低功耗实时唤醒式无线灌溉控制器的设计与实现

王明飞，郑文刚，田宏武，张　馨，李金雷

(1.北京农业智能装备技术研究中心，北京　100097； 2.北京农林科学院，北京　100097)



低功耗实时唤醒式无线灌溉控制器的设计与实现

王明飞1,2，郑文刚1,2，田宏武1，张馨2，李金雷1

(1.北京农业智能装备技术研究中心，北京100097； 2.北京农林科学院，北京100097)

摘要：为降低现有农业无线灌溉系统中控制节点的能耗，延长无线灌溉网络的生命周期，采用OOK调制技术，设计了一种低功耗唤醒装置，改变了当前无线灌溉系统中定时周期唤醒方式，减少了系统中开销，并实现了在434MHz频段下无线灌溉控制器的研制。控制器主要由C8051F965单片机、电源电路、电磁阀驱动电路、唤醒电路、无线收发通道和开关量采集电路组成。该控制器由基站发送指令控制，根据距离远近，自适应寻址接收信号，实现实时采集和控制。经试验测得：额定容量为250mAh的单节碱性9V电池，可使控制器工作一个灌溉季以上；与采用传统唤醒方式相比，系统不仅降低了能耗，而且提高了响应速度。

关键词：实时；低功耗；唤醒接收;灌溉控制器

0引言

水资源日益紧缺，农业灌溉用水占总用水量比例最高[1]。自动灌溉控制系统因具有节水增产功能，得到广泛的应用。随着设施农业发展，越来越多的田间温室开始采用灌溉控制系统进行灌溉施肥。

传统灌溉控制系统一般仅包括自动灌溉控制器和电磁阀两部分，灌溉控制器执行灌溉策略，多采用有线方式控制电磁阀[2-6]。随着灌溉规模的扩大，采用有线控制方式不可避免地出现安装困难、维护不便和扩展复杂等问题。

近年来，已有学者将无线技术与传统灌溉控制系统结合，研制出用于农业灌溉的无线控制系统[7-10]。其中，大多采用ZigBee技术，但2.4G频段绕射性能差且传播距离受限[11]，并不适宜用于农业实际生产中；有学者基于GSM或GPRS的方式设计出灌溉控制器，其功耗高、费用大，并在无信号覆盖区域，不能工作[12-15]。434M频段下无线通信能克服以上的缺点，较为适合农业生产，目前已有应用；但当前灌溉系统中多采用周期定时唤醒方式实现低功耗[16]，这种模式是以牺牲响应时间为代价来达到低功耗的目的。

本文从农业灌溉系统实际需求出发，通过研究无线低功耗接收技术，设计一种基于实时唤醒的低功耗无线灌溉控制器，采用OOK解调技术，实时监听系统中指令信息；根据距离远近，自动调节信号，实现地址解码；可采集水表信息和控制脉冲式直流电磁阀。

1无线控制系统应用

无线灌溉控制系统由中央灌溉控制器、无线基站和无线电磁阀控制器3部分组成，用户终端与中央灌溉控制器通过以太网建立连接，如图1所示。中央灌溉控制器通过无线方式发送指令，无线基站接收指令后，将指令也以无线方式传送至安装在阀门附近的无线电磁阀控制器中，先前处于休眠状态的阀门控制器被唤醒后，分析指令内容，并执行相应操作。

2控制器总体硬件结构

无线电磁阀控制器直接控制阀门，主要包括无线唤醒电路、无线收发通道、直流电磁阀驱动电路、电源和存储电路等。控制器总体结构如图2所示。

无线唤醒电路实时接收无线基站指令，负责唤醒控制器，是系统中核心单元。无线收发通道主要处理基站与电磁阀控制器之间的通信。电源部分采用Linear公司的LT1934，其静态电流达到微安级，输入电压动态范围宽，负载能力强，不仅满足系统低功耗要求，也保障了系统工作时的大电流需求。核心处理器采用C8051F965，在休眠状态下消耗电流仅为0.7μA，封装体积小，支持SPI协议。系统还设计了2路开关量采集通道，用于采集水表等信息。为保存操作状态和本机地址等信息，系统设计了存储电路，选用 AT24CS01，具有功耗低和24位全球唯一地址码等特性。

图1　灌溉系统应用示意图

图2　控制器结构示意图

2.1唤醒电路设计

无线电磁阀唤醒电路包括前端匹配电路、包络检波、放大电路和比较器，结构框图如图3所示。天线接收到无线基站发送的OOK信号，先经过声表面滤波器滤除其他频段的杂波。声表面滤波器选用EPCOS公司的B3760，中心频率434MHz，带宽仅为0.68MHz，封装体积小，外接匹配电路简单。由于滤波器的带宽较窄，滤波后通道中仅存载波和调制信号，再经过阻抗匹配电路使得前端电路与后端电路之间功率损耗降到最低。

图3　唤醒电路结构框图

包络检波使用一个含有2级电容串联型倍压整流电路，将原始信号幅度增大2倍，有效地提高系统的灵敏度，电路图如图4所示。

解调之后的信号被送至放大电路中，其采用精密低功耗运算放大器，电路增益由数字电位器来控制。考虑到带宽和功耗等因素，放大倍数不宜过大。比较电路将放大后的信号根据设定值整形成与调制信号频率一致的方波，输出的信号分为两路：一路直接送往微控制器用作接收基站寻呼地址信号，微控制器通过此来确定接收到的指令中是否含有本机地址，从而无需先启动收发通道，有效地降低控制器整体功耗；另一路传输至充放电电路中，利用电容充放电，将矩形波变换成直流电平，电平值的高低与有效信号频率成正比，通过合理的参数设置，能防止误触发；信号再经过低通滤波器滤除高频部分，作为逻辑“或”门的输入。比较电路相关单元如图5 所示。

当放大电路和低通滤波器的输出信号中任一个信号达到高电平时，都能唤醒微控制器。放大电路输出信号幅度较高时，微控制器被激活后，同时侦测到检测通道中电平为高，此时自动调节反馈通道，降低放大电路增益直到检测通道为低电平。通过试验测试，系统设计了3个增益档位，能满足无线电磁阀控制器与无线基站距离上的远近无缝结合。唤醒电路经测试，灵敏度大于-45dBm。

a.原始信号波形　b.解调信号波形　c.包络检波电路图

a.地址信号波形　b.唤醒信号波形　c.比较器相关电路图

2.2无线收发通道设计

无线收发通道中前端匹配电路与唤醒电路共用，通道工作在半双工的模式下。无线芯片采用Sillicon Labs公司的Si4463，其工作频率范围为142～1 050MHz，输出功率最大可达20Bm，接收灵敏度为-126dbBm，数据速率最高为1Mbps，调制模式支持FSK,、4GFSK、MSK和OOK。

当微控制器被唤醒，检测到是本机地址后，灌溉控制器启动无线接收通道。由基站发送的射频信号，经前端匹配电路和射频开关传送至四端口差分接收电路中，转换成相位差为180°的差分信号对后，进入Si4463并完成信号解调，最终通过SPI总线传递信息至微控制器。

微控制器反馈信息到基站中心时，先将信号由SPI总线传送至Si4463中，完成信号的调制后，再经由阻抗匹配电路、低通滤波器、射频开关和前端匹配电路发射出去。无线通道结构如图6所示。

2.3脉冲式电磁阀控制电路

为控制水泵和阀门等执行机构，系统中采用驱动脉冲式电磁阀(见图7)，其开启只需持续几十毫秒脉冲，在开合状态时仅消耗少许能量，能满足系统低功耗的设计要求。驱动芯片采用L9110，其能持续输出800mA电流，最高瞬态电流达1.5A，静态功耗可忽略不计。

3系统软件设计

程序流程如图8 所示。系统上电初始化完成后，进入休眠状态，等待唤醒信号，微控制器被激活后，先判断检测通道是否为高电平，若为高，则调节电位器，直到检测通道为低电平。

系统通过唤醒电路中编码通道接收指令，判断为本机地址后，激活无线收发通道，同时使系统处于接收指令状态，等待指令。若为控制指令，则执行采集水表、控制电磁阀的开合，并将相关信息存储起来；接收为查询指令时，根据存储器中的内容，直接发送状态；若等待50ms后，仍然无命令，系统自动进入休眠状态。

图6　无线收发通道结构框图

图7　电磁阀驱动电路

图8　控制器软件流程图

4系统测试与分析

由于灌溉器实际使用时，一天中操作灌溉次数较少，一般控制器的功耗主要取决于系统休眠时的功耗，包括电源芯片静态功耗、唤醒电路功耗，以及MCU和SI4463休眠时功耗。

为测量电源芯片消耗的静态电流，用可调数字电源(HAMEG,型号HM8143)模拟实际使用的9V碱性电池，在4～9V范围内变化，并用数字万用表(FLUKE，型号17B)串接到电路中测量，多次测量取平均值，如图9所示。

试验实际测量电源芯片LT1934为稳定输出电压3.3V，输入电压不能低于5.6V。当电源电压大于5.6V时，静态电流变化平缓，基本维持在12μA左右；而小于5.6V时，消耗的电流成倍上升。这是由于LT1934转换效率变低，自身消耗过大所造成的。

为测量唤醒电路在休眠时消耗的电流，采用射频信号发生器(IFR2023A)模拟基站发射射频信号；射频输出端与唤醒电路中的SMA型接头通过射频线相连，另用泰克混合示波器(泰克，型号MSO4104)与唤醒电路末端相连，来捕捉信号波形；若电路能正常接收到信号，波形应为图4(b)所示。唤醒电路的供电回路中同样串接数字万用表，经测试，电路消耗平均电流为19μA。

图9　不同电压下LT1934静态电流

为测量微控制器及其外设和Si4463休眠时的消耗电流，在焊接样板时，暂时不焊唤醒电路和电源芯片，利用可调数字电源直接供3.3V，并在供电回路中接万用表。经测试发现，此部分的能耗和软硬件均相关，软件相关部分主要体现在MCU端口的配置上。经过多次调试，此部分的最终消耗电流为13μA。

综上所述，控制器休眠一天所消耗电荷量QS为

QS=(13+12+19)×24×10-3≈1.06mAh

在不考虑电池自放电的情况下，以1节250mAh的9V碱性电池计算，完全满足作物一个灌溉季的使用需求。

系统在国家农业智能装备中心的小汤山国家农业示范基地进行实地测试，选取一片实验大田，安装1个控制基站，基站发射功率设置为5W，其有效覆盖面积为1.6W·m2，控制若干个阀门。

如图10所示，在单个支撑杆中挂接2个控制器，可同时控制2路直流电磁阀，支撑杆高度为1.5m。无线灌溉控制器安装在大田中，控制器与基站之间最远距离为100m。每当中央灌溉控制器发送指令后，无线灌溉控制器便可立即完成对电磁阀的操作。其中，选取增益为3.5dBi工业级天线的控制器接收灵敏度相对比选用低增益天线的控制器要高。试验表明：无线灌溉控制器在保证低功耗的情况下，能实时监听和响应上层指令，完成无线控制功能；同时在不依靠阳光照射情况下，稳定工作超过3个月。

5结论

利用无线唤醒与低功耗技术，基于Si4463射频芯片、C8051F965处理器和唤醒电路，设计了一种适合用于在光照不充足地区的超低功耗无线电磁阀灌溉控制器，其相对于传统周期唤醒式灌溉器具有在能耗和实时响应上的绝对优势。

图10　控制器现场安装与测试

试验表明：控制器在不更换电池的情况下，可连续工作1个灌溉季，约3个月。结合外观防水和结构防雷设计，系统具备较高的可靠性。9V碱性电池选用普通常见电池，便于用户购买更换，价格便宜。针对在太阳能充足的地区，控制器预留了接口，可直接连接太阳能电池，工作时间可进一步提高。本系统现阶段拓扑结构是星形状，不涉及路由选择，今后将进一步引入无线路由协议，以便实现网状结构，进一步地降低功耗和实现更远距离的通信。

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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

文章编号：1003-188X(2016)01-0113-06

中图分类号：TP29; S274. 3

文献标识码：A

作者简介：王明飞(1984-)，男，合肥人，助理研究员，(E-mail) wangmf@nercita.org.cn。

基金项目：国家“863”计划项目(2011AA100509)；公益行业专项(农业)科研专项(201203012-4-1)

收稿日期：2014-12-17