設施溫室節能型傳感器節點的選型與設計
2017-09-16 09:48:17王建春錢春陽王艷張雪飛單婧
江蘇農業科學 2017年12期
王建春+錢春陽+王艷+張雪飛+單婧
摘要：以設施溫室傳感器節點的綠色節能為設計理念，以降低系統功耗和高效利用能量為目標。采用綠色可再生的太陽能資源作為節點的能量來源；采用功耗低、性價比高的MSP430芯片作為處理器單元主控芯片；采用具有功耗低、信號強度高、傳輸距離遠、傳輸過程中信號衰減小等特點的433 MHz頻率作為無線傳輸單元傳輸頻率；采用單晶硅太陽能板和高性能鋰充電電池組成供電系統單元。詳細闡明各單元選型依據，并通過硬件電路和軟件程序進行優化，進一步降低功耗。通過試驗對節點的功耗進行了計算，并對節點使用太陽能充電情況進行測試。試驗結果表明，通過選型與設計，系統能夠實現設定目標。
關鍵詞：設施溫室；低功耗；WSN節點；太陽能
中圖分類號： S126；TP23文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）12-0148-04
隨著“互聯網+”現代農業概念的提出，農業信息技術與智能裝備將成為我國“十三五”規劃中用于改造傳統農業、裝備現代農業的重要推手和關鍵突破點。設施溫室中無線傳感器網絡（wireless sensor network，簡稱WSN）節點是設施農業、信息和智能控制等技術相結合的產物，是設施農業物聯網系統中的重要組成部分，它通過實時監測、感知和采集各種環境和監測對象信息[1-5]，已經成為現代農業中提高管理質量和種養質量的有效工具和必要手段。
設施溫室建設中電氣等基礎設施建設程度往往參差不齊，溫室管理制度較為松散，導致棚內供電連續性較差，甚至難以供電的現象也時有發生，加上設施溫室具有溫度高、濕度大的農業小氣候環境特點，給現代農業中的智能設施裝備設計和制造帶來如線路易老化、能量輸送困難等問題。因此，采用綠色可持續利用的能源并對其進行高效利用，已成為解決設施溫室中WSN節點能源供應問題的關鍵。在設施溫室建設中，太陽光不僅能夠作為綠色植物光合作用的能量來源，同時也能為設施智能裝備提供大量能量，具有綠色可再生、安全可靠、低污染、無燃料消耗等特點，對太陽光進行合理的設計和利用，對于解決設施溫室WSN節點的上述問題起到了至關重要的作用。
1系統整體設計
設施溫室中WSN節點由4個單元組成，每個單元分別由支撐其正常運行的外圍電路或功能模塊組成，如圖1所示。節點中各模塊相互配合，并作為設施農業物聯網的感知層設備，同時也是農業大數據平臺重要的數據來源，最終完成數據的預處理及上傳等功能。
本系統以WSN節點的綠色節能為設計理念，分別從芯片選型、無線傳輸方式選擇、電路優化等方面降低系統功耗；同時通過對供電系統單元的選型，以及太陽能電池板及太陽能充電管理單元的優化來提高系統的能量存儲和利用，從降低能耗和高效利用能量2個方面來實現WSN的綠色節能效果，另外通過系統軟硬件設計進一步降低系統功耗。
2采集節點硬件選型與設計
2.1處理器單元
微處理器在整個采集節點硬件系統中的作用主要是準確地控制程序運行和適時地調度外圍器件模塊，采集節點硬件結構見圖1。根據本設計中對于功耗較為嚴格的要求，選取TI公司的MSP430F149處理器，其工作電壓范圍在1.8～3.6 V，與同類型芯片產品相比具有較低的工作電流和價格，其活躍模式下工作電流為 0.1～400 μA，待機模式下工作電流（LPM3）可達到1.6 μA。
2.2無線傳輸單元
根據節點低功耗、穩定傳輸等技術要求，從傳輸距離、信號接收強度、組網方式3個方面對433 MHz和2.4 GHz 2種頻率下的傳輸情況進行對比分析。
2.2.1傳輸距離根據無線信號在空氣中傳輸時的損耗采用式（1）表示自由空間損耗：
Los=32.44+20lgD+20lgF。（1）
式中：Los為自由空間損耗，dB；D為傳輸距離，km；F為頻率，MHz。
與目前2.4 GHz設備相比較，當Los24 G=Los433 M時，傳輸距離D與頻率F成反比，即F433 M 2.2.2信號接收強度信號接收強度是指接收站設備接收到的無線信號的強度，計算公式見式（2）： RSS=Pt+Gr+Gt-Lc-Los。（2） 自由空間損耗Los是指電磁波在傳輸路徑中的衰落，在氣溫25 ℃、1個標準大氣壓的理想情況下的計算公式如式（1）所示，根據天津農業創新基地設施溫室建造尺寸，設施溫室內最大距離為70 m，采用433 MHz的SX1212芯片進行傳輸，自由空間損耗Los=62.07 dB，采用2.4 GHz的CC2530芯片進行傳輸，自由空間損耗Los=76.94 dB。 433 MHz、2.4 GHz 2種頻率與RSS有關參數如表1所示。 2.2.3組網方式該設備主要針對設施溫室中的小氣候環境數據采集，日光溫室建設中東西長度70 m，南北跨度 9 m（以天津市農業創新基地溫室為例），SX1212無線傳輸模塊發射功率為10 dBm，接收靈敏度為-105 dBm。通過計算可知，理論傳輸距離d約為30 km，排除各種外界因素影響，如大氣、遮擋等造成的損耗，可估計實際通信距離約為1 km，足以滿足單體溫室內對傳輸距離的要求，并且單體溫室內傳感器布置數量有限，在設施溫室大棚內建立以耳房控制器為中心節點、WSN節點為子節點的星型網絡，能夠使網絡更加簡潔，進而為系統節省能耗。同時，也可在此星型網絡基礎上構建更加復雜的網絡結構，以滿足大型農業基地或農業園區的組網需求。 通過分別采用定性、定量方式分析，最終選定具有 433 MHz 傳輸頻率的SX1212芯片作為系統無線模塊主芯片。其芯片接收功耗低，典型接收功耗可以達到2.6 mA，遠低于同類收發器的接收功耗；工作電壓為2.1～3.6 V，最大發射功率+12.5 dBm，最小-8.5 dBm。
2.3太陽能儲存與電量監控單元
選擇合適的太陽能電池板材料，以及匹配電池板的功率與面積，不僅能夠降低設備成本，還可以充分地利用能量。該節點中太陽能電池板選擇一款單晶硅電板。單晶硅太陽能電池是發展最快、最穩定、轉化效率最高、一直以來占據太陽能電池市場主導地位的硅基太陽能電池，單晶硅太陽能電池多用于光照時間短、光照度小的區域[6]，因此單晶硅具有在強光環境下吸收能力強的特點，與多晶硅充電效果相比更適用于連續陰雨等弱光環境下的吸收，非常適合設施溫室內使用。
本設計選用單晶硅電池板參數如表2所示，滿足單位面積內的輻射能量（即輻照度）P=P電池板/S電池板，P=120.1 W/m2，采用美國HOBO輻照度傳感器（測量范圍為 0～1 280 W/m2，分辨率1.25 W/m2），測得棚內7月份全天各時段平均輻照度值，采用6次多項式對曲線進行擬合，其中r2=0.987，如圖2所示。因此可見，選擇的太陽能電池板能夠滿足9 h以上的滿功率轉換（8：00—17：00），其他時間段由于太陽光照射強度變弱，太陽能板吸收陽光轉換為電能儲存在內置電池的效率也就相應降低。
2.4電池與電壓轉換單元
本設計選用18650型3 400 mAh 3.7 V高性能鋰充電電池，電池作為太陽能供電系統的重要環節，其性能的優劣關系到整個系統安全以及充電質量。
采用NICJOY L2000鋰離子電池智能充電器對所選電池的性能進行評估，該電池具有智能控制芯片，支持電池容量、內阻測試，具有可調充電電流和反接、短路及過流保護。其中放電過程為防止過放電，設備放電截止電壓為2.8 V。對1節18650型3 400 mAh 3.7 V高性能鋰充電電池進行充放電試驗，測量可知，該電池連續以0.5 A的電流放電可放電 3.3 h，從截止電壓開始充電至飽和電壓需要3.9 h，測試參數如表3所示。
同時，采用TP4065單節鋰離子電池恒壓/恒流線性充電芯片，對太陽能充電系統進行過放電、過充電及短路控制。充電截止電壓為4.2 V，可編程充電電流高達1 A。同時配合DW01和8205A在電芯電壓為2.5～4.3 V之間進行進一步過放和過充保護。
3.1節點軟件低功耗設計
MSP430多作為手持式儀器儀表控制芯片的主要原因是其超低的功耗，它具有5種不同級別的低功耗狀態，即LPM0～LPM4，本節點采用LPM3低功耗模式，時鐘系統中MCLK與SMCLK皆被關閉，僅留ACLK活動，以ACLK為時鐘源設備會繼續工作。該模式下功耗僅1.6 μA，且活動的ACLK可以為TIME_A提供計數時鐘。
該節點工作時數據采樣采用MCU自帶的12位A/D采樣器，并通過內置的16位定時器TIME_A進行精確定時，同時利用該中斷喚醒低功耗狀態，實現了系統的定時采樣和片內設備間歇性工作，在1個采樣周期內最大限度地縮短工作時間，提高低功耗狀態級別[7]。
采用定時器中斷優先于A/D采樣中斷的方式，在定時器中斷程序中啟動A/D轉換，由于A/D轉換器對直流并不需要太高的采樣速率[8]，因此設定A/D對直流電壓采樣16次并取平均值計算送入發射芯片，當程序執行完畢，退出中斷后，返回LPM3低功耗模式（圖3）。
3.2節點硬件低功耗設計
（1）節點采用具有3.3 V穩定供電電壓的MSP430F149芯片，除去其自身低功耗特性外，與相同主頻的其他芯片相比具有更低的功耗，此外其片內資源豐富，能夠充分利用自身的資源代替其他硬件電路來降低功耗。
（2）節點通過A/D接口與傳感器相連，同時采用光耦將傳感器供電引腳與節點供電單元進行隔離，當軟件啟動A/D轉換之前20 ms啟動光耦，給傳感器充分的時間進行初始化，采集結束后關閉光耦，以降低外部傳感器工作產生的能量損耗。
（3）節點采用LTC3129-1同步升壓-降壓DC/DC轉換器為系統提供穩定的3.3 V電壓，它具有1.3 μA靜態電流，當VIN
（4）合理配置全控IO口，將其配置成輸出模式來避免外部電壓浮動對MCU的影響。
4系統測試分析
節點實物如圖4所示。為評估系統的能耗、可靠性等參數和系統壽命之間的關系，需對節點進行能耗測試[9]。
4.1功耗計算
監測節點的功耗主要由MCU功耗PMCU、射頻模塊收發功耗PRF和傳感器功耗PSEN等組成。P=PMCU+PRF+PSEN，根據功率P=UI，可得：
P=UMCUIMCU+URF（ITX+IRX）+USENISEN。
式中：IMCU為MCU的工作電流，A；UMCU為MCU的工作電壓，V；ITX為射頻發射電流，A；IRX為射頻接收電流，A；URF為射頻工作電壓，V；ISEN為傳感器的工作電流，A；USEN為傳感器的工作電壓，V。
在WSN監測節點中MCU使用MSP430系列芯片，其工作電壓為3.3 V，工作電流為400 μA（1 MHz時鐘條件下），休眠電流為1.6 μA。射頻模塊使用SX1212芯片，工作電壓為3.3 V，發射電流為35 mA，接收電流為3.2 mA，休眠電流僅為1.5 μA。土壤溫濕度傳感器采用TDR型，其工作電壓為3.3 V，工作電流為10 mA。由于節點通過定時器定時發送測量值，因此，節點總功耗即為節點發射時的功耗，則根據上面的數據參考，節點總功耗可以按照如下計算得到：
P=0.4 mA×3.3 V+35 mA×3.3 V+10 mA×3.3 V=0.149 8 W。
充電電池選擇容量為3 400 mA·h的可充電鋰電池，其工作電壓為3.2～4.2 V。節點工作1次的消耗電流測量值為47.1 mA；通過軟件設置節點間隔10 min采集1次數據，每次采集時間為120 ms，則1 h采集6次所需功耗為 0.009 42 mA·h；睡眠狀態的功耗測量值為632 μA，則睡眠總功耗為0.631 9 mA·h；1 h內總功耗為0.641 3 mA·h。因此，本設計中使用的鋰電池一共可用時間為3 400/（0.641 3×24）=221 d，但考慮到鋰電池自身放電等因素[10]，沒有太陽能電池板充電也至少可以工作4個月以上。因此，即使在連續陰天的情況下，本設計依然可以滿足節點供電需求。
4.2太陽能充電情況分析
在試驗中對電池電壓及太陽能電池板電壓進行監測，選擇室內朝陽落地窗房間進行試驗，室內環境溫度為27～37 ℃，進行連續1周的監測。監測結果如圖5所示，其中在1周的測量中，晴天3 d，其余均為多云，甚至陰雨天氣，鋰電池依然能夠保持良好的供電效果。
5結語
本研究提出了設施溫室內WSN節點的綠色節能設計方案，從降低功耗和提高能量利用2個方面，對節點控制芯片、無線模塊、鋰電池及太陽能電池板進行了選型與設計，并闡明了選型依據。通過系統軟件程序和硬件電路的優化進一步實現節點的低功耗設計，并對系統功耗和系統供電情況進行了試驗和總結。試驗結果表明，本設計的設施農業低功耗WSN節點，在棚內能夠利用太陽能獨立工作，無需連接電纜及線路，具有移動靈活、操作簡便的特點，基本實現了綠色節能的目的。下一步還可以對系統電路和程序進一步改進和優化，對于降低系統休眠時間和系統整體功耗仍有很大的空間。
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