本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種低功耗長壽命的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國農(nóng)業(yè)用水的效率非常低。我國農(nóng)田灌溉面積為5×107公頃，占全國耕地面積的95％，居世界首位。灌溉用水量占全國總用水量的61.4％，約占全世界總用水量的17％。我國95％的灌溉土地都使用傳統(tǒng)的溝灌和漫灌，水的利用效率僅為30～40％(不到發(fā)達(dá)國家的一半)，浪費(fèi)嚴(yán)重。如果我國農(nóng)業(yè)用水率能達(dá)到發(fā)達(dá)國家相近的水平的話，那么，每年可節(jié)約的用水量約為1600億立方米。而根據(jù)土壤的溫濕度情況對農(nóng)田進(jìn)行精準(zhǔn)的灌溉，可以提高我國水資源的利用率，所以，采集土壤溫濕度具有重要的意義。

由于農(nóng)業(yè)用地地區(qū)偏遠(yuǎn)，地域廣闊，且土壤溫濕度采集節(jié)點(diǎn)較為分散，很難集中給這些節(jié)點(diǎn)供電，所以，需要采用環(huán)境能量，如太陽能、風(fēng)能等，對這些節(jié)點(diǎn)供電。而由于風(fēng)能和太陽能等環(huán)境能量的不穩(wěn)定性和間歇性，為了保證節(jié)點(diǎn)的正常工作，不得不使用電池進(jìn)行儲能。雖然利用環(huán)境能量和電池結(jié)合的方式能解決節(jié)點(diǎn)自供電的問題，但是，對電池頻繁充放電會降低電池壽命，從而增大了電池的更換頻率，而采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，不適合經(jīng)常性更換電池，因此，需要延長采集節(jié)點(diǎn)的電池使用時(shí)間，從而延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種低功耗長壽命的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決上述問題。

一種低功耗長壽命的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括處理器、傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊和時(shí)鐘模塊；所述的傳感器模塊包括溫濕度傳感器和傳感器接口組件；所述的無線模塊包括gprs無線模塊和si4432無線模塊，采用從節(jié)點(diǎn)周期性喚醒的主從式無線通信，及采用低功耗器件，降低了節(jié)點(diǎn)的功耗；所述的電源模塊包括太陽能電池板、供電鋰電池、放電鋰電池、升降壓電路、電池保護(hù)電路和電源切換電路，采用太陽能和雙鋰電池作為供電模塊，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的自供電和延長了節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

所述的處理器采用低能耗的stm32l151c8芯片。

所述的gprs無線模塊采用sim900a芯片，與處理器相連，實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器之間的無線通信；主節(jié)點(diǎn)每個(gè)小時(shí)定時(shí)把從節(jié)點(diǎn)傳輸過來的土壤溫濕度數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，主節(jié)點(diǎn)沒有傳感器模塊，從節(jié)點(diǎn)沒有g(shù)prs無線模塊。

所述的si4432無線模塊采用si4432芯片，與處理器相連，實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間的無線通信；主節(jié)點(diǎn)采用廣播方式對從節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，從節(jié)點(diǎn)每個(gè)小時(shí)周期性喚醒后接收廣播，與主節(jié)點(diǎn)建立連接并發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送成功之后從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，等待下次喚醒；從節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間存在一定的時(shí)間差，以保證每個(gè)時(shí)間段只有一個(gè)從節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，從而避免從節(jié)點(diǎn)因?yàn)榈却ㄐ哦鴵p耗能量；從節(jié)點(diǎn)采集溫濕度數(shù)據(jù)和與主節(jié)點(diǎn)通信完之后就進(jìn)入休眠，單周期(1小時(shí))內(nèi)的工作時(shí)間大概在10-30秒之間，可以取40s作為每個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間喚醒的時(shí)間差，也就是每40秒喚醒一個(gè)從節(jié)點(diǎn)；如果每個(gè)主節(jié)點(diǎn)有n個(gè)從節(jié)點(diǎn)，那么，主節(jié)點(diǎn)在單周期內(nèi)的工作時(shí)間為40*n秒，休眠時(shí)間約為3600-40*n秒；所述的主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，每周需要進(jìn)行一次時(shí)鐘校對，以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘是統(tǒng)一的；通過采用這種從節(jié)點(diǎn)周期性喚醒的主從式無線通信，降低了節(jié)點(diǎn)的功耗。

所述的電源模塊的電源切換電路主要由多個(gè)n溝道功率mosfet開關(guān)管組成的開關(guān)電路來完成電源的切換，當(dāng)太陽能充足時(shí)，切換太陽能電池板為供電模塊，通過降壓電路給系統(tǒng)供電，如果充電鋰電池還未充滿電，則同時(shí)對充電鋰電池進(jìn)行充電；當(dāng)太陽能不足時(shí)，切換供電鋰電池為供電模塊，給系統(tǒng)供電；當(dāng)供電鋰電池的soc低于10％時(shí)，在該節(jié)點(diǎn)的通信結(jié)束后，切換充電鋰電池作為供電鋰電池，切換供電鋰電池作為充電鋰電池；所述的供電鋰電池和充電鋰電池都采用規(guī)格相同的5000ma的磷酸鐵鋰電池；通過所述的電源模塊，延長了電池的使用時(shí)間，從而延長了節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

所述的電池保護(hù)電路采用兩個(gè)德州儀器的bq29700鋰電池保護(hù)芯片，分別對兩個(gè)鋰電池進(jìn)行保護(hù)，而這些保護(hù)包括：過充保護(hù)、過放保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保護(hù)。

附圖說明

圖1為土壤溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為云服務(wù)器和節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸方式；

圖3為基于雙鋰電池的電源模塊組成結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為電源切換電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

一種低功耗長壽命的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示，包括處理器、傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊和時(shí)鐘模塊；所述的傳感器模塊包括溫濕度傳感器和傳感器接口組件；所述的無線模塊包括gprs無線模塊和si4432無線模塊，采用從節(jié)點(diǎn)周期性喚醒的主從式無線通信，及采用低功耗器件，降低了節(jié)點(diǎn)的功耗；如圖3所示，所述的電源模塊包括太陽能電池板、供電鋰電池、放電鋰電池、升降壓電路、電池保護(hù)電路和電源切換電路，采用太陽能和雙鋰電池作為供電模塊，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的自供電和延長了節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

進(jìn)一步的，所述的處理器采用低能耗的stm32l151c8芯片。

進(jìn)一步的，所述的gprs無線模塊采用sim900a芯片，與處理器相連，實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器之間的無線通信，如圖2所示；主節(jié)點(diǎn)每個(gè)小時(shí)定時(shí)把從節(jié)點(diǎn)傳輸過來的土壤溫濕度數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，主節(jié)點(diǎn)沒有傳感器模塊，從節(jié)點(diǎn)沒有g(shù)prs無線模塊。

進(jìn)一步的，所述的si4432無線模塊采用si4432芯片，與處理器相連，實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間的無線通信，如圖2所示；主節(jié)點(diǎn)采用廣播方式對從節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，從節(jié)點(diǎn)每個(gè)小時(shí)周期性喚醒后接收廣播，與主節(jié)點(diǎn)建立連接并發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送成功之后從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，等待下次喚醒；從節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間存在一定的時(shí)間差，以保證每個(gè)時(shí)間段只有一個(gè)從節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，從而避免從節(jié)點(diǎn)因?yàn)榈却ㄐ哦鴵p耗能量；從節(jié)點(diǎn)采集溫濕度數(shù)據(jù)和與主節(jié)點(diǎn)通信完之后就進(jìn)入休眠，單周期(1小時(shí))內(nèi)的工作時(shí)間大概在10-30秒之間，可以取40s作為每個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間喚醒的時(shí)間差，也就是每40秒喚醒一個(gè)從節(jié)點(diǎn)；如果每個(gè)主節(jié)點(diǎn)有n個(gè)從節(jié)點(diǎn)，那么，主節(jié)點(diǎn)在單周期內(nèi)的工作時(shí)間為40*n秒，休眠時(shí)間約為3600-40*n秒；所述的主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，每周需要進(jìn)行一次時(shí)鐘校對，以保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘是統(tǒng)一的；通過采用這種從節(jié)點(diǎn)周期性喚醒的主從式無線通信，降低了節(jié)點(diǎn)的功耗。

進(jìn)一步的，所述的電源模塊的電源切換電路主要由多個(gè)n溝道功率mosfet開關(guān)管組成的開關(guān)電路來完成電源的切換，如圖4所示，假設(shè)此時(shí)圖中的鋰電池1為充電鋰電池，鋰電池2為放電鋰電池，所以，s2和s3一直斷開。當(dāng)太陽能充足時(shí)，切換太陽能電池板為供電模塊，即s5閉合s4斷開，通過降壓電路給系統(tǒng)供電，如果充電鋰電池(鋰電池1)還未充滿電，則同時(shí)對充電鋰電池進(jìn)行充電，即s1閉合；當(dāng)太陽能不足時(shí)，切換供電鋰電池為供電模塊，即s4閉合s5斷開，給系統(tǒng)供電；當(dāng)供電鋰電池的soc低于10％時(shí)，在該節(jié)點(diǎn)的通信結(jié)束后，切換充電鋰電池作為供電鋰電池，切換供電鋰電池作為充電鋰電池，即鋰電池1變?yōu)榉烹婁囯姵?，鋰電?變?yōu)槌潆婁囯姵?，s1和s4一直斷開，s2和s3的閉合和斷開的情況與前面的分析相似；所述的供電鋰電池和充電鋰電池都采用規(guī)格相同的5000ma的磷酸鐵鋰電池；通過所述的電源模塊，延長了電池的使用時(shí)間，從而延長了節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

進(jìn)一步的，所述的電池保護(hù)電路采用兩個(gè)德州儀器的bq29700鋰電池保護(hù)芯片，分別對兩個(gè)鋰電池進(jìn)行保護(hù)，而這些保護(hù)包括：過充保護(hù)、過放保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保護(hù)。