低功耗實時喚醒式無線灌溉控制器的設計與實現

王明飛，鄭文剛，田宏武，張　馨，李金雷

(1.北京農業智能裝備技術研究中心，北京　100097； 2.北京農林科學院，北京　100097)

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低功耗實時喚醒式無線灌溉控制器的設計與實現

王明飛1,2，鄭文剛1,2，田宏武1，張馨2，李金雷1

(1.北京農業智能裝備技術研究中心，北京100097； 2.北京農林科學院，北京100097)

摘要：為降低現有農業無線灌溉系統中控制節點的能耗，延長無線灌溉網絡的生命周期，采用OOK調制技術，設計了一種低功耗喚醒裝置，改變了當前無線灌溉系統中定時周期喚醒方式，減少了系統中開銷，并實現了在434MHz頻段下無線灌溉控制器的研制。控制器主要由C8051F965單片機、電源電路、電磁閥驅動電路、喚醒電路、無線收發通道和開關量采集電路組成。該控制器由基站發送指令控制，根據距離遠近，自適應尋址接收信號，實現實時采集和控制。經試驗測得：額定容量為250mAh的單節堿性9V電池，可使控制器工作一個灌溉季以上；與采用傳統喚醒方式相比，系統不僅降低了能耗，而且提高了響應速度。

關鍵詞：實時；低功耗；喚醒接收;灌溉控制器

0引言

水資源日益緊缺，農業灌溉用水占總用水量比例最高[1]。自動灌溉控制系統因具有節水增產功能，得到廣泛的應用。隨著設施農業發展，越來越多的田間溫室開始采用灌溉控制系統進行灌溉施肥。

傳統灌溉控制系統一般僅包括自動灌溉控制器和電磁閥兩部分，灌溉控制器執行灌溉策略，多采用有線方式控制電磁閥[2-6]。隨著灌溉規模的擴大，采用有線控制方式不可避免地出現安裝困難、維護不便和擴展復雜等問題。

近年來，已有學者將無線技術與傳統灌溉控制系統結合，研制出用于農業灌溉的無線控制系統[7-10]。其中，大多采用ZigBee技術，但2.4G頻段繞射性能差且傳播距離受限[11]，并不適宜用于農業實際生產中；有學者基于GSM或GPRS的方式設計出灌溉控制器，其功耗高、費用大，并在無信號覆蓋區域，不能工作[12-15]。434M頻段下無線通信能克服以上的缺點，較為適合農業生產，目前已有應用；但當前灌溉系統中多采用周期定時喚醒方式實現低功耗[16]，這種模式是以犧牲響應時間為代價來達到低功耗的目的。

本文從農業灌溉系統實際需求出發，通過研究無線低功耗接收技術，設計一種基于實時喚醒的低功耗無線灌溉控制器，采用OOK解調技術，實時監聽系統中指令信息；根據距離遠近，自動調節信號，實現地址解碼；可采集水表信息和控制脈沖式直流電磁閥。

1無線控制系統應用

無線灌溉控制系統由中央灌溉控制器、無線基站和無線電磁閥控制器3部分組成，用戶終端與中央灌溉控制器通過以太網建立連接，如圖1所示。中央灌溉控制器通過無線方式發送指令，無線基站接收指令后，將指令也以無線方式傳送至安裝在閥門附近的無線電磁閥控制器中，先前處于休眠狀態的閥門控制器被喚醒后，分析指令內容，并執行相應操作。

2控制器總體硬件結構

無線電磁閥控制器直接控制閥門，主要包括無線喚醒電路、無線收發通道、直流電磁閥驅動電路、電源和存儲電路等。控制器總體結構如圖2所示。

無線喚醒電路實時接收無線基站指令，負責喚醒控制器，是系統中核心單元。無線收發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，其靜態電流達到微安級，輸入電壓動態范圍寬，負載能力強，不僅滿足系統低功耗要求，也保障了系統工作時的大電流需求。核心處理器采用C8051F965，在休眠狀態下消耗電流僅為0.7μA，封裝體積小，支持SPI協議。系統還設計了2路開關量采集通道，用于采集水表等信息。為保存操作狀態和本機地址等信息，系統設計了存儲電路，選用 AT24CS01，具有功耗低和24位全球唯一地址碼等特性。

圖1　灌溉系統應用示意圖

圖2　控制器結構示意圖

2.1喚醒電路設計

無線電磁閥喚醒電路包括前端匹配電路、包絡檢波、放大電路和比較器，結構框圖如圖3所示。天線接收到無線基站發送的OOK信號，先經過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，外接匹配電路簡單。由于濾波器的帶寬較窄，濾波后通道中僅存載波和調制信號，再經過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　喚醒電路結構框圖

包絡檢波使用一個含有2級電容串聯型倍壓整流電路，將原始信號幅度增大2倍，有效地提高系統的靈敏度，電路圖如圖4所示。

解調之后的信號被送至放大電路中，其采用精密低功耗運算放大器，電路增益由數字電位器來控制。考慮到帶寬和功耗等因素，放大倍數不宜過大。比較電路將放大后的信號根據設定值整形成與調制信號頻率一致的方波，輸出的信號分為兩路：一路直接送往微控制器用作接收基站尋呼地址信號，微控制器通過此來確定接收到的指令中是否含有本機地址，從而無需先啟動收發通道，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頻率成正比，通過合理的參數設置，能防止誤觸發；信號再經過低通濾波器濾除高頻部分，作為邏輯“或”門的輸入。比較電路相關單元如圖5 所示。

當放大電路和低通濾波器的輸出信號中任一個信號達到高電平時，都能喚醒微控制器。放大電路輸出信號幅度較高時，微控制器被激活后，同時偵測到檢測通道中電平為高，此時自動調節反饋通道，降低放大電路增益直到檢測通道為低電平。通過試驗測試，系統設計了3個增益檔位，能滿足無線電磁閥控制器與無線基站距離上的遠近無縫結合。喚醒電路經測試，靈敏度大于-45dBm。

a.原始信號波形　b.解調信號波形　c.包絡檢波電路圖

a.地址信號波形　b.喚醒信號波形　c.比較器相關電路圖

2.2無線收發通道設計

無線收發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20Bm，接收靈敏度為-126dbBm，數據速率最高為1Mbps，調制模式支持FSK,、4GFSK、MSK和OOK。

當微控制器被喚醒，檢測到是本機地址后，灌溉控制器啟動無線接收通道。由基站發送的射頻信號，經前端匹配電路和射頻開關傳送至四端口差分接收電路中，轉換成相位差為180°的差分信號對后，進入Si4463并完成信號解調，最終通過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，先將信號由SPI總線傳送至Si4463中，完成信號的調制后，再經由阻抗匹配電路、低通濾波器、射頻開關和前端匹配電路發射出去。無線通道結構如圖6所示。

2.3脈沖式電磁閥控制電路

為控制水泵和閥門等執行機構，系統中采用驅動脈沖式電磁閥(見圖7)，其開啟只需持續幾十毫秒脈沖，在開合狀態時僅消耗少許能量，能滿足系統低功耗的設計要求。驅動芯片采用L9110，其能持續輸出800mA電流，最高瞬態電流達1.5A，靜態功耗可忽略不計。

3系統軟件設計

程序流程如圖8 所示。系統上電初始化完成后，進入休眠狀態，等待喚醒信號，微控制器被激活后，先判斷檢測通道是否為高電平，若為高，則調節電位器，直到檢測通道為低電平。

系統通過喚醒電路中編碼通道接收指令，判斷為本機地址后，激活無線收發通道，同時使系統處于接收指令狀態，等待指令。若為控制指令，則執行采集水表、控制電磁閥的開合，并將相關信息存儲起來；接收為查詢指令時，根據存儲器中的內容，直接發送狀態；若等待50ms后，仍然無命令，系統自動進入休眠狀態。

圖6　無線收發通道結構框圖

圖7　電磁閥驅動電路

圖8　控制器軟件流程圖

4系統測試與分析

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

為測量電源芯片消耗的靜態電流，用可調數字電源(HAMEG,型號HM8143)模擬實際使用的9V堿性電池，在4～9V范圍內變化，并用數字萬用表(FLUKE，型號17B)串接到電路中測量，多次測量取平均值，如圖9所示。

試驗實際測量電源芯片LT1934為穩定輸出電壓3.3V，輸入電壓不能低于5.6V。當電源電壓大于5.6V時，靜態電流變化平緩，基本維持在12μA左右；而小于5.6V時，消耗的電流成倍上升。這是由于LT1934轉換效率變低，自身消耗過大所造成的。

為測量喚醒電路在休眠時消耗的電流，采用射頻信號發生器(IFR2023A)模擬基站發射射頻信號；射頻輸出端與喚醒電路中的SMA型接頭通過射頻線相連，另用泰克混合示波器(泰克，型號MSO4104)與喚醒電路末端相連，來捕捉信號波形；若電路能正常接收到信號，波形應為圖4(b)所示。喚醒電路的供電回路中同樣串接數字萬用表，經測試，電路消耗平均電流為19μA。

圖9　不同電壓下LT1934靜態電流

為測量微控制器及其外設和Si4463休眠時的消耗電流，在焊接樣板時，暫時不焊喚醒電路和電源芯片，利用可調數字電源直接供3.3V，并在供電回路中接萬用表。經測試發現，此部分的能耗和軟硬件均相關，軟件相關部分主要體現在MCU端口的配置上。經過多次調試，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250mAh的9V堿性電池計算，完全滿足作物一個灌溉季的使用需求。

系統在國家農業智能裝備中心的小湯山國家農業示范基地進行實地測試，選取一片實驗大田，安裝1個控制基站，基站發射功率設置為5W，其有效覆蓋面積為1.6W·m2，控制若干個閥門。

如圖10所示，在單個支撐桿中掛接2個控制器，可同時控制2路直流電磁閥，支撐桿高度為1.5m。無線灌溉控制器安裝在大田中，控制器與基站之間最遠距離為100m。每當中央灌溉控制器發送指令后，無線灌溉控制器便可立即完成對電磁閥的操作。其中，選取增益為3.5dBi工業級天線的控制器接收靈敏度相對比選用低增益天線的控制器要高。試驗表明：無線灌溉控制器在保證低功耗的情況下，能實時監聽和響應上層指令，完成無線控制功能；同時在不依靠陽光照射情況下，穩定工作超過3個月。

5結論

利用無線喚醒與低功耗技術，基于Si4463射頻芯片、C8051F965處理器和喚醒電路，設計了一種適合用于在光照不充足地區的超低功耗無線電磁閥灌溉控制器，其相對于傳統周期喚醒式灌溉器具有在能耗和實時響應上的絕對優勢。

圖10　控制器現場安裝與測試

試驗表明：控制器在不更換電池的情況下，可連續工作1個灌溉季，約3個月。結合外觀防水和結構防雷設計，系統具備較高的可靠性。9V堿性電池選用普通常見電池，便于用戶購買更換，價格便宜。針對在太陽能充足的地區，控制器預留了接口，可直接連接太陽能電池，工作時間可進一步提高。本系統現階段拓撲結構是星形狀，不涉及路由選擇，今后將進一步引入無線路由協議，以便實現網狀結構，進一步地降低功耗和實現更遠距離的通信。

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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：1003-188X(2016)01-0113-06

中圖分類號：TP29; S274. 3

文獻標識碼：A

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

基金項目：國家“863”計劃項目(2011AA100509)；公益行業專項(農業)科研專項(201203012-4-1)

收稿日期：2014-12-17