一種可動態調整測量和上報周期的低功耗土壤溫濕度檢測裝置及其檢測方法與流程

本發明涉及一種可動態調整測量和上報周期的低功耗土壤溫濕度檢測裝置，還涉及該裝置的檢測方法，屬于智能控制技術領域。

背景技術：

在土壤溫濕度檢測及智能澆水裝置領域，目前已有多個專利存在（例如智能澆花裝置CN103688824A、基于手機遙控的智能澆灌系統CN103548647A、一種土壤濕度的測量及智能澆灌系統CN104642063A、一種土壤溫度濕度檢測裝置CN204142281U、一種根據土壤濕度灌溉的智能自動化裝置CN204540232U，等等）。這些專利中描述的裝置的基本工作原理都是類似的：通過土壤溫濕度檢測設備定時測量得到土壤溫濕度值，并將這些測量值以無線的方式發送到一個控制設備，然后通過手機或者通過自動的方式來控制水閥澆水。

在上述專利中，土壤溫濕度檢測裝置需要定時進行測量。為了滿足測量的實時性要求，測量周期一般都設得比較短。為了滿足土壤溫濕度檢測裝置（里面包含土壤溫濕度檢測設備和無線收發設備）的耗電需求，一般都采用了外接市電或者太陽能面板加充電電池的方式來為土壤溫濕度檢測裝置提供電源。這些方式在某些場景下是適用的（比如專業化的農業大棚內），但在大部分情況下（比如家庭庭院內），這些方式并不適用，或者說不能帶來較好的用戶體驗。具體來說，外接市電的方式在家庭庭院里既不安全、又不方便。而太陽能面板加充電電池的方式需要能夠接受到陽光照射，這樣就限制了土壤溫濕度檢測裝置的使用環境。此外，普通的太陽能面板及充電電池的有效使用壽命僅為一年左右，這個因素也大大影響了用戶對整體的土壤溫濕度檢測裝置的使用體驗。由于上述這些問題的存在，土壤溫濕度檢測裝置目前在普通家庭里并沒有得到廣泛的應用。

技術實現要素：

本發明提出了一種低功耗的土壤溫濕度檢測裝置，通過動態的調整溫濕度測量周期以及測量結果上報周期來減少土壤溫濕度傳感器的整機功耗，從而達到利用普通的干電池供電也能夠維持較長工作時間的效果。

一種可動態調整測量和上報周期的低功耗土壤溫濕度檢測裝置，包括相互通訊連接的土壤溫濕度傳感器、短距離無線通信網關和用戶控制終端，土壤溫濕度傳感器包含帶有短距離無線通信設備的土壤溫濕度檢測設備；短距離無線通信網關包含相互通訊連接的短距離無線通信設備、互聯網通信設備和智能測量控制設備；用戶終端為可與所述互聯網通訊設備通訊連通的智能設備。

本發明進一步限定的技術方案為：

進一步的，還包括可自動噴水的無線水閥（13），所述無線水閥（13）與短距離無線通信網關（11）通訊連接。

進一步的，短距離無線通信設備（111）和短距離無線通信設備（101）為藍牙或Zigbee，所述用戶終端（12）為手機或電腦等智能上網設備。

進一步的，土壤溫濕度傳感器（10）與所述短距離無線通信網關（11）之間以短距離無線通信技術進行雙向無線通信。

一種可動態調整測量和上報周期的低功耗土壤溫濕度檢測裝置的檢測方法，按照如下步驟進行：

1）檢測模式選擇，短距離無線通信網關根據當地當天的天氣狀況制定適宜的濕度檢測模式；

2）數據加載，短距離無線通信網關將選擇好的濕度檢測模式推送給所述土壤溫濕度傳感器；

3）數據推送，土壤溫濕度傳感器將超過預定限值的檢測數值提交給短距離無線通信網關；

4）終端控制，短距離無線通信網關將步驟3推送的數據提交給用戶控制終端，用戶根據檢測值偏高還是偏低選擇是需要排水還是開啟無線水閥。

本發明進一步限定的技術方案為：

進一步的，短距離無線通信網關根據一系列外部輸入條件值動態調整土壤溫濕度傳感器的測量周期、上報周期和上報門限值，并將這些參數值發送給土壤溫濕度傳感器。

進一步的，土壤溫濕度傳感器能夠以無線的方式接收到短距離無線通信網關發送過來的無線通信周期值、溫濕度測量周期值、動態上報門限值等參數，并且能夠基于這些參數即時調整自身的土壤溫濕度測量和無線收發的頻度。

進一步的，土壤溫濕度傳感器在不進行土壤溫濕度測量、發送測量結果和查詢網關消息的時候即進入休眠狀態，以節省功耗。

進一步的，短距離無線通信網關所利用的外部輸入條件值包括土壤溫濕度傳感器上報的土壤溫濕度測量值、短距離無線通信網關所在地的即時天氣條件值、用戶人為設置的澆水時間值和水閥開啟門限值，以及用戶設定的無線通信周期值、溫濕度測量周期值、動態上報門限值。

本發明提出的低功耗土壤溫濕度檢測裝置包含一個或多個土壤溫濕度傳感器，一個具有互聯網通信功能的短距離無線通信網關，以及用戶控制終端（比如手機、電腦等等）。以下為本發明中各個設備的組成、功能及工作原理的詳細介紹：

一、設備組成和功能：

1） 土壤溫濕度傳感器：該設備里包含短距離無線通信設備和土壤溫濕度檢測設備，這兩個設備也是土壤溫濕度傳感器中主要的耗電部分。無線通信設備可以采用任何成熟的短距離無線通信技術（比如Zigbee、藍牙等），該設備負責接收網關發送過來的指令，并且將測量結果發送給網關。土壤溫濕度檢測設備102負責檢測土壤的溫濕度。

2） 短距離無線通信網關：該設備里包含和土壤溫濕度傳感器里對應的短距離無線通信技術的設備（比如Zigbee、藍牙等）、互聯網通信設備（比如有線以太網通信設備、WiFi通信設備，或者移動網絡通信設備等）以及一個智能測量控制設備。

3）用戶控制終端：可以為手機、電腦等一切可以連接到互聯網上的用戶終端。用戶可以通過終端實時查看土壤溫濕度傳感器的測量值。

二、工作原理：

我們知道，在正常的情況下（沒有降雨、沒有人為澆水，或者降水已經很充分），土壤溫濕度的變化是一個緩慢的過程。在這種情況中，如果土壤溫濕度傳感器頻繁地進行土壤溫濕度測量，并且每次測量結束后都將結果通過無線設備上報給控制設備（或者用戶終端）里，那么其實這一方面浪費了寶貴的電量，另一方面對提升用戶體驗而言并無益處。但在有降水的情況下（自然降雨或者人為澆水），土壤濕度值就會在短時間內發生變化。在這種場景下，如果土壤溫濕度測量裝置不能及時地將測量值上報給控制設備（或者用戶終端）里，那么一方面會導致過量澆水的發生，另一方面也由于用戶不能看到土壤溫濕度值的實時變化從而降低了用戶體驗。

基于上述的分析，本發明中提出的土壤溫濕度傳感器10里采用了一種可動態調整測量和上報周期的方式，具體工作方式如下：

1）土壤溫濕度傳感器上電并完成初始化之后，即進入正常工作模式。首先通過無線通信設備從網關的智能測量控制設備處獲得一些工作參數，其中包括：無線通信周期值A、溫濕度測量周期值B、動態上報門限值C。無線通信周期值指的是土壤傳感器中的無線設備每隔A分鐘才會和網關進行一次通信，其它時間為休眠狀態；溫濕度測量周期值指的是土壤傳感器中的溫濕度檢測設備每隔B分鐘才會進行一次土壤溫濕度測量，其它時間為休眠狀態；動態上報門限值指的是只有當本次測量結果和上次測量結果之間的差值超過上報門限值C之后，無線設備才會將本次測量結果上報給網關中的智能測量控制設備。

2）上述的無線通信周期值A、溫濕度測量周期值B、動態上報門限值C都由網關中的智能測量控制設備根據外部輸入條件值動態產生。

外部輸入條件值包括：

a) 網關所在地的即時天氣情況（通過網關的互聯網通信設備從互聯網上獲取到）：如果發現即時天氣為降雨，那么網關中的智能測量控制設備即縮短溫濕度測量周期值B。

b) 土壤傳感器的上報值：在正常情況下（沒有降水，或者降水已經很充分），土壤傳感器的連續的幾次溫濕度上報值之間的變化會是很緩慢的。但如果發生了降水，土壤傳感器的連續的幾次溫濕度上報值之間就會產生比較明顯的變化。網關可以根據這些上報值之間的差值以及測量時間間隔來判斷是否發生了降水以及降水量的相對大小，從而動態調整溫濕度測量周期值B。

c) 人工澆水的時間設置或者水閥啟動門限值設置：如果用戶通過同一個網關來控制無線水閥進行澆水，那么在澆水時刻來臨之前，或者在土壤濕度測量值即將達到水閥啟動門限值之前，網關可以縮短溫濕度測量周期值B。

d) 用戶的設置：用戶可以通過用戶終端人為調整上述的A、B、C的值。

3）在正常情況下（沒有降水，或者降水已經很充分），由于土壤溫濕度值的變化是很緩慢的，因此溫濕度測量周期值B可以設置得比較大，這樣土壤溫濕度檢測設備在絕大部分時間內都是處于休眠狀態。此外，通過動態上報門限值C的過濾作用，只有真正有變化的溫濕度測量值才會由無線通信設備發送給網關。通過這種方式也有效降低了無線通信設備的功耗。

4）在開始降水的時候，網關中的智能測量控制設備將溫濕度測量周期值B設置得比較小，這樣土壤溫濕度檢測設備能夠及時地檢測出土壤溫濕度值的變化。

5）為了降低功耗，土壤溫濕度傳感器在絕大多數時間內是處于休眠狀態。但為了能夠及時獲得網關中智能測量控制設備產生的新指令（比如溫濕度測量周期值B的調整），土壤傳感器中的無線通信設備需要定時和網關通信，這里的定時周期值是由無線通信周期值A來確定。A值一般比B值小。同溫濕度測量周期值B一樣，無線通信周期值A也是通過網關的智能測量控制設備112根據外部輸入條件來動態調整。

綜上所述，本發明專利通過網關中的智能測量控制設備112來動態調整土壤溫濕度傳感器10的測量周期和結果上報周期，從而有效降低了土壤溫濕度傳感器10的整體功耗、提升了用戶體驗。

本發明專利具有較高的實用價值。和背景技術中提到的幾個已有專利相比，本發明專利的有益效果是：

1) 采用智能化的動態調整測量周期和結果上報周期的方式來有效降低土壤溫濕度傳感器10的功耗，從而達到利用普通的干電池供電也能夠維持較長工作時間的效果、提升了用戶體驗。

2) 采用普通干電池方案來替代外接市電方案，可以降低土壤溫濕度傳感器的產品成本、提高產品的使用安全性；

3) 采用普通干電池方案來替代太陽能面板加充電電池方案，可以降低土壤溫濕度傳感器的產品成本、提高產品的整體可靠性及使用壽命。

4) 產品成本的降低、可靠性的提高以及用戶體驗的提升將有效地促進土壤溫濕度檢測裝置在普通家庭環境中的推廣使用。

附圖說明

圖1為低功耗土壤溫濕度檢測裝置的系統架構圖；

圖2為土壤溫濕度傳感器結構框圖；

圖3為短距離無線通信網關結構框圖；

圖4為一個包含低功耗土壤溫濕度檢測裝置和無線水閥裝置的智能澆水系統的架構圖。

具體實施方式

本發明專利中提出的低功耗土壤溫濕度檢測裝置既可以做為一個獨立的系統來檢測土壤溫濕度值，也可以和無線水閥裝置組網，組成一個智能澆水系統。下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。

一種可動態調整測量和上報周期的低功耗土壤溫濕度檢測裝置，包括相互通訊連接的土壤溫濕度傳感器10、短距離無線通信網關11和用戶控制終端12，土壤溫濕度傳感器10包含帶有短距離無線通信設備101的土壤溫濕度檢測設備102；短距離無線通信網關11包含相互通訊連接的短距離無線通信設備111、互聯網通信設備113和智能測量控制設備112；用戶終端12為可與互聯網通訊設備通訊連通的智能設備。還包括可自動噴水的無線水閥13，無線水閥13與短距離無線通信網關11通訊連接。短距離無線通信設備111和短距離無線通信設備101為藍牙或Zigbee，用戶終端12為手機或電腦等智能上網設備。土壤溫濕度傳感器10與短距離無線通信網關11之間以短距離無線通信技術進行雙向無線通信。

一種可動態調整測量和上報周期的低功耗土壤溫濕度檢測裝置的檢測方法，按照如下步驟進行：

1）檢測模式選擇，短距離無線通信網關11根據當地當天的天氣狀況制定適宜的濕度檢測模式；

2）數據加載，短距離無線通信網關11將選擇好的濕度檢測模式推送給所述土壤溫濕度傳感器10；

3）數據推送，土壤溫濕度傳感器10將超過預定限值的檢測數值提交給短距離無線通信網關11；

4）終端控制，短距離無線通信網關11將步驟3推送的數據提交給用戶控制終端12，用戶根據檢測值偏高還是偏低選擇是需要排水還是開啟無線水閥13。

實施方式一：一個獨立的低功耗土壤溫濕度檢測系統

如圖1所示，一個獨立的低功耗土壤溫濕度檢測系統中包含一個土壤溫濕度傳感器10、一個具有互聯網通信功能的短距離無線通信網關11以及一個用戶控制終端12。土壤溫濕度傳感器10將土壤溫濕度測量值通過無線的方式上報給網關11，網關然后將該值通過互聯網通信設備113發送到用戶終端12上去。網關中的智能測量控制設備112根據當地的即時天氣情況以及土壤溫濕度傳感器10的測量上報值動態調整溫濕度測量周期。土壤溫濕度傳感器10中的溫濕度檢測設備102根據網關產生的溫濕度測量周期來啟動測量工作，在其余時間進入休眠狀態以節省電力消耗。在正常情況下（沒有降水，或者降水已經很充分），溫濕度測量周期可以設置得比較長（比如半個小時甚至一個小時）；在發生降水的情況下，溫濕度測量周期可以設置得比較短（比如一分鐘甚至30秒）。通過這種動態調整測量周期的方式，在保證了用戶體驗的前提下有效地降低了土壤溫濕度傳感器10的整機功耗。

實施方式二：一個包含低功耗土壤溫濕度檢測裝置和無線水閥裝置的智能澆水系統

圖4中所示的智能澆水系統包含了一個土壤溫濕度傳感器10、一個無線水閥13、一個具有互聯網通信功能的短距離無線通信網關11以及一個用戶控制終端12。土壤溫濕度傳感器10、無線水閥13以及網關11中采用同一種短距離無線通信技術（比如Zigbee或者藍牙）。用戶可以通過控制終端12設置無線水閥13的澆水時間。網關11在該澆水時間到來之前將調整后的溫濕度測量周期值（比如一分鐘甚至30秒）發給土壤溫濕度傳感器10，這樣當澆水開始時，土壤溫濕度傳感器10即可及時地啟動溫濕度測量過程，用戶就可以在控制終端12上看到實時的溫濕度測量值變化。當澆水結束后，網關11將新的溫濕度測量周期值（比如半個小時甚至一個小時）發給土壤溫濕度傳感器10，這樣土壤溫濕度傳感器10在絕大部分時間內都將處于休眠狀態，從而有效節省整機功耗。

用戶也可以將智能澆水系統設置為全自動模式，也就是說，用戶通過控制終端12設置一個水閥開啟門限值，并將該值發送給網關11。當土壤濕度低于該門限值時，網關11即通知無線水閥13開始澆水。在這種全自動模式下，網關11根據土壤溫濕度傳感器10的上報值，在該值即將到達水閥開啟門限值之前調整溫濕度測量周期值（比如一分鐘甚至30秒），這樣當澆水開始時，土壤溫濕度傳感器10即可及時地啟動溫濕度測量過程。當澆水結束后，網關11將新的溫濕度測量周期值（比如半個小時甚至一個小時）發給土壤溫濕度傳感器10。

以上所述僅為本發明的兩個典型實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。