王建春+錢春陽+王艷+張雪飛+單婧

摘要：以設(shè)施溫室傳感器節(jié)點(diǎn)的綠色節(jié)能為設(shè)計(jì)理念，以降低系統(tǒng)功耗和高效利用能量為目標(biāo)。采用綠色可再生的太陽能資源作為節(jié)點(diǎn)的能量來源；采用功耗低、性價(jià)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(qiáng)度高、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸過程中信號衰減小等特點(diǎn)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(tǒng)單元。詳細(xì)闡明各單元選型依據(jù)，并通過硬件電路和軟件程序進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低功耗。通過試驗(yàn)對節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行了計(jì)算，并對節(jié)點(diǎn)使用太陽能充電情況進(jìn)行測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過選型與設(shè)計(jì)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：設(shè)施溫室；低功耗；WSN節(jié)點(diǎn)；太陽能

中圖分類號： S126；TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）12-0148-04

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)概念的提出，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與智能裝備將成為我國“十三五”規(guī)劃中用于改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、裝備現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要推手和關(guān)鍵突破點(diǎn)。設(shè)施溫室中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，簡稱WSN）節(jié)點(diǎn)是設(shè)施農(nóng)業(yè)、信息和智能控制等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的重要組成部分，它通過實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境和監(jiān)測對象信息[1-5]，已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中提高管理質(zhì)量和種養(yǎng)質(zhì)量的有效工具和必要手段。

設(shè)施溫室建設(shè)中電氣等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)程度往往參差不齊，溫室管理制度較為松散，導(dǎo)致棚內(nèi)供電連續(xù)性較差，甚至難以供電的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，加上設(shè)施溫室具有溫度高、濕度大的農(nóng)業(yè)小氣候環(huán)境特點(diǎn)，給現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的智能設(shè)施裝備設(shè)計(jì)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(xù)利用的能源并對其進(jìn)行高效利用，已成為解決設(shè)施溫室中WSN節(jié)點(diǎn)能源供應(yīng)問題的關(guān)鍵。在設(shè)施溫室建設(shè)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(shí)也能為設(shè)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(diǎn)，對太陽光進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和利用，對于解決設(shè)施溫室WSN節(jié)點(diǎn)的上述問題起到了至關(guān)重要的作用。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

設(shè)施溫室中WSN節(jié)點(diǎn)由4個(gè)單元組成，每個(gè)單元分別由支撐其正常運(yùn)行的外圍電路或功能模塊組成，如圖1所示。節(jié)點(diǎn)中各模塊相互配合，并作為設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的感知層設(shè)備，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺重要的數(shù)據(jù)來源，最終完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理及上傳等功能。

本系統(tǒng)以WSN節(jié)點(diǎn)的綠色節(jié)能為設(shè)計(jì)理念，分別從芯片選型、無線傳輸方式選擇、電路優(yōu)化等方面降低系統(tǒng)功耗；同時(shí)通過對供電系統(tǒng)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(yōu)化來提高系統(tǒng)的能量存儲和利用，從降低能耗和高效利用能量2個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)WSN的綠色節(jié)能效果，另外通過系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

2采集節(jié)點(diǎn)硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1處理器單元

微處理器在整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)中的作用主要是準(zhǔn)確地控制程序運(yùn)行和適時(shí)地調(diào)度外圍器件模塊，采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)見圖1。根據(jù)本設(shè)計(jì)中對于功耗較為嚴(yán)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(chǎn)品相比具有較低的工作電流和價(jià)格，其活躍模式下工作電流為 0.1～400 μA，待機(jī)模式下工作電流（LPM3）可達(dá)到1.6 μA。

2.2無線傳輸單元

根據(jù)節(jié)點(diǎn)低功耗、穩(wěn)定傳輸?shù)燃夹g(shù)要求，從傳輸距離、信號接收強(qiáng)度、組網(wǎng)方式3個(gè)方面對433 MHz和2.4 GHz 2種頻率下的傳輸情況進(jìn)行對比分析。

2.2.1傳輸距離根據(jù)無線信號在空氣中傳輸時(shí)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(shè)備相比較，當(dāng)Los24 G=Los433 M時(shí)，傳輸距離D與頻率F成反比，即F433 MD2.4 G；當(dāng)傳輸同樣距離D433M=D2.4 G時(shí)，Los433 M

2.2.2信號接收強(qiáng)度信號接收強(qiáng)度是指接收站設(shè)備接收到的無線信號的強(qiáng)度，計(jì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的理想情況下的計(jì)算公式如式（1）所示，根據(jù)天津農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基地設(shè)施溫室建造尺寸，設(shè)施溫室內(nèi)最大距離為70 m，采用433 MHz的SX1212芯片進(jìn)行傳輸，自由空間損耗Los=62.07 dB，采用2.4 GHz的CC2530芯片進(jìn)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(guān)參數(shù)如表1所示。

2.2.3組網(wǎng)方式該設(shè)備主要針對設(shè)施溫室中的小氣候環(huán)境數(shù)據(jù)采集，日光溫室建設(shè)中東西長度70 m，南北跨度 9 m（以天津市農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基地溫室為例），SX1212無線傳輸模塊發(fā)射功率為10 dBm，接收靈敏度為-105 dBm。通過計(jì)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(jì)實(shí)際通信距離約為1 km，足以滿足單體溫室內(nèi)對傳輸距離的要求，并且單體溫室內(nèi)傳感器布置數(shù)量有限，在設(shè)施溫室大棚內(nèi)建立以耳房控制器為中心節(jié)點(diǎn)、WSN節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)，能夠使網(wǎng)絡(luò)更加簡潔，進(jìn)而為系統(tǒng)節(jié)省能耗。同時(shí)，也可在此星型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以滿足大型農(nóng)業(yè)基地或農(nóng)業(yè)園區(qū)的組網(wǎng)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(tǒng)無線模塊主芯片。其芯片接收功耗低，典型接收功耗可以達(dá)到2.6 mA，遠(yuǎn)低于同類收發(fā)器的接收功耗；工作電壓為2.1～3.6 V，最大發(fā)射功率+12.5 dBm，最小-8.5 dBm。

2.3太陽能儲存與電量監(jiān)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(shè)備成本，還可以充分地利用能量。該節(jié)點(diǎn)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(fā)展最快、最穩(wěn)定、轉(zhuǎn)化效率最高、一直以來占據(jù)太陽能電池市場主導(dǎo)地位的硅基太陽能電池，單晶硅太陽能電池多用于光照時(shí)間短、光照度小的區(qū)域[6]，因此單晶硅具有在強(qiáng)光環(huán)境下吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，與多晶硅充電效果相比更適用于連續(xù)陰雨等弱光環(huán)境下的吸收，非常適合設(shè)施溫室內(nèi)使用。

本設(shè)計(jì)選用單晶硅電池板參數(shù)如表2所示，滿足單位面積內(nèi)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(nèi)7月份全天各時(shí)段平均輻照度值，采用6次多項(xiàng)式對曲線進(jìn)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(zhuǎn)換（8：00—17：00），其他時(shí)間段由于太陽光照射強(qiáng)度變?nèi)?，太陽能板吸收陽光轉(zhuǎn)換為電能儲存在內(nèi)置電池的效率也就相應(yīng)降低。

2.4電池與電壓轉(zhuǎn)換單元

本設(shè)計(jì)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(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其性能的優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)安全以及充電質(zhì)量。

采用NICJOY L2000鋰離子電池智能充電器對所選電池的性能進(jìn)行評估，該電池具有智能控制芯片，支持電池容量、內(nèi)阻測試，具有可調(diào)充電電流和反接、短路及過流保護(hù)。其中放電過程為防止過放電，設(shè)備放電截止電壓為2.8 V。對1節(jié)18650型3 400 mAh 3.7 V高性能鋰充電電池進(jìn)行充放電試驗(yàn)，測量可知，該電池連續(xù)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(shù)如表3所示。

同時(shí)，采用TP4065單節(jié)鋰離子電池恒壓/恒流線性充電芯片，對太陽能充電系統(tǒng)進(jìn)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(dá)1 A。同時(shí)配合DW01和8205A在電芯電壓為2.5～4.3 V之間進(jìn)行進(jìn)一步過放和過充保護(hù)。

3.1節(jié)點(diǎn)軟件低功耗設(shè)計(jì)

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(tài)，即LPM0～LPM4，本節(jié)點(diǎn)采用LPM3低功耗模式，時(shí)鐘系統(tǒng)中MCLK與SMCLK皆被關(guān)閉，僅留ACLK活動，以ACLK為時(shí)鐘源設(shè)備會繼續(xù)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(jì)數(shù)時(shí)鐘。

該節(jié)點(diǎn)工作時(shí)數(shù)據(jù)采樣采用MCU自帶的12位A/D采樣器，并通過內(nèi)置的16位定時(shí)器TIME_A進(jìn)行精確定時(shí)，同時(shí)利用該中斷喚醒低功耗狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的定時(shí)采樣和片內(nèi)設(shè)備間歇性工作，在1個(gè)采樣周期內(nèi)最大限度地縮短工作時(shí)間，提高低功耗狀態(tài)級別[7]。

采用定時(shí)器中斷優(yōu)先于A/D采樣中斷的方式，在定時(shí)器中斷程序中啟動A/D轉(zhuǎn)換，由于A/D轉(zhuǎn)換器對直流并不需要太高的采樣速率[8]，因此設(shè)定A/D對直流電壓采樣16次并取平均值計(jì)算送入發(fā)射芯片，當(dāng)程序執(zhí)行完畢，退出中斷后，返回LPM3低功耗模式（圖3）。

3.2節(jié)點(diǎn)硬件低功耗設(shè)計(jì)

（1）節(jié)點(diǎn)采用具有3.3 V穩(wěn)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(nèi)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(jié)點(diǎn)通過A/D接口與傳感器相連，同時(shí)采用光耦將傳感器供電引腳與節(jié)點(diǎn)供電單元進(jìn)行隔離，當(dāng)軟件啟動A/D轉(zhuǎn)換之前20 ms啟動光耦，給傳感器充分的時(shí)間進(jìn)行初始化，采集結(jié)束后關(guān)閉光耦，以降低外部傳感器工作產(chǎn)生的能量損耗。

（3）節(jié)點(diǎn)采用LTC3129-1同步升壓-降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3 V電壓，它具有1.3 μA靜態(tài)電流，當(dāng)VINVout時(shí)能提供200 mA電流，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%，具有電源良好輸出、小于10 nA的停機(jī)電流以及熱停機(jī)功能。

（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(tǒng)測試分析

節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖4所示。為評估系統(tǒng)的能耗、可靠性等參數(shù)和系統(tǒng)壽命之間的關(guān)系，需對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能耗測試[9]。

4.1功耗計(jì)算

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的功耗主要由MCU功耗PMCU、射頻模塊收發(fā)功耗PRF和傳感器功耗PSEN等組成。P=PMCU+PRF+PSEN，根據(jù)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(fā)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(jiān)測節(jié)點(diǎn)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(shí)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(fā)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(jié)點(diǎn)通過定時(shí)器定時(shí)發(fā)送測量值，因此，節(jié)點(diǎn)總功耗即為節(jié)點(diǎn)發(fā)射時(shí)的功耗，則根據(jù)上面的數(shù)據(jù)參考，節(jié)點(diǎn)總功耗可以按照如下計(jì)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(jié)點(diǎn)工作1次的消耗電流測量值為47.1 mA；通過軟件設(shè)置節(jié)點(diǎn)間隔10 min采集1次數(shù)據(jù)，每次采集時(shí)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(tài)的功耗測量值為632 μA，則睡眠總功耗為0.631 9 mA·h；1 h內(nèi)總功耗為0.641 3 mA·h。因此，本設(shè)計(jì)中使用的鋰電池一共可用時(shí)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(gè)月以上。因此，即使在連續(xù)陰天的情況下，本設(shè)計(jì)依然可以滿足節(jié)點(diǎn)供電需求。

4.2太陽能充電情況分析

在試驗(yàn)中對電池電壓及太陽能電池板電壓進(jìn)行監(jiān)測，選擇室內(nèi)朝陽落地窗房間進(jìn)行試驗(yàn)，室內(nèi)環(huán)境溫度為27～37 ℃，進(jìn)行連續(xù)1周的監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)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(jié)語

本研究提出了設(shè)施溫室內(nèi)WSN節(jié)點(diǎn)的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)方案，從降低功耗和提高能量利用2個(gè)方面，對節(jié)點(diǎn)控制芯片、無線模塊、鋰電池及太陽能電池板進(jìn)行了選型與設(shè)計(jì)，并闡明了選型依據(jù)。通過系統(tǒng)軟件程序和硬件電路的優(yōu)化進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)功耗和系統(tǒng)供電情況進(jìn)行了試驗(yàn)和總結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的設(shè)施農(nóng)業(yè)低功耗WSN節(jié)點(diǎn)，在棚內(nèi)能夠利用太陽能獨(dú)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(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能的目的。下一步還可以對系統(tǒng)電路和程序進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，對于降低系統(tǒng)休眠時(shí)間和系統(tǒng)整體功耗仍有很大的空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]王向軍，劉志剛，李榮，等. 日光溫室物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2014（8）：189-192.

[2]馬少華，張興，韓冬，等. 基于ECDSA優(yōu)化算法的智能農(nóng)業(yè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（4）：389-392.

[3]張恩迪，雷思君. 基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)蟲害防治監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015（3）：91-94.

[4]周原，溫金芳. 基于無線傳感器能量消耗的智慧農(nóng)業(yè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（7）：425-428.

[5]宋慶恒，劉英德，馬源，等. 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（6）：394-396.

[6]張秀清，李艷紅，張超. 太陽能電池研究進(jìn)展[J]. 中國材料進(jìn)展，2014，33（7）：436-441.

[7]曹琛，李元章，馬忠梅. 基于MSP430的無線充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（2）：66-69.

[8]陶勁松，曹大平. 基于MSP430的磁梯度儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2015（12）：36-38，41.

[9]王丙元，劉錫盟，呂忠義. 低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)與壽命評估[J]. 中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，34（2）：32-35.

[10]陳巖，高峰，譚婷，等. 基于WSN的墑情檢測節(jié)點(diǎn)雙電源設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2015（12）：117-119.瞿國慶，施佺. 采用廣義預(yù)測控制與物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室灌溉[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（12）：152-156，162.endprint