低功耗_无人值守稻田病虫无线监测系统

摘要 针对农业病虫害监测的实际工作需要，本系统在传统诱捕技术的基础上，通过添加传感器、MSP430 单片机、CC1101 无线通信模块等功能模块，充分利用无线唤醒功能和低功耗休眠机制，通过自定义通信协议组建了超低功耗无线传感器网络，实现农田虫害的大面积自动监测。关键字：CC1101 ，无线唤醒(WOR)，中继转发，低功耗，空闲信道评估(CCA)AbstractFor actual need of agricultural pest and disease monitoring, based on the traditional trapping techniques, the system make full use of wireless wake-up functionality and low power sleep mechanism by adding sensors, MSP430 and CC1101 wireless communication modules .Through the custom communication strategy, this system sets up ultra-low power wireless sensor networks ,which achieved automatic monitoring of large area for farmland pests.Key Word：CC1101, Wake On Radio (WOR) , Relay, Low-power ,Clear Channel Assessment (CCA)1. 引言当前农业病虫监测工作中，通常需要对一种特定的农业害虫进行诱捕，并根据诱捕获得的虫害数据进行统计分析，预测虫害发展趋势和给出综合防治意见，对于确保当年的粮食收成具有十分重要的指导意义。具体工作时，为了分析一片稻田的健康状态，通常需要在数平方公里的稻田里均匀架设数百个特定害虫的诱捕瓶，统计害虫的种群密度，而且每隔数日就要对每个瓶中的害虫数量进行统计。这是一项繁重而且容易出错的工作，如果能够运用现代电子技术与传统农业诱捕方法相结合，实现稻田病虫害数据的自动监测，将具有重大意义。无线传感器网络是新一代传感器网络，它综合了传感器、嵌入式、无线通信和分布式处理等诸多技术，能够通过各类集成化传感器协同完成对各种环境和监测对象的信息的实时监测，并以自组织、多跳网络方式传送到用户终端，实现物理世界、计算机世界和人类世界的三元世界互联。近几年，无线传感器网络技术得到了相当程度的发展，不仅传统无线局域网技术在无线传感器网络中得到了应用，各种专用的无线传感器网络协议也纷纷出现，比如 Zigbee 协议及相关产品，极大的简化了无线传感器网络的设计工作。系统在传统农业诱捕技术的基础上，增加传感器、控制器等模块构成无线传感器网络，实现无人值守稻田病虫无线监测。在此基础上，系统还有很大的发展空间，比如在现有的无线通信上，可以轻松的增加一些功能，如：稻田湿度、温度监测，农作物生长情况监测，土壤有机化肥含量监测等等功能，以达到良田的科学管理，具有广泛的实用价值和应用前景。2. 系统方案 2.1 系统综述针对目前农业领域普遍依靠人工进行农田病虫害的抽样统计，本系统将现代电子技术与传统农业方法相结合，利用无线传感网络技术实现病虫害自动统计，节省人工的费用，并且具有灵活性和可扩展性，不受时间、地点、距离的限制。本方案由一个主节点和若干个终端探测节点组成。利用 TI 的低功耗MSP430 单片机和低功耗单片收发芯片 CC1101，进行低功耗设计,通过多个探测终端的大面积覆盖,实现害虫的统计功能。各探测终端定时将所记害虫数量通过无线传至主机,各探测终端具有中继转发的功能,以实现更远距离的传输。主机负责信息的汇总,统计与保存,并通过 Email,短信等方式将信息发送至工作人 图 1 系统示意图员，同时，工作人员可以发送命令至主机，获取各种信息（某年月日捕获昆虫总数，平均捕获昆虫数目，某固定探测终端捕获昆虫数目，增加或删除探测终端，等等），起到远程遥控的作用。探测终端采用电池供电，为进一步降低功耗，提高电池的使用寿命，使单片机处于低功耗状态，只有当诱捕瓶有害虫落入和需转发信息时，才唤醒睡眠。同时，探测终端能自动检测电池电量，当电量不足时，可以发送警告至主机，主机再通过 Email 或短信方式通知工作人员，以增强系统的稳定性和可靠性。2.2 无线协议系统设计目标是低功耗和低成本，又由于实际需要，每天只需统计一次数据，所以无需时刻发送或接受数据，在绝大部分时间芯片可以工作于低功耗模式。 由于低功耗的限制，节点的发射功率不可能很大，所以终端探测节点设计了中继转发功能。在数据何时发送的问题上有两种选择:方案 1：各终端探测节点固定在每天的 的时间内完成发送数据至12,T主节点的功能。设总终端探测节点个数为 ，编号为 ，每个节n,3n， ,点平均发送数据时间为 ，则只需满足 即可完成所有数据的发t21t送。其中第 个节点在 时间段处于发送模式状态，在i11()Titit，时间段处于接受状态，用于中继，其余时间1 2,()Ttt，处于睡眠状态。每个节点必须有实时时钟，增加了系统的成本，且由于各时钟芯片的时间不可能完全一致，将导致某些节点在同一时刻发送数据，造成数据的冲突，且该法尚未仔细考虑中继转发对发送时间带来的影响，实施起来有一定的难度。方案 2：探测节点发送数据的时间由主节点发起，当主节点需要统计数据时发起广播，终端探测节点收到广播后准备发射本节点的数据至主节点。由于从节点不知道主节点何时需要数据，所以从节点需时刻处于接受状态，若从节点具有无线唤醒功能，则能处于睡眠状态。为解决数据碰撞的发生，探测节点自接受到主节点的广播后，随机延时一段时间，进行载波检测，若空气中无载波，则发送本节点数据，若空气中存在载波，则本节点再次随机延时一段时间，再进行载波检测。考虑到低成本，系统选用方案 2。3 系统硬件设计图 2 硬件系统框图本系统主要由一个主机和多达 255 个从机构成。为了简化设计，主机与从机使用相同的硬件结构，仅用八位地址加以区别。主机不接传感器，而接 GPS 模块与电脑进行通信；从机监视传感器信号变化，并在必要的时候发送和转发数据。系统硬件主要由单片机系统板、无线传输模块和传感器三部分构成，如下所述。3.1 低功耗单片机本系统选用 TI 公司的 MSP430 Value Line 系列单片，提供了灵活的时钟管理方案和中断唤醒方式，使系统实现了低功耗运行（ 0.4A 待机模式 (VLO)，超快速地从待机模式唤醒 1 s）。MSP430 系列单片机片上集成 SPI 接口、模拟比较器、电池检测器等丰富的外设，极大简化了系统设计的复杂度。本系统主体部分仅由一片单片机构成，传感器的电压信号直接连接到单片的片上比较器的输入端，利用比较的中断唤醒功能实时监测传感器的电压变化；同时，使用 SPI 接口控制无线通信模块，实现数据通信和无限唤醒功能；电池检测器监视电池电量等。这样的设计极大地提高了系统的稳定性，同时便于功耗的管理。3.2 无线传输模块方案 1：采用 TI 的单片低成本低能耗 RF 收发芯片 CC1101，该芯片为低功耗无线应用而设计，集成了一个高度可配置的调制解调器，数据传输率可达 500kbps，为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、空闲信道评估、连接质量指示和电磁波唤醒提供广泛的硬件支持。方案 2：采用 2.4G 高速无线收发芯片 nRF24L01，该芯片采用 GFSK 调制，自动应答及重发功能。方案论证：本系统着重于低功耗设计，对于节点，采用 3V 电池供电。数据每天统计一次，即节点每天发送一次数据至主节点。由于在发射和接受模式时电流消耗大，考虑到 CC1101 具有无线唤醒(WOR) 功能，可以时刻工作于休眠状态，仅在唤醒后进入接受或发射模式，极大的降低了电流消耗。经计算，采用无线唤醒功能，电流消耗能减少几百倍，所以本系统选用 TI 的单片低成本低能耗 RF 收发芯片 CC1101。3.3 传感器模块为了感知害虫落入诱捕瓶中，需在诱捕瓶口加装传感器。一般情况下针对这种应用，使用光电门效果是十分理想的，但是功耗也相对较大（电流可达数十个毫安），难以实现低功耗应用。本设计针对传统光电门，选用红外对管并驱动电路上加以改进，使总电流降到 0.05mA左右，如图所示。本设计中红外对管的深色接收光敏三级管，本身就具有一定滤波功能，能够有效的降低环境中可见光强弱等环境的干扰。同时光敏三极管的灵敏度远高于光敏电阻，相对于光敏二极管而言具有电路机 图 3 红外对管构简单，不需要信号调理的放大电路进一步降低功耗。如表 1 所示。光敏三极管在受到光照的时候会产生光电流（相当于基极电流），经过三级管放大后产生一个比较大的发射极电流，通过判断电流大小可以感知光照强度。但是本应用中并不需要判断光强，只需判断光照的有无，因此可以将光明三极管当成一个光敏感的可变电阻使用，与一个 100 千欧姆的电阻串联，电阻上的压降变化可以达到 0.5 个电源电压左右。表 1 光敏接受器件及其性能材料 性能光敏感电阻 由于环境光影响，阻值变化不明显光敏二极管 灵敏，需要信号放大电路，功耗较大光敏三级管 灵敏，功耗较小4 系统软件设计4.1 CC1101 数据包格式数据包的格式化能被配置，它包含如下项目：前导、同步词汇、长度字节或恒定可控的数据包长度、可选的地址字节、有效载荷、可选的 2 字节 CRC 校验，如图 4 所示图 4 数据包格式其中，前导形式是一个交互的 0、1 序列（01010101.）。前导的最小长度是可编程控制的。 当启用 TX 时， 调制器开始传送前导。当控制数目的前导字节被传送完毕，调制器开始发送同步词汇，然后传送来自 TX FIFO 的可利用的数据。若 TX FIFO 为空，调制器将继续传送前导字节，直到第一个字节被写入 TX FIFO。调制器将随后传送同步词汇和数据字节。同步词汇提供传入数据包的字节同步。数据字节的长度可编程控制。最后传送的是 CRC 字节，用于校验数据传输是否有误。4.2 自定义数据帧格式在数据传输时，首先配置前导、同步词汇、可选的地址字节、有效载荷和可选的 2 字节 CRC，然后重点配置数据字节，自定义数据帧格式，以满足系统设计要求。4.2.1 来自主节点的数据帧格式Data1 Data2 Data3数据长度 leng=3，各数据含义为：（1） 当 Data1=0xaa 并且 Data2=0x00，表示主节点广播，即需要所有节点数据，其中 Data3 表示某次广播的编号。（2） 当 Data1=0xbb 并且 Data2=0x00，表示主节点广播需要特定编号的节点的数据，其中 Data3 表示主节点需要数据的节点编号。（3） 其余数据格式未定义。4.2.2 来自从节点的数据格式Num(1) Data(1) Num(2) Data(2) Num(n) Data(n)数据长度 leng=2n，为偶数， Num 表示节点标号， Data 表示节点标号为Num 的数据。4.2.3 协议i. 主节点协议(1) 当远程监控设备请求数据时，按要求发送数据至远程监控设备。(2) 每天固定时刻发送一次广播，统计当天的害虫数目。(3) 发送广播后，设置为接受模式，对于接受到的新节点要予以标记。(4) 接受时间限制溢出后，统计尚未接受到的节点的数据。(5) 发送对未接受到的节点的信息请求。(6) 对再次请求仍无数据传回的节点（说明该节点或已移除），予以删除。ii. 从节点协议（1） 接受数据来自主节点，如果没转发过该信息，则转发，同时将本节点数据信息加入到发送缓存中。（2） 接受数据来自从节点，如果没转发过该信息，则将数据加入发送缓存中。（3） 收到数据后，随机延时一段时间，检测信道，若信道为空，则将发送缓存中的数据全部发送，且清空发送缓存，否则，继续延时等待。4.3 软件流程图4.3.1 主节点流程图，如图 5 所示NOYESYESNO开始CC1101 初始化、初始化实时时钟及设定数据统计时刻、记录节点标号的寄存器清零数据统计时间满足远程监控设备请求数据广播至从节点，设定数据接受溢出时间 1t收到来自某节点的信息所有节点信息已收到时间溢出解析信息，存储节点数据，若有新节点标号，予以记录关闭定时器检测尚未接收到数据的节点发送获取特定节点数据命令接受数据，若该时间溢出仍无数据传回，说明该节点已移除，清除该节点标号记录重新设定接受溢出时间 2t通过 GPS 发送数据至远程监控设备结束本次数据传输图 5 主节点流程图4.12 从节点流程图，如图 68。NOYESYESNO开始CC1101 初始化进入睡眠状态，开启电磁波激活（WOR）功能复位各标志寄存器，设置 CC1101为接受模式设定数据接受溢出时间（满足 ）3t312tt是否接受到数据将本节点数据加入发送缓存，开启随机延时定时器CC1101被唤醒分析数据图 6 从节点流程图数据来自主节点将本节点数据信息加入缓存，随机延时发送 将本节点用于标记主节点需要数据的节点的标志清除，以便再次转发该节点数据信息是否为主节点广播