一种基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置

技术领域

本发明属于农业灌溉技术领域，特别涉及一种基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置。

背景技术

随着我国农业的高速发展，农业种植面积不断的扩大和规模化，自动化灌溉系统应运而生。由传统灌溉方式向自动化灌溉发展，不仅能够提高水资源利用率，还可以提高农作物产量，从而降低生产成本。

现有技术中，自动化灌溉系统往往需要铺设很多线缆，在一些西北地区由于地势原因，布线的工程较为麻烦；而无需布线的太阳能锂电池供电系统也因锂电池耐低温性较差，且太阳能板在此应用环境下易被沙层遮挡，影响稳定性而难以实施。同时，灌溉系统虽然长时间处于休眠状态，但因系统并不断电，实际耗电量也比想象中大很多。此外，传统模式的控制器只有一个单片机，处理的任务较复杂时出现故障的可能性较大，将导致单片机无法休眠，从而造成电池电量很快耗尽。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置，该装置所基于的Cat1网络有功耗低、成本低、数据传输稳定性强的优势；此外，双核的设计使得装置整体的功耗极低，使用寿命长，且增强了稳定性，一次性耐低温锂亚电池在极寒和极热地区皆可使用，使得该装置的应用地域广泛，使用成本低廉，稳定性强。

为了达到上述目的，一方面，本发明提供了一种基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置，该装置包括电源模块、主功能控制模块、低功耗控制模块、Cat1网络模块和电磁阀控制电路模块；其中，

电源模块输出端连接低功耗控制模块；

低功耗控制模块与主功能控制模块连接，管理装置所有的电源开关；

主功能控制模块与Cat1网络模块和电磁阀控制电路模块连接；

Cat1网络模块作为通信模块连接服务器进行通信；

电磁阀控制电路模块控制电磁阀的开关。

进一步地，电源模块包括一次性耐低温锂亚电池，一次性耐低温锂亚电池的电池容量为19000mAh，标称电压为3.7V，可承受温度范围为-60℃～+85℃，用于给整套装置供电，在极寒和极热地区皆可使用。

进一步地，低功耗控制模块采用Stm32L011F4P6型号的单片机，用于管理装置所有的电源开关。具体地，在需要连接服务器更新灌溉任务时，低功耗控制模块打开主功能控制模块和Cat1网络模块的电源开关；在任务结束后，关闭所有电源开关，其自身进入休眠状态。

进一步地，低功耗控制模块可检查一次性耐低温锂亚电池的电压，若检测出一次性耐低温锂亚电池的电压低于阈值，低功耗控制模块将低电压警告通过主功能控制模块发送至服务器，并累计一次低电压警告次数；当低电压警告次数超过一定次数(例如10次)时，低功耗控制模块将关闭所有电源，并休眠一段时间(例如4小时)。

进一步地，主功能控制模块采用imx6ull型号的处理器，其功能是负责与服务器交互，更新灌溉任务，同时计算下一次需要启动运行的时间，并将其通过串口发送给低功耗控制模块；低功耗控制模块接收后设置好休眠时间，关闭所有的电源开关，进入休眠。

进一步地，Cat1网络模块采用EC200S无线通信模块或类似的低功耗蜂窝网络通信模块，当主功能控制模块需要连接服务器时，通过Cat1网络模块完成PPP拨号，从而完成和服务器的连接。EC200S无线通信模块是一种4G模块，它的传输速率比标准4G低，但也可以达到上行5Mbps，下行10Mbps。对于数据量不高的物联网设备而言，带宽已经足够了。其最主要的特点是功耗比较低，经实测在电压3.3V的情况下，其运行功耗低至40mA左右，该功耗可以很好地支撑装置运行4年左右。

进一步地，在电路设计方面，在Cat1网络模块的电源开关和Cat1网络模块之间设置有升压电路，升压电路用于将电源模块提供的电压进行升压。

进一步地，电磁阀控制电路模块用于控制电磁阀的开关，以完成定时的灌溉任务。

进一步地，电源模块还包括超级电容，超级电容用于在Cat1网络模块拨号的时候能够提供一个瞬间的大电流，以保证在拨号的瞬间整套装置的供电电压正常。

进一步地，主功能控制模块的硬件连接了外部实时时钟模块，当主功能控制模块从服务器同步任务时，服务器也会同步主功能控制模块的时间，以确保主功能控制模块时间的正确性。

低功耗控制模块的运行流程如图2所示，低功耗控制模块在通电后，会同时打开所有电源(主功能控制模块和Cat1网络模块的电源)和启动一个3分钟的定时器，因主功能控制模块在正常情况下完成任务的更新和执行的时间在3分钟内，超时则说明有异常情况，为了节约功耗，若3分钟内没有接收到主功能控制模块发送的休眠命令，则低功耗控制模块将关闭所有电源，保存配置，强制休眠4小时，等待下次同步或执行任务；

当低功耗控制模块打开所有电源后，读取电源模块配置，检测一次性耐低温锂亚电池的电压；当检测到电池电压连续10次都是低电压时，低功耗控制模块将关闭所有电源进入休眠。所以低功耗控制模块有10次机会将低电压报警发送到服务器，来提示用户更换电池。如果检测电压正常，低功耗控制模块会一直监听主功能控制模块的命令。当监听到读取命令时，低功耗控制模块会将本地的配置参数发送给主功能控制模块；当监听到休眠命令时，低功耗控制模块会根据主功能控制模块的时间参数设置休眠时间，并在休眠之前关闭所有的电源。

主功能控制模块的运行流程如图3所示，主功能控制模块在通电运行时，首先会启动PPP拨号程序，并且一直尝试和服务器进行连接。当和服务器连接成功后，主功能控制模块会向服务器发送心跳包，心跳包中包含当前装置的任务ID，服务器接收到心跳包后，会将心跳包中的任务ID和最新的任务ID进行比较，若两者不相同，服务器会将最新任务发送给主功能控制模块，否则会发送无任务更新任务；当主功能控制模块和服务器连接超时后，主功能控制模块会判断为当前网络异常，停止和服务器的尝试连接。无论与服务器连接是否成功，主功能控制模块最后会将本地的时间任务运行一遍，来控制阀门的当前状态，并且根据时间任务计算自己应该在多久后需要被唤醒，并将计算出来的唤醒时间发送给低功耗控制模块，低功耗控制模块在接收到命令后，关闭所有电源，设置休眠时间后休眠，等待下一次的唤醒。这样通过主功能控制模块和服务器双数据库确认的机制可以保证即使网络有故障，也可在下次连接服务器时完成任务的更新。

主功能控制模块长时间处于断电状态，在主功能控制模块运行时，主要任务时开关阀门或连接服务器查看是否有新任务更新。当主功能控制模块连接服务器同步任务后，任务在主功能控制模块本地进行，与服务器无关，即采用离线任务运行，确保了任务运行的稳定性。当主功能控制模块运行任务时，会计算出下一次每个阀门需要动作的时间，以及下一次需要连接服务器更新任务的时间，再从这些时间中选择一个离当前时间最近的时间，作为主功能控制模块休眠后下一次需要启动的时间，并计算出休眠时长，将休眠时长传输给低功耗控制模块，进入休眠状态。

用户可以通过任务修改装置更新任务的频率，这样在需水旺季时，可以提高装置连接服务器的频率，确保任务更新的及时性，在需水淡季时，植物不需要过多的灌溉，可以减少装置连接服务器的频率，降低需水淡季装置的功耗，延长电池的寿命。

本发明装置的硬件设计框架图如图4所示，电池模块中的一次性耐低温锂亚电池给整套装置供电，超级电容用于在Cat1网络模块拨号的时候提供一个约2A的瞬间的大电流，保证在拨号的瞬间整个系统的供电电压正常。优选地，为了进一步节约装置中一次性耐低温锂亚电池的电量，在装置外部可连接有微型水流涡轮发电机，其安装于任一阀门出口处并与装置内部的超级电容相连接，从而能够利用每次灌溉时水流的能量为超级电容充电，达到进一步降低装置内部功耗的目的。

在电路设计上，低功耗控制模块管理Cat1网络模块和主功能控制模块的电源开关，因Cat1网络模块需要的工作电源是4V，而一次性耐低温锂亚电池提供的标称电压不足4V，所以在Cat1网络模块的电源开关和Cat1网络模块之间设置有升压电路，对电压升压后保证Cat1网络模块的正常工作。

本发明的有益技术效果至少表现在以下方面：

1、因灌溉系统对网络的时效和速率要求不高，本发明采用Cat1网络，网络覆盖成本和硬件成本都较低，且功耗小、覆盖广。

2、本发明创新地采用一个极低功耗的单片机(低功耗控制模块)加一个主功能单片机(主功能控制模块)的双核方式，实现了装置在休眠时的超低功耗，并通过离线升级任务的方式实现远程修改灌溉计划。低功耗控制模块逻辑简单，保证了其进入休眠状态的稳定性，且相较于只有一个主功能控制模块的装置来说，休眠状态时只有低功耗控制模块的功耗，装置整体功耗得到极大的减小，延长了整体的使用寿命，节约了使用成本；而主功能控制模块可以不考虑休眠时的功耗，具有较高的主频，大大减少了每次处理任务的时间。

3、采用一次性耐低温锂亚电池，使得整套装置的应用场景广泛，在极寒和极热地区皆可使用。

4、本发明的低功耗控制模块可监控电池的使用情况，当电池电量耗尽时，可及时发送通知提醒用户，使得电池电量情况透明化，防止因电池耗尽而耽误装置使用的情形发生。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置的流程示意图；

图2是本发明一个较佳实施例的基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置的低功耗控制模块的流程示意图；

图3是本发明一个较佳实施例的基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置的主功能控制模块的流程示意图；

图4是本发明一个较佳实施例的基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置的硬件设计框架示意图；

图5是本发明一个较佳实施例的基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置的一次性耐低温锂亚电池的自放电曲线示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，下述的实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，一种基于Cat1网络的双核超低功耗灌溉控制装置包括电源模块、主功能控制模块、低功耗控制模块、Cat1网络模块和电磁阀控制电路模块；其中，电源模块输出端连接低功耗控制模块；低功耗控制模块与主功能控制模块连接，管理装置所有的电源开关；主功能控制模块与Cat1网络模块和电磁阀控制电路模块连接；Cat1网络模块作为通信模块连接服务器进行通信；电磁阀控制电路模块控制电磁阀的开关。

电源模块包括一次性耐低温锂亚电池，一次性耐低温锂亚电池的电池容量为19000mAh，标称电压为3.7V，可承受温度范围为-60℃～+85℃，用于给整套装置供电，其在极寒和极热地区皆可使用。

低功耗控制模块采用Stm32L011F4P6型号的单片机，用于管理装置所有的电源开关，在需要连接服务器更新灌溉任务时，低功耗控制模块打开主功能控制模块和Cat1网络模块的电源开关，在任务结束后关闭所有电源开关，其自身进入休眠状态。

低功耗控制模块可检查一次性耐低温锂亚电池的电压，若检测出一次性耐低温锂亚电池的电压低于阈值，低功耗控制模块将低电压警告通过主功能控制模块发送至服务器，并累计一次低电压警告次数；当低电压警告次数超过10次时，低功耗控制模块将关闭所有电源，并休眠4小时。

主功能控制模块采用imx6ull型号的处理器，其功能是负责与服务器交互，更新灌溉任务，同时计算下一次需要启动运行的时间，并将其通过串口发送给低功耗控制模块；低功耗控制模块接收后设置好休眠时间，关闭所有的电源开关，进入休眠。

Cat1网络模块采用的是EC200S无线通信模块，是一种4G模块；当主功能控制模块需要连接服务器时，通过Cat1网络模块完成PPP拨号，从而完成和服务器的连接。

在电路设计方面，在Cat1网络模块的电源开关和Cat1网络模块之间设置有升压电路，升压电路用于将电源模块提供的电压进行升压。

电磁阀控制电路模块用于控制电磁阀的开关，以完成定时的灌溉任务。

电源模块还包括超级电容，超级电容用于在Cat1网络模块拨号的时候能够提供一个瞬间的大电流，保证在拨号的瞬间整套装置的供电电压正常。为了进一步节约装置中一次性耐低温锂亚电池的电量，本实施例的装置外部还连接有微型水流涡轮发电机，其安装于任一阀门出口处并与装置内部的超级电容相连接，从而能够利用每次灌溉时水流的能量为超级电容充电，达到进一步降低装置内部功耗的目的。

主功能控制模块的硬件连接了外部实时时钟模块，当主功能控制模块从服务器同步任务时，服务器也会同步主功能控制模块的时间，确保主功能控制模块时间的正确性，这是时间任务正确执行的前提。当主功能控制模块运行任务的时候，会计算出下一次每一个阀门需要动作的时间，以及下一次需要连接服务器更新任务的时间。从这些时间中选择一个离当前最近的时间，这个时间就是主功能控制模块休眠后，下一次需要启动的时间，启动后可能是控制阀门开关，可能是连接服务器更新任务。例如，每个阀门下次需要动作的时间以及装置周期性连接服务器下次启动的时间如下表所示：

主功能控制模块在本次任务运行完成后，得知2小时3分钟5秒后需要再次启动，启动的任务是执行阀门1的开关。在休眠2小时3分钟5秒后，主功能控制模块再次启动执行任务，在执行任务的过程中不仅操作阀门1的动作，并且重新计算本次需要休眠的时长，并将需要休眠的时长传输给低功耗控制模块，随后进入休眠状态。

在本发明的一个较佳实施例中，一次性耐低温锂亚电池的自放电曲线如图5所示，在电池的工作温度区间内，典型的年自放电率约在2％以下，最高也不超过3.5％，较低的自放电率可以保证电池容量的有效使用率。

假设灌溉任务是一天灌溉一次，且每4个小时该装置要和服务器连接一次同步任务。主功能控制模块仅启动打开或关闭电磁阀需30秒，主功能控制模块启动和服务器同步任务需60秒。

实施例1装置的组成为低功耗控制模块、主功能控制模块和Cat1网络模块，在不同情况下的功耗如下表所示：

实施例1运行一天的功耗为：

(1uA*24*60*60s+60mA*60s+100mA*6*60s)/3600＝11mAh。

一年的功耗为：

11mAh*365＝4015mAh。

对比例1装置的组成为主功能控制模块和Cat1网络模块，与实施例1执行相同的任务，在不同情况下的功耗如下表所示：

对比例1运行一天的功耗为：

(1.5mA*24*60*60s+60mA*60s+100mA*6*60s)/3600＝47mAh。

一年的功耗为：

47mAh*365＝17155mAh。

装置的组成为低功耗控制模块、主功能控制模块和Cat4网络模块，与实施例1执行相同的任务，在不同情况下的功耗如下表所示：

对比例2运行一天的功耗为：

(1uA*24*60*60s+60mA*60s+510mA*6*60s)/3600＝52mAh。

一年的功耗为：

52mAh*365＝18980mAh。

一次性耐低温锂亚电池容量为19000mAh，年自放电率约为2％，实施例1的装置电池可供运行4年左右，对比例1的装置电池可供运行1年左右，对比例2的装置电池可供运行不到1年。由此可见，本发明的双核设计和利用Cat1网络的低功耗性能的组合极大地降低了整体装置的耗能，延长了使用寿命，节约了维护成本。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。