《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》是南京農業大學於2012年12月19日申請的專利，該專利的申請號為2012105543876，公布號為CN103035112A，公布日為2013年4月10日，發明人是倪軍、曹衛星、朱艷、姚霞、田永超、龐方榮，該發明屬於農業物聯網領域。
《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》包括感測器模組、微處理器模組、無線通信模組、實時時鐘模組、電源控制模組、電源模組，其中電源模組分別供電給實時時鐘模組和電源控制模組；電源控制模組分別連線感測器模組、微處理器模組、無線通信模組；微處理器模組依次與實時時鐘模組、電源控制模組連線；當微處理器模組成功接收感測器模組採集的信號後，通過控制實時時鐘模組的脈衝信號翻轉，從而控制電源控制模組的通斷，實現無線採集終端長時間的休眠與喚醒，節約了終端的工作能耗。
2017年5月，《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》獲得第十屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
（概述圖為《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法
- 公布號：CN103035112A
- 公布日：2013年4月10日
- 申請號：2012105543876
- 申請日：2012年12月19日
- 申請人：南京農業大學
- 地址：江蘇省南京市玄武區衛崗1號
- 發明人：倪軍、曹衛星、朱艷、姚霞、田永超、龐方榮
- 分類號：G08C17/02（2006.01）I、H04W84/18（2009.01）I、G01D21/02（2006.01）I
- 代理機構：南京經緯專利商標代理有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：朱小兵
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在傳統作物生產管理過程中，對作物生長狀況往往缺乏準確量化認識；或雖對作物生長指標進行定量分析，但需破壞性取樣與化學分析，時效性差，常導致生產中普遍過量施肥（特別是氮肥）或肥料施用不足（如部分微量元素），易造成生產成本上升、環境污染和土地可持續生產能力下降。以氮肥為例，中國氮肥消費量占世界氮肥總量的30％，但氮肥利用效率卻十分低下，通常只有30％左右，而中國國外已開發國家如美國普遍達到50~60％。因此，必須要瞄準世界農業科技前沿，圍繞現代農業發展的瓶頸，大力推進農業信息化、智慧型化技術，集成先進感測器技術和物聯網等高新技術，實現農業生產管理過程中對作物、環境、土壤的實時監測，快速獲取作物生長狀況、生態環境以及水肥狀況，為作物生產全程管理提供豐富的實時數據資源與決策支持，促進作物生產管理向數位化和智慧化方向發展。
但是2012年12月前已有的技術中，作物生產智慧管理系統的建立受感測器技術、農業工程、作物生長監測和作物栽培管理決策技術的制約，大範圍環境下農田作物、環境、土壤信息的協同實時獲取技術還不成熟，還存在著監測指標單一，監測點範圍小、監測手段繁瑣、成本高、施工困難、易受干擾等缺陷與不足，還不能很好地滿足實際套用需求。
發明內容
專利目的
《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》所要解決的技術問題是針對背景技術中的缺陷，提供一種套用於大範圍農田環境下作物-大氣-土壤信息無線採集終端，該裝置能多跳、協同、自組織無線感測網路，實現野外田間條件下連續、實時、大範圍地獲取農田生態環境信息。
技術方案
《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》包括依次相連線的感測器模組、微處理器模組、無線通信模組，以及用於供電的電源模組；還包括實時時鐘模組、電源控制模組；其中：所述電源模組分別供電給實時時鐘模組和電源控制模組；所述電源控制模組分別連線感測器模組、微處理器模組、無線通信模組；所述微處理器模組與實時時鐘模組的信號輸入端連線，所述實時時鐘模組的信號輸出端與電源控制模組連線；當微處理器模組成功接收感測器模組採集的信號後，通過控制實時時鐘模組的脈衝信號翻轉，從而控制電源控制模組的通斷。
作為該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端的進一步最佳化方案，所述感測器模組包括敏感元件單元、信號調理單元和匯流排接口單元；其中，所述敏感元件單元包括溫濕度感測器、CO2濃度感測器、光強感測器、多光譜作物生長感測器、土壤水分感測器和土壤溫度感測器；所述信號調理單元包括作物生長信號調理電路和土壤水分信號調理電路；
其中：所述多光譜作物生長感測器通過禁止電纜連線作物生長信號調理電路，所述土壤水分感測器通過禁止電纜連線土壤水分信號調理電路，所述土壤信息調理電路、作物生長信號調理電路、溫濕度感測器、CO2濃度感測器、光強感測器、土壤溫度感測器分別連線匯流排接口單元；所述匯流排接口單元連線微處理器模組的數字口。
作為該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端的進一步最佳化方案，所述作物生長信號調理電路包括電流-電壓轉換電路、微信號放大電路、濾波電路、增益可調電路、模數轉換電路；其中：所述電流-電壓轉換電路的輸入端與多光譜作物生長感測器連線，所述電流-電壓轉換電路的輸出端依次串接微信號放大電路、濾波電路、增益可調電路、模數轉換電路。
作為該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端的進一步最佳化方案，所述土壤水分信號調理電路包括f-V轉換電路、電壓放大電路、模數轉換電路；其中：所述f-V轉換電路的輸入端連線土壤水分感測器，所述f-V轉換電路的輸出端依次連線電壓放大電路、模數轉換電路。
作為該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端的進一步最佳化方案，所述無線通信模組的頻段為780兆赫。
作為該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端的進一步最佳化方案，所述電源控制模組包括觸發器、電子模擬開關、續流二極體、低壓差線性穩壓器、去耦二極體；其中所述觸發器依次連線電子模擬開關、續流二極體、低壓差線性穩壓器、去耦二極體。
作為該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端的進一步最佳化方案，所述電源模組包括太陽能充電電路、過壓保護電路、充電保護電路、穩壓電路；其中，所述太陽能充電電路依次連線過壓保護電路、充電保護電路、穩壓電路。
該發明還提出一種基於上述作物-大氣-土壤信息無線採集終端的採集方法，包括如下步驟：
步驟1）在農田中按需布置若干個作物-大氣-土壤信息無線採集終端，當啟動每個採集終端電源模組時，由實時時鐘模組輸出一正窄脈衝信號至電源控制模組；在電源控制模組中，該正窄脈衝信號經觸發器保存，然後驅動電子模擬開關，控制低壓差線性穩壓器使能，使得與電源控制模組連線的微處理器模組、感測器模組、無線通信模組分別接通電源；
步驟2）微處理器模組進行初始化：包括外部數字口初始化、感測器模組採集時序初始化、通信協定初始化、掃描信道初始化；
步驟3）各採集終端通過無線通信模組請求加入自組織網路，並等待網路匯聚節點回響，如果網路匯聚節點發出連線應答，則採集終端聯網成功；否則繼續等待回響；
步驟4）感測器模組在微處理器模組的控制下，按照感測器模組採集時序逐一採集農田信息，按時序關係存儲於微處理器模組記憶體中；
步驟5）完成一次採集周期後，裝配按時序關係存儲於微處理器模組記憶體中的數據，調用協定層的API完成數據向網路匯聚節點的傳送；
步驟6）數據成功傳送後，微處理器模組向實時時鐘模組發出外部中斷請求，實時時鐘模組回響中斷後，啟動預先設定在實時時鐘模組中的定時時間數據；同時，實時時鐘模組輸出一負窄脈衝信號至電源控制模組，在電源控制模組中，該負窄脈衝信號經觸發器鎖存後，關斷電子模擬開關，控制低壓差線性穩壓器阻斷，使得微處理器模組處於斷電休眠狀態，等待喚醒；
步驟7）當到達實時時鐘模組中設定的定時時間時，由實時時鐘模組輸出一正窄脈衝信號至電源控制模組，在電源控制模組中，該正窄脈衝信號經觸發器鎖存，然後驅動電子模擬開關，控制低壓差線性穩壓器使能，重新使得與電源控制模組連線的微處理器模組、感測器模組、無線通信模組分別接通電源；
步驟8）重複執行步驟2）-步驟7）。
作為該發明的作物-大氣-土壤信息無線採集終端的採集方法進一步的最佳化方案，步驟4）所述感測器模組採集時序為：作物冠層溫度信息、作物冠層濕度信息、作物冠層光照信息、作物冠層CO2濃度信息、作物生長信息、土壤含水率信息、土壤溫度信息。
有益效果
《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》採用以上技術方案，與2012年12月前已有技術相比的有益效果是：
1、該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端，在電路板級系統上集成多種感測器，並按照一定的感測器模組採集時序採集數據、存儲數據、裝配數據、傳送數據，實現了大範圍環境下農田作物、環境、土壤信息的協同實時獲取。克服了以往監測指標單一，監測點小，監測方法繁瑣的弊端。
2、該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端，採用ZigBee-780兆赫頻段無線通信，該頻段乾淨、繞射能力強，對水和濕度環境不敏感，傳輸距離長，受干擾小，適合農田大範圍環境下監測。
3、該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端，採用實時時鐘模組定時，可以實現作物-大氣-土壤信息無線採集終端長時間的休眠與喚醒，節約了終端的工作能耗，延長了網路生存周期，適合農田野外大範圍工作環境。
4、該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端，採用太陽能供電，成本低，對於供電設施比較匱乏的農田野外環境，是一種最佳解決方案。
該發明採用以上方案，可以連續、實時、大範圍地獲取農田作物氮含量、氮積累量、葉面積指數、生物量等作物生長信息，作物冠層溫度、濕度、CO2濃度、光照強度，以及農田土壤含水率、土壤溫度等信息。
附圖說明
圖1是作物-大氣-土壤信息無線採集終端結構示意圖。
圖2是感測器模組結構示意圖。
圖3是電源控制模組結構示意圖。
圖4是電源模組結構示意圖。
權利要求
1.《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》所述作物-大氣-土壤信息無線採集終端包括依次相連線的感測器模組、微處理器模組、無線通信模組，以及用於供電的電源模組；還包括實時時鐘模組、電源控制模組；其中：所述電源模組分別供電給實時時鐘模組和電源控制模組；所述電源控制模組分別連線感測器模組、微處理器模組、無線通信模組；所述微處理器模組與實時時鐘模組的信號輸入端連線，所述實時時鐘模組的信號輸出端與電源控制模組連線；當微處理器模組成功接收感測器模組採集的信號後，通過控制實時時鐘模組的脈衝信號翻轉，從而控制電源控制模組的通斷；其特徵在於，採集方法包括如下步驟：
步驟1）在農田中按需布置若干個作物-大氣-土壤信息無線採集終端，當啟動每個採集終端電源模組時，由實時時鐘模組輸出一正窄脈衝信號至電源控制模組；在電源控制模組中，該正窄脈衝信號經觸發器保存，然後驅動電子模擬開關，控制低壓差線性穩壓器使能，使得與電源控制模組連線的微處理器模組、感測器模組、無線通信模組分別接通電源；
步驟2）微處理器模組進行初始化：包括外部數字口初始化、感測器模組採集時序初始化、通信協定初始化、掃描信道初始化；
步驟3）各採集終端通過無線通信模組請求加入自組織網路，並等待網路匯聚節點回響，如果網路匯聚節點發出連線應答，則採集終端聯網成功；否則繼續等待回響；
步驟4）感測器模組在微處理器模組的控制下，按照感測器模組採集時序逐一採集農田信息，按時序關係存儲於微處理器模組記憶體中；
步驟5）完成一次採集周期後，裝配按時序關係存儲於微處理器模組記憶體中的數據，調用協定層的API完成數據向網路匯聚節點的傳送；
步驟6）數據成功傳送後，微處理器模組向實時時鐘模組發出外部中斷請求，實時時鐘模組回響中斷後，啟動預先設定在實時時鐘模組中的定時時間數據；同時，實時時鐘模組輸出一負窄脈衝信號至電源控制模組，在電源控制模組中，該負窄脈衝信號經觸發器鎖存後，關斷電子模擬開關，控制低壓差線性穩壓器阻斷，使得微處理器模組處於斷電休眠狀態，等待喚醒；
步驟7）當到達實時時鐘模組中設定的定時時間時，由實時時鐘模組輸出一正窄脈衝信號至電源控制模組，在電源控制模組中，該正窄脈衝信號經觸發器鎖存，然後驅動電子模擬開關，控制低壓差線性穩壓器使能，重新使得與電源控制模組連線的微處理器模組、感測器模組、無線通信模組分別接通電源；
步驟8）重複執行步驟2）-步驟7）。
2.根據權利要求1所述的基於作物-大氣-土壤信息無線採集終端的採集方法，其特徵在於，步驟4）所述感測器模組採集時序為：作物冠層溫度信息、作物冠層濕度信息、作物冠層光照信息、作物冠層CO2濃度信息、作物生長信息、土壤含水率信息、土壤溫度信息。
3.根據權利要求1基於作物-大氣-土壤信息無線採集終端，其特徵在於，所述感測器模組包括敏感元件單元、信號調理單元和匯流排接口單元；其中，所述敏感元件單元包括溫濕度感測器、CO2濃度感測器、光強感測器、多光譜作物生長感測器、土壤水分感測器和土壤溫度感測器；所述信號調理單元包括作物生長信號調理電路和土壤水分信號調理電路；其中：所述多光譜作物生長感測器通過禁止電纜連線作物生長信號調理電路，所述土壤水分感測器通過禁止電纜連線土壤水分信號調理電路，所述土壤信息調理電路、作物生長信號調理電路、溫濕度感測器、CO2濃度感測器、光強感測器、土壤溫度感測器分別連線匯流排接口單元；所述匯流排接口單元連線微處理器模組的數字口。
4.根據權利要求3所述的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端，其特徵在於，所述作物生長信號調理電路包括電流-電壓轉換電路、微信號放大電路、濾波電路、增益可調電路、模數轉換電路；其中：所述電流-電壓轉換電路的輸入端與多光譜作物生長感測器連線，所述電流-電壓轉換電路的輸出端依次串接微信號放大電路、濾波電路、增益可調電路、模數轉換電路。
5.根據權利要求3所述的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端，其特徵在於，所述土壤水分信號調理電路包括f-V轉換電路、電壓放大電路、模數轉換電路；其中：所述f-V轉換電路的輸入端連線土壤水分感測器，所述f-V轉換電路的輸出端依次連線電壓放大電路、模數轉換電路。
6.根據權利要求1所述的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端，其特徵在於，所述無線通信模組的頻段為780兆赫。
7.根據權利要求1所述的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端，其特徵在於，所述電源控制模組包括觸發器、電子模擬開關、續流二極體、低壓差線性穩壓器、去耦二極體；其中所述觸發器依次連線電子模擬開關、續流二極體、低壓差線性穩壓器、去耦二極體。
8.根據權利要求1所述的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端，其特徵在於，所述電源模組包括太陽能充電電路、過壓保護電路、充電保護電路、穩壓電路；其中，所述太陽能充電電路依次連線過壓保護電路、充電保護電路、穩壓電路。
實施方式
參照圖1，《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》包括感測器模組、微處理模組、無線通信模組、實時時鐘模組、電源控制模組、電源模組。感測器模組、微處理器模組、無線通信模組依次相連；電源模組分別連線實時時鐘模組、電源控制模組；實時時鐘模組前端連線微處理器模組，後端連線電源控制模組；電源控制模組分別連線微處理器模組、感測器模組、無線通信模組。
參照圖2，感測器模組配置的敏感元件包括溫濕度感測器、CO2濃度感測器、光強感測器、多光譜作物生長感測器、土壤水分感測器和土壤溫度感測器；其中，溫濕度感測器、CO2濃度感測器、光強感測器、土壤溫度感測器輸出量為數位訊號，直接連線匯流排接口單元。多光譜作物生長感測器採集作物冠層反射光譜信息，依次經電流-電壓轉換電路、微信號放大電路、濾波電路、增益可調電路、模數轉換電路處理，轉換為數位訊號，連線匯流排接口單元。土壤水分感測器採集土壤濕度信息，經f-V轉換電路、電壓放大電路、模數轉換電路處理，轉換為數位訊號，連線匯流排接口單元。匯流排接口單元匯聚各感知信號，以並行方式連線微處理器模組的數字I/O口。
參照圖3，電源控制模組包括觸發器、電子模擬開關、續流二極體、低壓差線性穩壓器和去耦二極體；其中觸發器依次連線電子模擬開關、續流二極體、低壓差線性穩壓器和去耦二極體。
參照圖4，電源模組包括太陽能充電電路、過壓保護電路、充電保護電路和系統供電電路。其中，太陽能充電電路依次連線過壓保護電路、充電保護電路和穩壓電路。太陽能採用9伏/3瓦，利用鋰電池蓄能，採用穩壓電路得到系統穩定的電源電壓等級DC3.3伏。
為了進一步詳細的介紹該發明的無線採集終端，下面描述該發明的一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端的採集方法，包括如下步驟：
步驟1）啟動作物-大氣-土壤信息無線採集終端電源模組，實時時鐘模組輸出一窄正脈衝信號，經觸發器保存，驅動模擬電子開關，低壓差線性穩壓器使能，微處理器模組接通電源，感測器模組接通電源，無線通信模組接通電源。
步驟2）微處理器模組進行初始化，包括外部數字口初始化、感測器模組採集時序初始化、通信協定初始化、掃描信道初始化；
步驟3）作物-大氣-土壤信息無線採集終端請求加入網路，並等待網路匯聚節點回響，如果網路匯聚節點發出連線應答，則作物-大氣-土壤信息無線採集終端連網成功；否則繼續等待回響；
步驟4）感測器模組在微處理器模組的控制下，按照感測器模組採集時序逐一採集農田信息，按時序關係存儲於微處理器模組記憶體中。感測器模組採集時序為：作物冠層溫度信息、作物冠層濕度信息、作物冠層光照信息、作物冠層CO2濃度信息、作物生長信息、土壤含水率信息、土壤溫度信息；
步驟5）完成一次採集周期後，裝配按時序關係存儲於微處理器模組記憶體中的數據，調用協定層的API完成數據向網路匯聚節點的傳送；
步驟6）數據成功傳送後，微處理器模組發出外部中斷請求，實時時鐘模組回響中斷後，啟動預先設定在實時時鐘模組中的定時時間數據，同時，實時時鐘模組輸出一負窄脈衝，經觸發器鎖存，關斷模擬電子開關，低壓差線性穩壓器阻斷，微處理器模組處於斷電休眠狀態，等待喚醒。
步驟7）當定時時間到時，實時時鐘模組輸出一正窄脈衝，經觸發器鎖存，驅動模擬電子開關，低壓差線性穩壓器使能，微處理器模組接通電源，被喚醒，感測器模組接通電源，無線通信模組接通電源，重複執行步驟2）-步驟7）。
榮譽表彰
2017年5月，《一種作物-大氣-土壤信息無線採集終端及採集方法》獲得第十屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
