王明飛，鄭文剛，田宏武，張　馨，李金雷

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京　100097； 2.北京農(nóng)林科學(xué)院，北京　100097)

?

低功耗實(shí)時(shí)喚醒式無(wú)線灌溉控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王明飛1,2，鄭文剛1,2，田宏武1，張馨2，李金雷1

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京100097； 2.北京農(nóng)林科學(xué)院，北京100097)

摘要：為降低現(xiàn)有農(nóng)業(yè)無(wú)線灌溉系統(tǒng)中控制節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)無(wú)線灌溉網(wǎng)絡(luò)的生命周期，采用OOK調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種低功耗喚醒裝置，改變了當(dāng)前無(wú)線灌溉系統(tǒng)中定時(shí)周期喚醒方式，減少了系統(tǒng)中開(kāi)銷，并實(shí)現(xiàn)了在434MHz頻段下無(wú)線灌溉控制器的研制。控制器主要由C8051F965單片機(jī)、電源電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、喚醒電路、無(wú)線收發(fā)通道和開(kāi)關(guān)量采集電路組成。該控制器由基站發(fā)送指令控制，根據(jù)距離遠(yuǎn)近，自適應(yīng)尋址接收信號(hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集和控制。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得：額定容量為250mAh的單節(jié)堿性9V電池，可使控制器工作一個(gè)灌溉季以上；與采用傳統(tǒng)喚醒方式相比，系統(tǒng)不僅降低了能耗，而且提高了響應(yīng)速度。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)；低功耗；喚醒接收;灌溉控制器

0引言

水資源日益緊缺，農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量比例最高[1]。自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)因具有節(jié)水增產(chǎn)功能，得到廣泛的應(yīng)用。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展，越來(lái)越多的田間溫室開(kāi)始采用灌溉控制系統(tǒng)進(jìn)行灌溉施肥。

傳統(tǒng)灌溉控制系統(tǒng)一般僅包括自動(dòng)灌溉控制器和電磁閥兩部分，灌溉控制器執(zhí)行灌溉策略，多采用有線方式控制電磁閥[2-6]。隨著灌溉規(guī)模的擴(kuò)大，采用有線控制方式不可避免地出現(xiàn)安裝困難、維護(hù)不便和擴(kuò)展復(fù)雜等問(wèn)題。

近年來(lái)，已有學(xué)者將無(wú)線技術(shù)與傳統(tǒng)灌溉控制系統(tǒng)結(jié)合，研制出用于農(nóng)業(yè)灌溉的無(wú)線控制系統(tǒng)[7-10]。其中，大多采用ZigBee技術(shù)，但2.4G頻段繞射性能差且傳播距離受限[11]，并不適宜用于農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中；有學(xué)者基于GSM或GPRS的方式設(shè)計(jì)出灌溉控制器，其功耗高、費(fèi)用大，并在無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)域，不能工作[12-15]。434M頻段下無(wú)線通信能克服以上的缺點(diǎn)，較為適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，目前已有應(yīng)用；但當(dāng)前灌溉系統(tǒng)中多采用周期定時(shí)喚醒方式實(shí)現(xiàn)低功耗[16]，這種模式是以犧牲響應(yīng)時(shí)間為代價(jià)來(lái)達(dá)到低功耗的目的。

本文從農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)實(shí)際需求出發(fā)，通過(guò)研究無(wú)線低功耗接收技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于實(shí)時(shí)喚醒的低功耗無(wú)線灌溉控制器，采用OOK解調(diào)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)中指令信息；根據(jù)距離遠(yuǎn)近，自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)地址解碼；可采集水表信息和控制脈沖式直流電磁閥。

1無(wú)線控制系統(tǒng)應(yīng)用

無(wú)線灌溉控制系統(tǒng)由中央灌溉控制器、無(wú)線基站和無(wú)線電磁閥控制器3部分組成，用戶終端與中央灌溉控制器通過(guò)以太網(wǎng)建立連接，如圖1所示。中央灌溉控制器通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送指令，無(wú)線基站接收指令后，將指令也以無(wú)線方式傳送至安裝在閥門(mén)附近的無(wú)線電磁閥控制器中，先前處于休眠狀態(tài)的閥門(mén)控制器被喚醒后，分析指令內(nèi)容，并執(zhí)行相應(yīng)操作。

2控制器總體硬件結(jié)構(gòu)

無(wú)線電磁閥控制器直接控制閥門(mén)，主要包括無(wú)線喚醒電路、無(wú)線收發(fā)通道、直流電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、電源和存儲(chǔ)電路等。控制器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

無(wú)線喚醒電路實(shí)時(shí)接收無(wú)線基站指令，負(fù)責(zé)喚醒控制器，是系統(tǒng)中核心單元。無(wú)線收發(fā)通道主要處理基站與電磁閥控制器之間的通信。電源部分采用Linear公司的LT1934，其靜態(tài)電流達(dá)到微安級(jí)，輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍寬，負(fù)載能力強(qiáng)，不僅滿足系統(tǒng)低功耗要求，也保障了系統(tǒng)工作時(shí)的大電流需求。核心處理器采用C8051F965，在休眠狀態(tài)下消耗電流僅為0.7μA，封裝體積小，支持SPI協(xié)議。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了2路開(kāi)關(guān)量采集通道，用于采集水表等信息。為保存操作狀態(tài)和本機(jī)地址等信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)電路，選用 AT24CS01，具有功耗低和24位全球唯一地址碼等特性。

圖1　灌溉系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

圖2　控制器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1喚醒電路設(shè)計(jì)

無(wú)線電磁閥喚醒電路包括前端匹配電路、包絡(luò)檢波、放大電路和比較器，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。天線接收到無(wú)線基站發(fā)送的OOK信號(hào)，先經(jīng)過(guò)聲表面濾波器濾除其他頻段的雜波。聲表面濾波器選用EPCOS公司的B3760，中心頻率434MHz，帶寬僅為0.68MHz，封裝體積小，外接匹配電路簡(jiǎn)單。由于濾波器的帶寬較窄，濾波后通道中僅存載波和調(diào)制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)阻抗匹配電路使得前端電路與后端電路之間功率損耗降到最低。

圖3　喚醒電路結(jié)構(gòu)框圖

包絡(luò)檢波使用一個(gè)含有2級(jí)電容串聯(lián)型倍壓整流電路，將原始信號(hào)幅度增大2倍，有效地提高系統(tǒng)的靈敏度，電路圖如圖4所示。

解調(diào)之后的信號(hào)被送至放大電路中，其采用精密低功耗運(yùn)算放大器，電路增益由數(shù)字電位器來(lái)控制?？紤]到帶寬和功耗等因素，放大倍數(shù)不宜過(guò)大。比較電路將放大后的信號(hào)根據(jù)設(shè)定值整形成與調(diào)制信號(hào)頻率一致的方波，輸出的信號(hào)分為兩路：一路直接送往微控制器用作接收基站尋呼地址信號(hào)，微控制器通過(guò)此來(lái)確定接收到的指令中是否含有本機(jī)地址，從而無(wú)需先啟動(dòng)收發(fā)通道，有效地降低控制器整體功耗；另一路傳輸至充放電電路中，利用電容充放電，將矩形波變換成直流電平，電平值的高低與有效信號(hào)頻率成正比，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)置，能防止誤觸發(fā)；信號(hào)再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻部分，作為邏輯“或”門(mén)的輸入。比較電路相關(guān)單元如圖5 所示。

當(dāng)放大電路和低通濾波器的輸出信號(hào)中任一個(gè)信號(hào)達(dá)到高電平時(shí)，都能喚醒微控制器。放大電路輸出信號(hào)幅度較高時(shí)，微控制器被激活后，同時(shí)偵測(cè)到檢測(cè)通道中電平為高，此時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)反饋通道，降低放大電路增益直到檢測(cè)通道為低電平。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3個(gè)增益檔位，能滿足無(wú)線電磁閥控制器與無(wú)線基站距離上的遠(yuǎn)近無(wú)縫結(jié)合。喚醒電路經(jīng)測(cè)試，靈敏度大于-45dBm。

a.原始信號(hào)波形　b.解調(diào)信號(hào)波形　c.包絡(luò)檢波電路圖

a.地址信號(hào)波形　b.喚醒信號(hào)波形　c.比較器相關(guān)電路圖

2.2無(wú)線收發(fā)通道設(shè)計(jì)

無(wú)線收發(fā)通道中前端匹配電路與喚醒電路共用，通道工作在半雙工的模式下。無(wú)線芯片采用Sillicon Labs公司的Si4463，其工作頻率范圍為142～1 050MHz，輸出功率最大可達(dá)20Bm，接收靈敏度為-126dbBm，數(shù)據(jù)速率最高為1Mbps，調(diào)制模式支持FSK,、4GFSK、MSK和OOK。

當(dāng)微控制器被喚醒，檢測(cè)到是本機(jī)地址后，灌溉控制器啟動(dòng)無(wú)線接收通道。由基站發(fā)送的射頻信號(hào)，經(jīng)前端匹配電路和射頻開(kāi)關(guān)傳送至四端口差分接收電路中，轉(zhuǎn)換成相位差為180°的差分信號(hào)對(duì)后，進(jìn)入Si4463并完成信號(hào)解調(diào)，最終通過(guò)SPI總線傳遞信息至微控制器。

微控制器反饋信息到基站中心時(shí)，先將信號(hào)由SPI總線傳送至Si4463中，完成信號(hào)的調(diào)制后，再經(jīng)由阻抗匹配電路、低通濾波器、射頻開(kāi)關(guān)和前端匹配電路發(fā)射出去。無(wú)線通道結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.3脈沖式電磁閥控制電路

為控制水泵和閥門(mén)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)中采用驅(qū)動(dòng)脈沖式電磁閥(見(jiàn)圖7)，其開(kāi)啟只需持續(xù)幾十毫秒脈沖，在開(kāi)合狀態(tài)時(shí)僅消耗少許能量，能滿足系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)要求。驅(qū)動(dòng)芯片采用L9110，其能持續(xù)輸出800mA電流，最高瞬態(tài)電流達(dá)1.5A，靜態(tài)功耗可忽略不計(jì)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序流程如圖8 所示。系統(tǒng)上電初始化完成后，進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待喚醒信號(hào)，微控制器被激活后，先判斷檢測(cè)通道是否為高電平，若為高，則調(diào)節(jié)電位器，直到檢測(cè)通道為低電平。

系統(tǒng)通過(guò)喚醒電路中編碼通道接收指令，判斷為本機(jī)地址后，激活無(wú)線收發(fā)通道，同時(shí)使系統(tǒng)處于接收指令狀態(tài)，等待指令。若為控制指令，則執(zhí)行采集水表、控制電磁閥的開(kāi)合，并將相關(guān)信息存儲(chǔ)起來(lái)；接收為查詢指令時(shí)，根據(jù)存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，直接發(fā)送狀態(tài)；若等待50ms后，仍然無(wú)命令，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

圖6　無(wú)線收發(fā)通道結(jié)構(gòu)框圖

圖7　電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

圖8　控制器軟件流程圖

4系統(tǒng)測(cè)試與分析

由于灌溉器實(shí)際使用時(shí)，一天中操作灌溉次數(shù)較少，一般控制器的功耗主要取決于系統(tǒng)休眠時(shí)的功耗，包括電源芯片靜態(tài)功耗、喚醒電路功耗，以及MCU和SI4463休眠時(shí)功耗。

為測(cè)量電源芯片消耗的靜態(tài)電流，用可調(diào)數(shù)字電源(HAMEG,型號(hào)HM8143)模擬實(shí)際使用的9V堿性電池，在4～9V范圍內(nèi)變化，并用數(shù)字萬(wàn)用表(FLUKE，型號(hào)17B)串接到電路中測(cè)量，多次測(cè)量取平均值，如圖9所示。

試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量電源芯片LT1934為穩(wěn)定輸出電壓3.3V，輸入電壓不能低于5.6V。當(dāng)電源電壓大于5.6V時(shí)，靜態(tài)電流變化平緩，基本維持在12μA左右；而小于5.6V時(shí)，消耗的電流成倍上升。這是由于LT1934轉(zhuǎn)換效率變低，自身消耗過(guò)大所造成的。

為測(cè)量喚醒電路在休眠時(shí)消耗的電流，采用射頻信號(hào)發(fā)生器(IFR2023A)模擬基站發(fā)射射頻信號(hào)；射頻輸出端與喚醒電路中的SMA型接頭通過(guò)射頻線相連，另用泰克混合示波器(泰克，型號(hào)MSO4104)與喚醒電路末端相連，來(lái)捕捉信號(hào)波形；若電路能正常接收到信號(hào)，波形應(yīng)為圖4(b)所示。喚醒電路的供電回路中同樣串接數(shù)字萬(wàn)用表，經(jīng)測(cè)試，電路消耗平均電流為19μA。

圖9　不同電壓下LT1934靜態(tài)電流

為測(cè)量微控制器及其外設(shè)和Si4463休眠時(shí)的消耗電流，在焊接樣板時(shí)，暫時(shí)不焊喚醒電路和電源芯片，利用可調(diào)數(shù)字電源直接供3.3V，并在供電回路中接萬(wàn)用表。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此部分的能耗和軟硬件均相關(guān)，軟件相關(guān)部分主要體現(xiàn)在MCU端口的配置上。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，此部分的最終消耗電流為13μA。

綜上所述，控制器休眠一天所消耗電荷量QS為

QS=(13+12+19)×24×10-3≈1.06mAh

在不考慮電池自放電的情況下，以1節(jié)250mAh的9V堿性電池計(jì)算，完全滿足作物一個(gè)灌溉季的使用需求。

系統(tǒng)在國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備中心的小湯山國(guó)家農(nóng)業(yè)示范基地進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，選取一片實(shí)驗(yàn)大田，安裝1個(gè)控制基站，基站發(fā)射功率設(shè)置為5W，其有效覆蓋面積為1.6W·m2，控制若干個(gè)閥門(mén)。

如圖10所示，在單個(gè)支撐桿中掛接2個(gè)控制器，可同時(shí)控制2路直流電磁閥，支撐桿高度為1.5m。無(wú)線灌溉控制器安裝在大田中，控制器與基站之間最遠(yuǎn)距離為100m。每當(dāng)中央灌溉控制器發(fā)送指令后，無(wú)線灌溉控制器便可立即完成對(duì)電磁閥的操作。其中，選取增益為3.5dBi工業(yè)級(jí)天線的控制器接收靈敏度相對(duì)比選用低增益天線的控制器要高。試驗(yàn)表明：無(wú)線灌溉控制器在保證低功耗的情況下，能實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)和響應(yīng)上層指令，完成無(wú)線控制功能；同時(shí)在不依靠陽(yáng)光照射情況下，穩(wěn)定工作超過(guò)3個(gè)月。

5結(jié)論

利用無(wú)線喚醒與低功耗技術(shù)，基于Si4463射頻芯片、C8051F965處理器和喚醒電路，設(shè)計(jì)了一種適合用于在光照不充足地區(qū)的超低功耗無(wú)線電磁閥灌溉控制器，其相對(duì)于傳統(tǒng)周期喚醒式灌溉器具有在能耗和實(shí)時(shí)響應(yīng)上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖10　控制器現(xiàn)場(chǎng)安裝與測(cè)試

試驗(yàn)表明：控制器在不更換電池的情況下，可連續(xù)工作1個(gè)灌溉季，約3個(gè)月。結(jié)合外觀防水和結(jié)構(gòu)防雷設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具備較高的可靠性。9V堿性電池選用普通常見(jiàn)電池，便于用戶購(gòu)買(mǎi)更換，價(jià)格便宜。針對(duì)在太陽(yáng)能充足的地區(qū)，控制器預(yù)留了接口，可直接連接太陽(yáng)能電池，工作時(shí)間可進(jìn)一步提高。本系統(tǒng)現(xiàn)階段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星形狀，不涉及路由選擇，今后將進(jìn)一步引入無(wú)線路由協(xié)議，以便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步地降低功耗和實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅克勇，陶建平，柳軍，等.基于無(wú)線傳感網(wǎng)的溫室作物根層水肥智能環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012(9)：17-22.

[2]謝守勇, 李錫文, 楊叔子，等.基于PLC的模糊控制灌溉系統(tǒng)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(6)：208-210.

[3]朱煥立，茹正波，榮曉明.農(nóng)田灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2009，28(4)：124-126.

[4]李加念，洪添勝，盧加納，等.柑橘園低功耗滴灌控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，27(7)：134-139.

[5]劉永鑫，洪添勝，岳學(xué)軍，等.太陽(yáng)能低功耗滴灌控制裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(20)：20-26.

[6]馮麗媛，姚緒梁.溫室大棚自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013,35(6)：113-115.

[7]王淑珍,周益明,陳娜娜，等.ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在景觀灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010(5): 155-158.

[8]韓安太，何勇, 陳志強(qiáng), 等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園分布式灌溉控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(9)：173-180.

[9]趙翠儉，孫素靜，李莉, 等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2013，39(4)：44-47.

[10]高峰，俞立，張文安, 等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物水分狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(2)：107-112.

[11]Buckley J, Aherne K, O’Flynn B, et al.Antenna performance measurements using wireless sensor networks[C]//Electronic Components and Technology Conference, San Diego, CA, USA, 2006: 145-150.

[12]紀(jì)文義，張繼成，鄭萍，等. 基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(10)：171-177.

[13]李曉東，張馨，喬曉軍，等.低功耗智能灌溉采集控制器的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(8)：71-73.

[14]張偉，何勇，裘正軍，等.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與模糊控制的精細(xì)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(增刊2)：7-12.

[15]岳學(xué)軍，劉永鑫，洪添勝.基于土壤墑情的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013，44(增刊)：241-250.

[16]申長(zhǎng)軍,鄭文剛, 孫剛.低功耗無(wú)線直流電磁閥及其控制模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009，40(增刊)：82-86.

Design and Implementation of Low-power Real-time Awake Irrigation Controller

Wang Mingfei1,2, Zheng Wengang1,2, Tian Hongwu1, Zhang Xi2, Li Jinglei1

(1.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 2.Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

Abstract：In order to reduce the energy consumption of control nodes in the wireless irrigation system of the existing agricultural field, and to extend the life cycle of wireless irrigation network. Based on OOK modulation technology, this paper designs a low power wake-up receiver which changes the mode of timing period way in traditional wireless irrigation system and reduces system overhead, and develops wireless irrigation controller in 434MHZ frequency channel. The device consists of C8051F965 microcontroller, power circuit, valve driving circuit, wake-up receiver, wireless transceiver channel and acquisition module. According to distance between the controller and the base-station, the controller adaptively searches the signal which be sent by base-station, implements real-time acquiring and controlling. The test results show that a 9 V alkaline battery with the capacity of 250mAh could support the device for more than one irrigation season. Compared with the traditional way, the controller not only reduces energy consumption, but also improves real-time response.

Key words：real-time；low-Power；wake up receiver； irrigation controller

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0113-06

中圖分類號(hào)：TP29; S274. 3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王明飛(1984-)，男，合肥人，助理研究員，(E-mail) wangmf@nercita.org.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2011AA100509)；公益行業(yè)專項(xiàng)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203012-4-1)

收稿日期：2014-12-17