入誘捕器，觸發(fā)傳感器發(fā)出電信號喚醒監(jiān)測終端的控制器，監(jiān)測終端的控制器中的計數(shù)器加一，完成動作之后,系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；2)監(jiān)測終端接收到管理主機(jī)的命令，喚醒監(jiān)測終端的控制器，完成響應(yīng)功能，完成動作之后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；3)監(jiān)測終端接收到其他監(jiān)測終端的命令，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)測系統(tǒng)，其特征在于所述終端管理主機(jī)與各個監(jiān)測終端之間根據(jù)一個自定義的網(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，以及地址過濾和CRC校驗；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)，安裝了傳感器及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了自動監(jiān)測害蟲數(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)測數(shù)據(jù)；同時，本發(fā)明的監(jiān)測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對電池電源進(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、延長使用時間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[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)測終端原理圖。[0018]圖5自動檢測終端工作流程圖。
[0019]圖6為傳感器模塊原理圖。
[0020]圖7為傳感器工作時序圖。
[0021]圖8為終端管理主機(jī)原理圖。
[0022]圖9為監(jiān)測數(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)。
【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0026]本發(fā)明包括若干個監(jiān)測終端、終端管理主機(jī)和害蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)中心。如圖1所示,若干個監(jiān)測終端、終端管理主機(jī)組成田間傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過現(xiàn)有因特網(wǎng)和/或手機(jī)網(wǎng)絡(luò)與害蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)中心鏈接。害蟲監(jiān)測監(jiān)測數(shù)據(jù)中心主要負(fù)責(zé)各個田間傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程管理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總及分析。一個數(shù)據(jù)中心可以管理多個田間傳感器網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)多級監(jiān)測網(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)主要由一個終端管理主機(jī)和眾多監(jiān)測終端組成，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)整個田間傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，通過田間網(wǎng)絡(luò)采集各個監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)，并通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到害蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)中心。監(jiān)測終端在誘捕器的基礎(chǔ)上通過添加光電傳感器實現(xiàn)了捕獲害蟲自動統(tǒng)計的功能，并利用許多具有針對性低功耗電路設(shè)計方案保證電池供電情況下監(jiān)測終端長時間正常工作。
[0027]如圖3所示，所述監(jiān)測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，實現(xiàn)自動計數(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，實現(xiàn)自動計數(shù)?？刂颇K4 (MSP430G系列單片機(jī))與無線通信模塊(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所示自動監(jiān)測終端原理圖，自動監(jiān)測終端由傳感器模塊、無線通信模塊、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、無線通信芯片CCllOl相連，電池通過升降壓芯片TPS63030為各個部分供電。傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過控制芯片內(nèi)部的比較器變?yōu)楦叩碗娖?，?dāng)害蟲掉落的時候會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自動計數(shù)?？刂菩酒ㄟ^SPI總線與無線通信模塊相連，一般情況下無線通信芯片均處于睡眠狀態(tài)，僅當(dāng)需要通信的時候才被喚醒。
[0029]所述的光電傳感器為低功耗設(shè)計，該傳感器在傳統(tǒng)光電門的基礎(chǔ)上，，選用紅外對管并在驅(qū)動電路上加以改進(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；同時將接收管的發(fā)射極直接連接到一顆三極管的基極上，對光電流進(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，對發(fā)射管進(jìn)行脈沖調(diào)制，僅在脈沖信號的高電平時監(jiān)測害蟲。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的二十分之一至五分之一。最終傳感器實測平均電流約0.05mA，較傳統(tǒng)光電傳感器十幾毫安功耗降低了 2個數(shù)量級。
[0030]如圖5所示基于時間驅(qū)動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，監(jiān)測終端的控制器工作于低功耗模式，關(guān)閉所有無關(guān)外設(shè)，僅保留定時器產(chǎn)生調(diào)試信號，無線通信模塊工作處于無線喚醒狀態(tài)；
當(dāng)處于事件響應(yīng)狀態(tài)時，監(jiān)測終端響應(yīng)三種事件，并作出響應(yīng)動作:1)害蟲落入誘捕器，觸發(fā)傳感器發(fā)出電信號喚醒監(jiān)測終端的控制器，監(jiān)測終端的控制器中的計數(shù)器加一，完成動作之后,系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；2)監(jiān)測終端接收到管理主機(jī)的命令，喚醒監(jiān)測終端的控制器，完成響應(yīng)功能，完成動作之后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；3)監(jiān)測終端接收到其他監(jiān)測終端的命令，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)實際應(yīng)用時光電對管的工作距離較近的特點，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)極連接控制信號輸入端口，僅當(dāng)控制端口信號為低電平時產(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產(chǎn)生光電流，那么就會在電阻上產(chǎn)生一個到電平輸出。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所示傳感器工作時序圖，控制信號為占空比較高的PWM波，對應(yīng)的傳感器輸出信號為周期性的脈沖信號。傳感器在工作時，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；如果在某一個時刻有物體掉落遮擋光源，那么對應(yīng)的傳感器輸出信號就會消失直到物體離開。在控制信號的低電平時監(jiān)測輸出信號的高低電平便可以判斷是否有物體遮光。當(dāng)控制信號的周期，小于物體掉落遮擋傳感器的時間，便可以實現(xiàn)傳感器的虛擬實時工作。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的十分之一，可有效的降低了發(fā)射管工作電流。
[0033]實際應(yīng)用的時候一個更加重要的問題是傳感器的可靠性問題。蟲落下時傳感器沒有輸出和沒有蟲的時候的誤觸發(fā)問題會對實際的應(yīng)用帶來的嚴(yán)重的問題，本設(shè)計通過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)十個毫秒，使調(diào)制波的周期遠(yuǎn)小于這個時間便能做到等效的實時監(jiān)測。為了避免傳感器輸出信號在變化沿上存在的毛刺造成誤觸發(fā)，控制器在檢測傳感器信號時同時通過在上升沿和下降延時定義一個觸發(fā)延時，在這個延時時間間隔里只響應(yīng)一個觸發(fā)沿；為了避免不同大小的害蟲在落下時的時間間隔不同，控制器對于觸發(fā)信號只檢測信號的變化沿，當(dāng)一個信號變化沿到來時只引起一次觸發(fā)，而與信號持續(xù)時間的長度無關(guān)。這些措施均可保證傳感器的可靠性。
[0034]通過以上設(shè)計，選用了紅外對管并在驅(qū)動電路上加以改進(jìn)，并對紅外發(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，最終使平均電流降到0.05mA(較傳統(tǒng)光電門降低2個數(shù)量級)左右；同時對傳感器信號進(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)的臨時存儲和監(jiān)測數(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)與各個監(jiān)測終端通信的模塊，具有與整個傳感器網(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)，及時報告問題終端；樹狀網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，存儲整個網(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)臨時存儲及簡單分析。RTC實時時鐘模塊:提供定時信息，根據(jù)設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間，終端管理主機(jī)根據(jù)設(shè)置自動向監(jiān)測終端發(fā)送指令，喚醒終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。太陽能電池模塊:長時間有效的提供能源，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)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離發(fā)送與指令接收。使得監(jiān)測地點不受距離的限制，方便不同級別與規(guī)模的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)組建。
[0036]如圖9所示為監(jiān)測數(shù)據(jù)中心原理圖，所述害蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)中心包括PC機(jī)服務(wù)器及運行其上的數(shù)據(jù)庫程序。所有終端管理主機(jī)都會向該域名發(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)庫程序負(fù)責(zé)各個田間傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯總及分析。一個數(shù)據(jù)中心可以管理多個田間傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以靈活組建不同規(guī)模的害蟲監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
[0037]本發(fā)明在終端管理主機(jī)和監(jiān)測終端之間運行一個自定義的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本協(xié)議針對本傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，監(jiān)測終端為電池供電，通信數(shù)據(jù)率較小，較少的直接相互通信等特點設(shè)計，能夠保證網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)通信及整個網(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，以及地址過濾和CRC校驗。整個網(wǎng)絡(luò)工作在433MHz的ISM波段，采用GFSK調(diào)制方式進(jìn)行通信，無線通信數(shù)據(jù)率100Kb/S。為了進(jìn)一步降低功耗，無線通信模塊在平時大多數(shù)時間里都處于休眠模式，而僅僅在需要使用的時候由主節(jié)點用無線信號進(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)議中采用的是變長數(shù)據(jù)包。
頭有效貨載I尾It導(dǎo)信號I同步字節(jié)I度丨B的地址丨貴載 I CRC校驗
[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)載和尾部等三個部分組成。數(shù)據(jù)包頭部包括前導(dǎo)信號(在同步信號之前發(fā)送的隨機(jī)的0101交替序列)和同步信號(在發(fā)送有效負(fù)載之前，發(fā)送的4個字節(jié)的事先指定同步字節(jié))。通過對前導(dǎo)信號和同步字節(jié)的探測，設(shè)備能夠有效的實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的位和字節(jié)同步。有效負(fù)載的第一個字節(jié)便是本數(shù)據(jù)包的長度，由SBit組成，支持長度從2到255個字節(jié)的變長數(shù)據(jù)包，在接收數(shù)據(jù)包時會對數(shù)據(jù)包的長度進(jìn)行監(jiān)測，如果數(shù)據(jù)包的長度不符合要求，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)號與信道以一定規(guī)則相對應(yīng)，便于進(jìn)一步擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量；后八位用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點。目的地址，用于指示數(shù)據(jù)包將要到達(dá)的節(jié)點號，支持地址過濾功能，網(wǎng)絡(luò)層在接收到非本節(jié)點的數(shù)據(jù)包時直接拋棄。當(dāng)目的地址為OxOO時，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)點都進(jìn)行處理；當(dāng)目的地址為其他時，點到點通信開啟地址過濾。尾部包含CRC校驗字，每個數(shù)據(jù)包在發(fā)送的時候都會進(jìn)行16位CRC計算，計算所得的值作為數(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)包接收的時候，會進(jìn)行一次CRC糾錯，如果沒有通過CRC校驗，這整個數(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)用時網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不會發(fā)生較大的變化，或者說使用的過程中一旦網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立，除非網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點出現(xiàn)故障，否則網(wǎng)絡(luò)的路由關(guān)系并不會發(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)用層提供一個重置接口，在需要更新路由表的時候進(jìn)行重置重新搜索網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并建立路由表。
[0044]最短距離向量路由:本網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用時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)量并不會有太大的差別，可以認(rèn)為各個鏈路是對稱的。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)過程從管理主機(jī)開始逐跳向外搜索直到最遠(yuǎn)的一個節(jié)點為止，具體可以分為如下幾步:
(I)管理主機(jī)發(fā)射組網(wǎng)請求信令,從機(jī)接收到信令后回傳本節(jié)點信息到主機(jī)進(jìn)行注冊；主機(jī)繼續(xù)發(fā)射一遍信令以確認(rèn)第一條范圍內(nèi)沒有未注冊的終端，如沒有響應(yīng)信號則執(zhí)行
(2)，否則在發(fā)射一遍組網(wǎng)信令。
[0046](2)在已經(jīng)注冊完的最新一跳終端的基礎(chǔ)上，有主機(jī)控制各個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)需要保證整個網(wǎng)絡(luò)能夠有效的長時間工作，這就要求網(wǎng)絡(luò)中的每一個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)考慮這個問題，盡可能避免通過同一個終端建立過多的路由，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)測系統(tǒng)，它包括若干個監(jiān)測終端、終端管理主機(jī)和害蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)中心， 所述監(jiān)測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、無線通信模塊、電池盒及定時器，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，實現(xiàn)自動計數(shù)； 所述終端管理主機(jī)包括控制模塊、短距離通信、太陽能電池系統(tǒng)與GPRS通信模塊； 所述害蟲監(jiān)測數(shù)據(jù)中心包括PC機(jī)服務(wù)器； 所述監(jiān)測終端將傳感器測得的昆蟲進(jìn)入信號數(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)測終端的數(shù)據(jù)發(fā)送至害蟲監(jiān)測數(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)測系統(tǒng)，其特征在于所述監(jiān)測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)測終端的無線通信模塊為能夠?qū)崿F(xiàn)無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)測系統(tǒng)，其特征在于所述的光電傳感器為低功耗設(shè)計的光電門傳感器，`它包括發(fā)送器、接收器和驅(qū)動電路，發(fā)送器和接收器選用紅外對管進(jìn)行發(fā)送和接受，并在驅(qū)動電路上加以改進(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，對光電流進(jìn)行放大，提高接收端的靈敏度； 同時，在發(fā)射電路上增加開關(guān)管，對發(fā)射管進(jìn)行脈沖調(diào)制，該脈沖的占空比為10%，僅在脈沖信號的高電平時監(jiān)測害蟲，最終傳感器實測平均電流約0.05mA。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗害蟲監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述監(jiān)測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，監(jiān)測終端的控制器工作于低功耗模式，關(guān)閉所有無關(guān)外設(shè)，僅保留定時器產(chǎn)生調(diào)試信號，無線通信模塊工作處于無線喚醒狀態(tài)； 當(dāng)處于事件響應(yīng)狀態(tài)時，監(jiān)測終端響應(yīng)三種事件，并作出響應(yīng)動作:1)害蟲落入誘捕器，觸發(fā)傳感器發(fā)出電信號喚醒監(jiān)測終端的控制器，監(jiān)測終端的控制器中的計數(shù)器加一，完成動作之后,系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；2)監(jiān)測終端接收到管理主機(jī)的命令，喚醒監(jiān)測終端的控制器，完成響應(yīng)功能，完成動作之后，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠模式；3)監(jiān)測終端接收到其他監(jiān)測終端的命令，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)測系統(tǒng)，其特征在于所述終端管理主機(jī)與各個監(jiān)測終端之間根據(jù)一個自定義的網(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 個部分。
【文檔編號】H04W84/18GK103700237SQ201310682494
【公開日】2014年4月2日 申請日期: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 申請人:楊駕鵬