收 稿 日 期： 2 0 1 7 - 0 6 - 0 7 基 金 項 目： 國 家“ 8 6 3” 計 劃 項 目( 2 0 1 3 A A 1 0 3 0 0 5)； 北 京 市 科 委 項 目( D 1 5 1 1 0 0 0 0 3 7 1 5 0 0 2) 第 一 作 者： 李 文 龍( 1 9 7 6 -), 男, 助 理 研 究 員, 從 事 農(nóng) 業(yè) 電 子 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 檢 測 研 究, E - m a i l： l i w l n e r c i t a . o r g . c n 通 信 作 者： 張 馨( 1 9 8 1 -), 男, 博 士, 副 研 究 員, 從 事 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 環(huán) 境 調(diào) 控 研 究, E - m a i l： z h a n g x n e r c i t a . o r g . c n 基 于 云 服 務(wù) 接 入 的 溫 室 環(huán) 境 采 集 終 端 優(yōu) 化 設(shè) 計 李 文 龍 1,3 , 鄭 文 剛 1 , 卜 云 龍 2 , 張 馨 1 , 姚 遠(yuǎn) 方 1 ( 1 . 北 京 農(nóng) 業(yè) 信 息 技 術(shù) 研 究 中 心, 北 京 1 0 0 0 9 7； 2 . 北 京 京 鵬 環(huán) 球 科 技 股 份 有 限 公 司, 北 京 1 0 0 0 9 4； 3 . 農(nóng) 業(yè) 部 農(nóng) 業(yè) 信 息 軟 硬 件 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 檢 測 重 點 實 驗 室, 北 京 1 0 0 0 9 7) 摘 要： 由 于 溫 室 環(huán) 境 信 息 采 集 需 求 多 樣、 應(yīng) 用 分 散 設(shè) 備 接 入 網(wǎng) 絡(luò) 困 難 且 為 物 聯(lián) 網(wǎng), 云 服 務(wù) 優(yōu) 先 應(yīng) 用 領(lǐng) 域, 使 得 采 用 運 營 商 通 訊 (GSM/GPRS、3G、4G 等) 的 環(huán) 境 數(shù) 據(jù) 采 集 設(shè) 備 在 溫 室 生 產(chǎn) 中 應(yīng) 用 越 來 越 多, 但 實 際 運 行 過 程 中 依 然 存 在 系 統(tǒng) 能 耗 高、 太 陽 能 溫 室 內(nèi) 充 電 效 率 低、 鉛 酸 蓄 電 池 供 電 為 主 體 積 大、 整 體 密 封 性 差 難 以 適 應(yīng) 高 溫 高 濕 環(huán) 境 等 問 題, 迫 切 需 要 在 以 上 幾 個 方 面 開 展 優(yōu) 化 設(shè) 計。 開 發(fā) 了 低 成 本、 集 成 度 高、 低 功 耗 的 溫 室 環(huán) 境 感 知 終 端, 能 夠 采 集 常 規(guī) 數(shù) 字(I 2 C、1-wire、 串 口 等)、 模 擬 信 號 傳 感 器(05V,4 20mA), 靈 活 選 擇 傳 感 器 滿 足 用 戶 對 不 同 監(jiān) 測 參 數(shù) 的 測 量 需 求 并 通 過GSM/GPRS 接 入 已 有 的 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 云 服 務(wù) 平 臺, 適 合 分 散, 大 區(qū) 域 接 入、 單 溫 室 直 接 網(wǎng) 絡(luò) 接 入 等 應(yīng) 用 場 景。 重 點 在 終 端 能 耗 管 理、 防 護 結(jié) 構(gòu)、 太 陽 能 供 電 結(jié) 構(gòu) 等 方 面 開 展 優(yōu) 化 設(shè) 計, 小 功 率 太 陽 能 電 池 板 采 用 多 角 度 安 裝 方 式, 實 現(xiàn) 延 長 充 電 時 間 超 過2hd -1 , 提 高 溫 室 內(nèi) 太 陽 能 利 用 率； 將 主 動 通 風(fēng) 空 氣 防 輻 射 罩 與 符 合IP67 標(biāo) 準(zhǔn) 防 護 殼 構(gòu) 成 一 體, 適 應(yīng) 高 溫 高 濕 環(huán) 境, 并 加 速 防 輻 射 罩 內(nèi) 部 與 外 部 氣 流 交 換 速 度, 提 高 溫 濕 度、CO 2 測 量 響 應(yīng) 速 度 和 精 度； 低 功 耗 硬 件 選 型 配 合 事 件 觸 發(fā) 喚 醒 能 耗 管 理 模 式 解 決GSM/GPRS 通 訊 能 耗 問 題 使 終 端 休 眠 能 耗 為44uA, 常 規(guī) 應(yīng) 用 頻 率 平 均 功 耗 達(dá) 1.1mA, 實 現(xiàn) 無 外 接 供 電 設(shè) 備 全 負(fù) 荷 獨 立 工 作 近1 個 月, 滿 足 溫 室 環(huán) 境 在 線 監(jiān) 測 需 求。 該 優(yōu) 化 設(shè) 計 與 應(yīng) 用 具 有 開 放 性、 易 用 性、 低 成 本、 安 裝 便 捷 等 特 點, 能 夠 提 升 溫 室 生 產(chǎn) 監(jiān) 測 能 力, 市 場 前 景 廣 闊。 關(guān) 鍵 詞： 溫 室； 智 能 傳 感 器； 環(huán) 境 監(jiān) 測； 低 功 耗 設(shè) 計；GSM/GPRS 中 圖 分 類 號：S625.5 文 獻 標(biāo) 識 碼：A 文 章 編 號：1000-1700(2018)03-0371-07 T h e O p t i mi z e d D e s i g n o f t h e G r e e n h o u s e C l i ma t e Mo n i t o r i n g T e r mi n a l b a s e o n C l o u d S e r v i c e A c c e s s i n g LIWen-long 1,3 ,ZHENGWen-gang 1 ,BUYun-long 2 ,ZHANGXin 1 ,YAOYuan-fang 1 (1.BeijingResearchCenterforInformation TechnologyinAgriculture,Beijing 100097,China；2.BeijingKingpengInternationalHi-Tech Corporation,Ltd.,Beijing 100094,China；3.KeyLaboratoryforQuality Testingof HardwareandSoftwareProducts onAgriculturalInformation,Ministry of Agriculture,Beijing 100097,China) A b s t ra ct： The environment data acquirement devices with GSM/GPRS,3G or 4G module were used in greenhouse production widely for diverse demands in measuring parameters,hard to link to Internet for distributed and large area application,and needed by IOT and cloud service technology. But these productions had disadvantages of the higher power consumption,low charging efficiency with solar panel inside greenhouse,higher size and weight powered by lead acid battery,and poorseal ability hard to adapt the high temperature and humidity. It is important to carry out the optimization design for these devices. Base on the optimization in energy consumption and distribution,packaged structure,and solar powered structure,a low cost,highly practical,and low power consumption greenhouse climate monitoring terminal was designed in this paper. It provided digital interface for the protocol of I 2 C,one-wire, and USART,analog signal acquisition interface for 0-5V or 4-20mA output sensors was also provided in this terminal. It could connect several kinds of environment sensors (Air temperature and humility,CO 2 concentration,light radiation,soil humility) as user needed. Multi-angle mounted low power solar panels could prolong the charging time more than 2 hours each day in greenhouse. Higher solar energy utilization efficiency was achieved. The active ventilation radiation shield and encapsulated box with the standard of IP67 were used for decreasing the affection of high temperature and humidity in greenhouse. Air sensor and PCB were integrated in radiation shield and encapsulated box. Faster response time and higher accuracy could achieved by the structural optimization design. Low power consumption design methods 沈 陽 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報,2018,49(3)：371-377 Journal of ShenyangAgricultural University 李 文 龍, 鄭 文 剛, 卜 云 龍, 等. 基 于 云 服 務(wù) 接 入 的 溫 室 環(huán) 境 采 集 終 端 優(yōu) 化 設(shè) 計J. 沈 陽 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報,2018,49(3)：371-377. h t t p： / /s y n y. c b p t . c n k i . n e t D O I: 1 0 . 3 9 6 9 /j . i s s n . 1 0 0 0 - 1 7 0 0 . 2 0 1 8 . 0 3 . 0 1 7 第49 卷 沈 陽 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 - - 圖 1 系 統(tǒng) 構(gòu) 架 圖 F i g u r e 1 S t r u c t u r e o f s y s t e m 當(dāng) 前 溫 室 環(huán) 境 監(jiān) 測 已 經(jīng) 從 傳 統(tǒng) 有 線 監(jiān) 測 和 獨 立 數(shù) 據(jù) 庫 管 理 向 無 線 組 網(wǎng) 監(jiān) 測、 網(wǎng) 絡(luò) 遠(yuǎn) 程 管 理、 智 能 決 策 服 務(wù) 方 向 發(fā) 展, 國 內(nèi) 外 出 現(xiàn) 了 不 同 類 型 的 溫 室 生 產(chǎn) 云 計 算 應(yīng) 用 1-2 , 由 于 溫 室 生 產(chǎn) 多 樣 性、 分 布 廣 闊 分 散、 內(nèi) 部 環(huán) 境 惡 劣 對 溫 室 環(huán) 境 準(zhǔn) 確 穩(wěn) 定 獲 取 并 可 靠 接 入 云 平 臺 提 出 高 要 求。 傳 統(tǒng) 有 線 網(wǎng) 絡(luò) 如 現(xiàn) 場 總 線、 工 業(yè) 以 太 網(wǎng) 綜 合 布 線 繁 瑣, 維 護 工 作 量 大, 電 源 供 給 不 便, 導(dǎo) 致 基 于 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 的 溫 室 采 集 系 統(tǒng) 大 面 積 應(yīng) 用 3 。 如Zigbee、Sub- GHz( 無 線 射 頻 頻 率 低 于1GHz, 如433M、915M、Lora 等) 以 成 本 能 耗 可 控、 傳 輸 距 離 近( 小 于2km), 組 網(wǎng) 方 式 靈 活 ( 星 型、Mesh 網(wǎng) 絡(luò)) 無 需 基 礎(chǔ) 網(wǎng) 絡(luò) 設(shè) 施, 常 用 于 溫 室 關(guān) 鍵 環(huán) 境 參 數(shù) 監(jiān) 測 4-7 。 云 平 臺 接 入 方 面 除 了 傳 統(tǒng) 有 線 以 太 網(wǎng)/WiFi 方 式,GPRS/3G/4G 網(wǎng) 絡(luò) 技 術(shù) 不 受 地 域 限 制, 適 合 用 于 間 斷、 突 發(fā) 的 數(shù) 據(jù) 傳 輸, 已 被 廣 泛 應(yīng) 用 各 種 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 中, 由 于 功 耗 與 成 本 因 素, 大 都 作 為 網(wǎng) 關(guān) 設(shè) 備 與 遠(yuǎn) 程 云 服 務(wù) 器 交 互 8-10 , 隨 著GPRS 模 組 成 本 及 資 費 消 耗 在 產(chǎn) 品 中 比 重 逐 步 減 少, 信 號 覆 蓋 率 相 對 較 高, 開 始 直 接 將 傳 感 器 與GPRS/GSM 模 塊 集 成 一 體 構(gòu) 建 采 集 終 端 11-13 。 商 業(yè) 上 北 京 旗 碩 14 、 海 芯 華 夏 等 已 推 出 類 似 的 產(chǎn) 品, 但 在 在 實 際 應(yīng) 用 在4 個 方 面 進 行 優(yōu) 化：(1) 能 源 消 耗 與 采 集 參 數(shù) 數(shù) 量 沖 突, 由 于GPRS 模 塊 峰 值 功 耗 高 于2Ah, 為 降 低 整 體 能 耗, 傳 感 器 數(shù) 量 連 接 上 受 到 限 制, 導(dǎo) 致 應(yīng) 用 過 程 中 布 點 多, 成 本 相 對 較 高；(2) 供 電 方 式 受 限, 目 標(biāo) 產(chǎn) 品 一 般 需 要 外 接 電 源 供 電 或 采 用 太 陽 電 池 板 和 蓄 電 池, 體 積 大 安 裝 不 便, 難 以 適 合 溫 室 植 物 栽 培 密 集 場 合；(3) 現(xiàn) 場 實 時 獲 取 與 網(wǎng) 絡(luò) 服 務(wù) 沖 突, 很 多 應(yīng) 用 通 過 云 平 臺 獲 取 數(shù) 據(jù) 和 服 務(wù), 如 現(xiàn) 場 不 具 備 網(wǎng) 絡(luò) 接 入 條 件 或 信 號 不 穩(wěn) 定 則 難 以 獲 取 數(shù) 據(jù) 影 響 溫 室 生 產(chǎn)(4) 溫 室 高 溫 高 濕 環(huán) 境 對 設(shè) 備 影 響 較 大。 本 研 究 針 對 以 上 問 題 對GSM/GPRS 與 傳 感 器 一 體 化 集 成 開 展 優(yōu) 化 設(shè) 計, 形 成 低 成 本、 實 用 性 強 的 溫 室 環(huán) 境 云 感 知 終 端, 并 接 入 已 有 溫 室 生 產(chǎn) 綜 合 服 務(wù) 云 平 臺, 通 過 測 試 與 應(yīng) 用 探 索 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 在 溫 室 生 產(chǎn) 中 的 應(yīng) 用 模 式, 改 變 傳 統(tǒng) 溫 室 生 產(chǎn) 信 息 采 集 方 式。 1 系 統(tǒng) 整 體 構(gòu) 架 如 圖1 開 發(fā) 的 溫 室 環(huán) 境 采 集 終 端 用 于 監(jiān) 測 不 同 基 地 溫 室 環(huán) 境 信 息, 并 通 過GPRS 網(wǎng) 絡(luò) 接 入 云 服 務(wù) 平 臺, 提 供 感 知 設(shè) 備 的 快 速 接 入 與 遠(yuǎn) 程 控 制 展 示、 溫 室 生 產(chǎn) 環(huán) 境 的 實 時 監(jiān) 測 與 異 常 預(yù) 警、 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 基 地 的 信 息 管 理 與 感 知 數(shù) 據(jù) 查 詢 分 析 等 服 務(wù) 功 能, 通 過PC、 PAD 或 手 機 為 溫 室 生 產(chǎn) 基 地 生 產(chǎn) 管 理 人 員、 種 植 戶、 政 府 相 關(guān) 管 理 部 門、 社 會 公 眾 提 供 個 性 化 服 務(wù)。 同 時 溫 室 環(huán) 境 采 集 終 端 綁 定 用 戶 手 機 號 碼, 在 入 網(wǎng) 條 件 較 差 時 難 以 在 線 訪 問 云 服 務(wù) 平 臺 時, 除 了 可 以 直 接 讀 取 終 端 上 顯 示 的 內(nèi) 容, 亦 可 通 過 短 信 將 報 警 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 給 農(nóng) 戶, 以 提 升 系 統(tǒng) 可 靠 性。 2 溫 室 環(huán) 境 采 集 終 端 硬 件 設(shè) 計 溫 室 環(huán) 境 采 集 終 端 需 要 滿 足 用 戶 對 多 種 參 數(shù) 采 集 并 存 儲, 定 期 將 采 集 的 數(shù) 據(jù) 通 過 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 發(fā) 送 到 遠(yuǎn) 端 服 務(wù) 器。 具 有 顯 示 功 能 同 時 終 端 通 過 短 信 直 接 面 向 用 戶, 提 供 短 信 報 警 信 息 服 務(wù), 滿 足 現(xiàn) 場 以 及 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 測 管 理。 嚴(yán) 格 管 理 每 個 傳 感 器 與 每 次 網(wǎng) 絡(luò) 傳 輸 的 能 耗, 太 陽 能 充 電 減 少 溫 室 內(nèi) 遮 擋 影 響, 實 現(xiàn) 終 端 設(shè) 計 低 能 耗, 安 裝 便 捷。 2 . 1 封 裝 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 為 了 使 終 端 在 溫 室 高 溫 高 濕 環(huán) 境 下 長 時 間 穩(wěn) 定 運 行, 封 裝 結(jié) 構(gòu) 如 圖2 由 白 色 塑 料 頂 盤、 外 擴 測 盤、 中 空 盤、 in hardware and software were applied in this system. It achieved the 44uA power consumption in sleep mode. Average power consumptionwas1.1mAwhenmeasureinterval timewas15 minutes,and transmit interval time was1 hour. It could be used for nearly one month using only Li-on battery. The monitoring terminal wasalso accessed to the cloud service platform. Through the design and application in greenhouse and cloud platform,there were open,easy-using, low cost and convenient installation characteristicsin thisterminal,andit couldimprove the abilityof greenhouseclimate measurement. K ey w o rd s： greenhouse;smartsensor;environmentmonitor;lowpowerdesign;GSM/GPRS 基 地1 Agricultureproductionbase1 基 地2 Agricultureproductionbase2 基 地3 Agricultureproductionbase3 云 服 務(wù) 平 臺 Cloudservice platform 用 戶 或 管 理 者 Userormanager GPRS 372 李 文 龍 等： 基 于 云 服 務(wù) 接 入 的 溫 室 環(huán) 境 采 集 終 端 優(yōu) 化 設(shè) 計 第3 期 - - 塑 料 底 盤 組 成 的 空 氣 防 輻 射 罩, 防 輻 射 罩 通 過 頂 盤 的 固 定 孔 位 串 接 在 一 起。 數(shù) 據(jù) 采 集 殼 置 于 防 輻 射 罩 內(nèi) 部, 與 塑 料 底 盤 固 定 一 體。3 個 太 陽 能 電 池 板 安 裝 在 外 擴 側(cè) 盤 的 四 周, 用 于 為 系 統(tǒng) 和 內(nèi) 置 循 環(huán) 風(fēng) 扇 供 電。 內(nèi) 置 循 環(huán) 風(fēng) 扇 位 于 側(cè) 盤 下 面 的 中 控 盤 上, 通 過4 個 螺 絲 扣 固 定 其 中。 按 鍵 和 顯 示 屏 位 于 側(cè) 盤。 其 中3 個 太 陽 能 板 通 過 并 聯(lián) 連 接 到 數(shù) 據(jù) 采 集 器 中, 并 面 向 不 同 方 向。1 個 太 陽 能 板 直 接 連 接 循 環(huán) 風(fēng) 扇, 當(dāng) 太 陽 輻 射 越 強 風(fēng) 扇 速 度 會 增 強 16 。 數(shù) 據(jù) 采 集 殼 內(nèi) 部 放 置 電 路 板、 電 池、GPRS 模 塊 等 部 件。 上 下 兩 端 風(fēng) 別 開 口 用 于 連 接 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器、 二 氧 化 碳 傳 感 器、 光 照 度 傳 感 器、 土 壤 溫 度 傳 感 器、 土 壤 含 水 量 傳 感 器, 傳 感 器 用 防 水 接 頭 連 接。 電 源 開 關(guān) 位 于 底 部, 用 于 終 端 電 源 的 開 閉。 無 線 通 訊 天 線 在 數(shù) 據(jù) 采 集 盒 頂 部 開 口。 終 端 實 物 圖 見 圖3。 該 封 裝 結(jié) 構(gòu) 重 點 優(yōu) 化 太 陽 能 電 池 板 數(shù) 量 與 位 置、 采 集 設(shè) 備 多 層 防 護, 能 夠 較 好 解 決 溫 室 內(nèi) 部 太 陽 光 相 對 室 外 弱, 光 能 未 能 充 分 利 用, 同 時 多 層 防 護 確 保 采 集 系 統(tǒng) 在 高 溫 高 濕 下 可 靠 運 行。 2 . 2 硬 件 組 成 硬 件 組 成 如 圖4, 處 理 器 采 用 超 低 功 耗 單 片 機MSP430F2418, 其 具 有118KFlash 滿 足 多 種 傳 感 器 及 通 訊 方 式 擴 展。 豐 富 片 上 資 源 滿 足 系 統(tǒng) 應(yīng) 用。 供 電 部 分 采 用3 塊0.5W/5V 輸 出 太 陽 能 電 池 板 為 終 端 內(nèi) 部6Ah 鋰 電 池 充 電, 充 電 管 理 芯 片 采 用TI 的BQ24210 能 夠 跟 蹤 太 陽 能 電 池 板 輸 出 以 獲 得 最 大 充 電 效 率 16 。 同 時 為 了 滿 足 傳 統(tǒng)5-24V 傳 感 器 供 電 采 用TPS61081 為 傳 感 器 提 供 可 調(diào) 高 壓。TPS78233 為 系 統(tǒng) 提 供 標(biāo) 準(zhǔn) 穩(wěn) 定3.3V 電 源 電 壓, 通 過 多 路 電 源 負(fù) 載 開 關(guān)XC8102 分 別 為 傳 感 器 提 供 可 開 閉 的 電 源 能 夠 大 幅 度 降 低 傳 感 器 工 作 功 耗； 實 時 時 鐘 ISL12022 嵌 入5ppm 精 度 的 晶 振 為 終 端 提 供 準(zhǔn) 確 時 間, 存 儲 芯 片SST26VF016 提 供2M 字 節(jié) 空 間 用 于 存 儲 采 集 的 數(shù) 據(jù), 增 加0.9 寸OLED 顯 示, 方 便 現(xiàn) 場 設(shè) 施 與 查 詢, 看 門 狗CAT823 確 保 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性； 通 訊 方 便 留 有 電 路 板 接 口 相 關(guān) 串 口、SPI 及 電 源 接 口, 可 以 根 據(jù) 不 同 需 求 裝 配GSM/GPRS 模 塊 (SIM900A) 17 ,Zigbee ( 美 國Digi Xbee) 18 , 或WiFi 模 塊( 上 海 慶 科EMW3165), 實 現(xiàn) 采 集 數(shù) 據(jù) 與 網(wǎng) 絡(luò) 接 入 功 能。 圖 3 終 端 樣 機 實 物 圖 F i g u r e 3 T h e o b j e c t m a p o f s e n s o r n o d e 1. 塑 料 頂 盤；2. 固 定 孔；3. 內(nèi) 循 環(huán) 風(fēng) 扇；4. 外 擴 測 盤；5. 塑 料 底 盤； 6. 天 線；7. 電 源 開 關(guān)；8. 下 傳 感 器 接 口；9. 數(shù) 采 殼 體；10. 上 傳 感 器 接 口； 11. 中 空 塑 料 盤；12. 按 鍵 顯 示 屏；13. 太 陽 能 電 池 板 1.Plastictopplate;2.Mountinghole;3.Theinsidefan;4.Sideplatefor functionextension;5.Plasticbottomplate;6.Antenna;7.Powerswitch; 8.Sensorconnectoronbottom;9.Dataloggerplasticshell;10.Sensor connectorontop;11.Plasticplateinmiddle;12.Keyanddisplayer; 13.Solarpanel 圖 2 終 端 結(jié) 構(gòu) 圖 F i g u r e 2 S t r u c t u r e o f s e n s o r n o d e 圖 4 終 端 硬 件 組 成 F i g u r e 4 S t r u c t u r e o f h a r d wa r e 太 陽 能 電 池 板0.5-1W Solarpanel0.5-1W 充 電 管 理BQ24210+ 鋰 電 池 Chargingmanagementandli-ion battery 電 源 管 理TPS78233 Powermanagement 實 時 時 鐘ISL12022M RTCIC 存 儲 芯 片SST26VF016 FlashIC 顯 示 與 按 鍵 Displayandkeyboard 看 門 狗CAT823 WatchdogIC 通 訊 擴 展 接 口 支 持SIM900/XBEE/WIFI Extendedcommunicationport 高 壓 供 電TPS61081 Highvoltagesupply 傳 感 器 電 源 開 關(guān)XC8102 Powerswitchforsensors 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器SHT11 Temperature&humiditysensor 光 照 度 傳 感 器ISL29013 Lightintensitysensor CO2 傳 感 器GSS Carbordioxideconcentrationsensor 土 壤 溫 度 傳 感 器EC-5 Soiltemperaturesensor 土 壤 含 水 量 傳 感 器EC-5 Soilmoisturecontentsensor 微 處 理 器 MSP430F2418 Microprocess or 373 第49 卷 沈 陽 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報 - - 2 . 3 可 裝 配 式 GS M / GP R S 模 塊 設(shè) 計 GSM/GPRS 模 塊 選 用 芯 訊 通SIMcom 公 司 推 出 的 SIM900A, 該 模 塊 是 一 款 高 性 能 工 業(yè) 級 雙 頻GSM/ GPRS 模 塊, 能 夠 自 動 搜 索EGSM900MHz 和DCS 1800MHz 兩 個 工 作 頻 段 17 。 采 用 可 插 拔 模 組 設(shè) 計, 接 口 預(yù) 留SPI、 串 口TTL、GPIO 等, 同 時 提 供 鋰 電 池 電 壓、 3V 電 壓, 滿 足GSM/GPRS 芯 片 組 或 其 它 射 頻 通 訊 芯 片 通 訊 與 供 電 需 求。 由 于SIM900A 供 電 電 壓3.2-4.8V, 峰 值 電 流2A 以 上, 可 以 通 過 增 加 大 電 容 直 接 連 接 鋰 電 池, 為 了 從 硬 件 上 進 一 步 降 低 模 塊 能 耗, 增 加DC/ DC 穩(wěn) 壓 電 源MAX1688 為 模 塊 提 供 標(biāo) 準(zhǔn)4V/2A 電 壓, 需 要 通 訊 時 打 開 供 電 電 源 芯 片, 不 需 要 時 直 接 關(guān) 閉 供 電, 避 免 長 時 間 為 大 電 容 充 電, 將 運 行 能 耗 降 為 最 低。 2 . 4 傳 感 器 選 型 傳 感 器 選 用 市 面 成 熟 產(chǎn) 品, 低 能 耗、 供 電 電 壓 為3.3V, 準(zhǔn) 確 度、 封 裝 能 夠 滿 足 溫 室 應(yīng) 用。 優(yōu) 先 選 擇 數(shù) 字 傳 感 器, 其 在 生 產(chǎn) 應(yīng) 用 在 功 耗、 精 度、 可 靠 性 等 方 面 相 對 傳 統(tǒng) 模 擬 傳 感 器 具 有 較 大 優(yōu) 勢, 同 時 也 符 合 傳 感 器 應(yīng) 用 發(fā) 展 方 向。 具 體 參 數(shù) 如 表1。 圖 5 G S M / G P RS 模 塊 實 物 圖 F i g u r e 5 T h e m o d e l o f G S M / G P RS 表 1 溫 室 環(huán) 境 傳 感 器 參 數(shù) T a b l e 1 T h e p a r a m e t e r s o f g r e e n h o u s e c l i m a t e s e n s o r s 傳 感 器 名 稱 Sensorname 空 氣 溫 濕 度 傳 感 器 Temperature&humiditysensor 光 照 傳 感 器 Lightintensitysensor CO2 濃 度 傳 感 器 CO2concentrationsensor 土 壤 溫 度 傳 感 器 Soiltemperaturesensor 土 壤 含 水 量 傳 感 器 Soilmoisturecontentsensor 型 號 Modeltype SHT21 ISL29013 COZIR DS18B20 EC-5 生 產(chǎn) 商 Manufacturer SENSIRION Intersil GSS Maxim Decagon 參 數(shù) Parameters 精 度： 濕 度 為3%, 溫 度 為0.4 Accuracy:Humidity3%,Temperature0.4 量 程：0256000lux, 精 度：5% Range:0256000lux,Accuracy:5% 量 程：02000ppm, 精 度：50ppm Range:02000ppm,Accuracy:5% 量 程：-3070, 精 度：0.5 Range:-3070,Accuracy:0.5 體 積 含 水 量, 礦 質(zhì) 土：3%,1% 校 對 后 Volumetricwatercontent,Accuracy:3%(mineralsoil),1%(calibrated) 空 氣 溫 濕 度、 光 照 與 單 片 機 的 硬 件I 2 C 接 口 連 接； 二 氧 化 碳 傳 感 器 與 單 片 機 的 串 口USART 連 接； 土 壤 溫 度 為 一 線 制 協(xié) 議 方 便 與 單 片 機IO 口 連 接； 土 壤 含 水 量 傳 感 器 為 模 擬 電 壓 輸 出, 直 接 與 單 片 機ADC 轉(zhuǎn) 換 接 口 連 接 3 嵌 入 式 軟 件 設(shè) 計 終 端 嵌 入 式 軟 件 采 用C 語 言 編 程, 代 碼 的 編 輯、 編 譯、 調(diào) 試、 下 載 采 用 集 成 開 發(fā) 環(huán) 境IAREW430V5.50。 軟 件 采 用 單 片 機 內(nèi) 部 看 門 狗 定 時 器 作 為 系 統(tǒng) 時 鐘, 定 時 喚 醒 處 理 器, 在 中 斷 程 序 中 完 成 顯 示、 采 集、 存 儲、 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 等 工 作。 軟 件 流 程 圖 如 圖6。 軟 件 完 成 初 始 化 以 后 進 入 超 低 功 耗 模 式3(LM3), 等 待 系 統(tǒng) 時 鐘、 外 部 實 時 時 鐘 喚 醒 中 斷、 按 鍵 設(shè) 置 中 斷。 系 統(tǒng) 時 鐘 定 時 喚 醒 系 統(tǒng) 完 成 喂 看 門 狗, 讀 取 實 時 時 鐘 數(shù) 據(jù), 判 斷 是 否 到 達(dá) 數(shù) 據(jù) 采 集 間 隔, 如 果 到 達(dá) 數(shù) 據(jù) 采 集 間 隔 則 順 序 打 開 傳 感 器 供 電 電 路 采 集 傳 感 器 數(shù) 據(jù), 并 調(diào) 用 數(shù) 據(jù) 存 儲 程 序 將 采 集 的 數(shù) 據(jù) 存 儲 到Flash 存 儲 器 中, 采 集 時 同 步 顯 示 采 集 的 數(shù) 據(jù) 以 及 設(shè) 備 狀 態(tài) 后 關(guān) 閉 進 入 低 功 耗 模 式3。 實 時 時 鐘 采 用 外 部 中 斷 方 式 主 要 為 系 統(tǒng) 提 供GSM/GPRS 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 時 間 到 達(dá) 喚 醒 通 知 單 片 機 將 采 集 的 數(shù) 據(jù) 通 過 通 訊 模 塊 將 數(shù) 據(jù) 以 短 信 或 者 網(wǎng) 絡(luò) 方 式 發(fā) 送 出 去。 按 鍵 設(shè) 置 終 端 采 用 外 部 中 斷 方 式 喚 醒 系 統(tǒng) 完 成 系 統(tǒng) 設(shè) 置 功 能。 3 . 1 系 統(tǒng) 節(jié) 能 系 統(tǒng) 的 節(jié) 能 除 了 硬 件 選 用 低 功 耗 芯 片 還 需 要 配 合 軟 件 實 現(xiàn) 整 體 能 耗 的 降 低。(1) 外 圍 模 塊 供 電 管 理 及 休 眠 管 理 當(dāng)OLED 模 塊 顯 示 完 成, 則 關(guān) 閉OLED 顯 示, 顯 示 功 耗 降 低 到uA 級 別。 傳 感 器 不 采 集 數(shù) 據(jù) 時 則 及 時 關(guān) 閉 其 供 電 電 源 以 進 一 步 降 低 系 統(tǒng) 能 耗。(2) 事 件 觸 發(fā) 型 程 序 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 絕 大 部 分 事 件 處 于 低 功 耗LM3 模 式, 定 時 374 李 文 龍 等： 基 于 云 服 務(wù) 接 入 的 溫 室 環(huán) 境 采 集 終 端 優(yōu) 化 設(shè) 計 第3 期 - - 表 2 網(wǎng) 絡(luò) 通 訊 協(xié) 議 T a b l e 2 Co m m u n i c a t i o n p r o t o c o l 協(xié) 議 號 ProtoID 2byte 機 器 號 DeviceID 6byte 日 期 時 間 DateTime 12byte 傳 感 器 類 型 SensorKind 2byte 傳 感 器 數(shù) 據(jù)1 SensorData1 4byte 傳 感 器 數(shù) 據(jù)2 SensorData2 4byte . . 傳 感 器 數(shù) 據(jù)7 SensorData7 2byte 電 池 電 壓 BatteryVoltage 2byte 喚 醒 系 統(tǒng) 完 成 相 關(guān) 采 集 功 能, 通 過 按 鍵、 看 門 狗、 實 時 時 鐘 芯 片、CO 2 傳 感 器 和SIM900A 數(shù) 據(jù) 接 收 中 斷 函 數(shù) 喚 醒 系 統(tǒng) 開 展 對 應(yīng) 操 作。 3 . 2 通 訊 協(xié) 議 定 義 協(xié) 議 采 用 十 六 進 制 格 式, 協(xié) 議 號、 日 期 時 間、 傳 感 器 類 型、 機 器 號 等 四 項 以 字 符 串 的 形 式 存 儲； 定 義 協(xié) 議 字 符 串 數(shù) 組 共 占52 字 節(jié), 除 協(xié) 議 號、 設(shè) 備 編 號、 日 期 時 間、 傳 感 器 類 型ID 外 其 余 字 段 均 可 以 空 缺, 空 缺 時 用“0” 代 替, 具 體 見 表2。 3 . 3 人 機 界 面 設(shè) 計 控 制 面 板 上 共 有4 個 按 鍵, 分 別 為 設(shè) 置 鍵“ 設(shè) 置”、 右 移 鍵“”、 數(shù) 字 加 鍵“+”、 確 認(rèn) 鍵“ 確 認(rèn)”。 通 過 這 幾 個 按 鍵 實 現(xiàn) 機 號 設(shè) 置、 日 期 時 間 設(shè) 置、 氣 溫 報 警 設(shè) 置、 地 溫 報 警 設(shè) 置、 土 濕 報 警 設(shè) 置、 光 強 報 警 設(shè) 置、CO 2 報 警 設(shè) 置 等 各 項 設(shè) 置 等 基 礎(chǔ) 設(shè) 置。 通 過 對 采 集 間 隔 設(shè) 置 實 現(xiàn) 沒 個 一 段 時 間 采 集 存 儲 傳 感 器 數(shù) 據(jù), 當(dāng) 達(dá) 到 發(fā) 送 時 間 設(shè) 置 的 時 間 則 將 之 前 存 儲 的 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 的 云 端 服 務(wù) 器； 目 標(biāo) 手 機 號 碼 設(shè) 置 實 現(xiàn) 將 報 警 信 息 發(fā) 送 到 手 機 號 碼 上； 通 過 通 信 協(xié) 議 設(shè) 置、 網(wǎng) 絡(luò) 地 址 設(shè) 置、 端 口 號 設(shè) 置, 方 便 終 端 接 入 云 平 臺； 同 時 連 續(xù) 按 下 設(shè) 置 鍵, 則 喚 醒 終 端 進 入 輪 詢 采 集 傳 感 器 并 顯 示。 部 分 界 面 如 圖7。 4 測 試 結(jié) 果 4 . 1 功 能 性 能 測 試 4 . 1 . 1 短 信 報 警 功 能 測 試 在 室 內(nèi) 環(huán) 境, 通 過 按 鍵 設(shè) 置 目 標(biāo) 手 機 號 碼, 設(shè) 置 土 壤 含 水 量 下 限 為15%, 上 限 為45%, 其 它 傳 感 器 不 設(shè) 上 下 限。 將 土 壤 含 水 量 傳 感 器 置 于 空 氣 中, 終 端 進 入 采 集、 顯 示、 存 儲 過 程, 土 壤 含 水 量 在 空 氣 中 讀 數(shù) 為0.0% 引 發(fā) 報 警, 終 端 以 短 信 方 式