基于LoRa的智能灌溉控制电路系统的制作方法

基于lora的智能灌溉控制电路系统
技术领域
1.本实用新型涉及一种智能灌溉控制电路系统，更具体说，它是基于lora的低功耗灌溉控制电路系统。


背景技术：

2.随着现代农业的深入发展，以及自动化技术推广应用，农田灌溉逐渐出现一种新的趋势：“智能灌溉”，智能灌溉应用先进的自动化技术实施精确灌溉，以作物实际需水为依据，以信息技术为手段，提高灌溉精准度，实施合理的灌溉制度，提高水的利用率。智能灌溉的出现，能有效地克服人为操作的随意性，改变目前普遍存在的粗放灌水方式，是建设节水型农业的重要途径之一，提高灌溉管理水平，降低管理成本，显著提高了人们的工作效率和灌溉水的利用率。
3.数据传输的方式有很多种，传统的有线通信方式因其布线困难、成本高等因素已经很少用于农业物联网；gsm和gprs等移动通信是付费的通信方式，对于部署大量节点传输数据的农业监测网络来说成本上大大增加；zigbee和wifi等短距离通信技术已经被广泛用于农业物联网中，由于通信距离的局限，无法满足区域面积较大的农业物联网监测系统。在传感器网络中，节点的能量消耗问题直接影响监测系统的生命周期，并且能量消耗主要来自于节点之间在进行数据传输时的通信模块。农业无线传感网的低功耗和通信距离不可兼得，是阻碍其进一步普及的瓶颈。
4.为了解决这个问题，本电路系统设计选择最近几年新兴的lora无线通信技术实现传感器节点组网，lora是低功耗广域物联网的一种长距离无线通信技术，主流的低功耗广域网中通信速率一般低于100kbit/s，lora技术的优点是广覆盖和低功耗，不足是数据传输速率低，相比于其他几种通信方式，lora技术更加适合智能农业灌溉。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于lora的智能灌溉控制电路系统。
6.这种基于lora的智能灌溉控制电路系统，包括lora通信模块、土壤湿度传感器、脉冲电磁阀、微控制器、电源模块、max485收发芯片和l293d电机驱动芯片；lora通信模块通过串口与微控制器连接；微控制器通过max485收发芯片与土壤湿度传感器连接；微控制器通过l293d电机驱动芯片与脉冲电磁阀连接；电源模块中输入电压通过电源芯片转换得到的输出电压，分别连接微控制器、lora通信模块、max485收发芯片或土壤温度传感器；微控制器通过三极管分别连接vcc3v3b开关和vcc5v电源模块使能管脚；终端节点通过lora通信模块与网关连接，网关与云服务器连接。
7.作为优选：lora通信模块的txd和rxd引脚分别连接微控制器串口的rxd和txd引脚。
8.作为优选：土壤湿度传感器的通信接口是rs
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485。
9.作为优选：微控制器配置有串口、控制引脚和swd调试接口。
10.作为优选：电源模块中输入电压通过电源芯片转换得到的输出电压分别为3.3v和5v，输出电压3.3v分别连接微控制器、lora通信模块和max485收发芯片，输出电压5v连接土壤温度传感器。
11.作为优选：输出电压3.3v和输出电压5v处分别串接一个二极管。
12.本实用新型的有益效果是：本电路系统针对农业灌溉系统实际需求，对电路进行了集成设计创新，采用新兴低功耗广域网中lora无线通信技术，设计并实现了灌溉系统；选用脉冲电磁阀和l293d电机驱动芯片，较好降低了电能消耗；对电源模块进行了创新设计，通过微控制器利用三极管分别控制vcc3v3b开关和vcc5v电源模块使能管脚，待机时关闭vcc3v3b和5v电源，达到降低功耗，延长电池寿命的目的。因此，该系统具有通信距离远、功耗低、抗干扰性强、高性价比等优点。
附图说明
13.图1为总体设计框图；
14.图2为lora模块与微控制器通信电路图；
15.图3为微控制器与传感器的通信电路图；
16.图4为脉冲电磁阀控制电路图；
17.图5为微控制器电路图；
18.图6为电源电路图；
19.图7为电源控制电路图。
具体实施方式
20.下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
21.本实用新型专利对电路进行了集成设计创新：如图4所示，本系统选用脉冲电磁阀和l293d电机驱动芯片，较好降低了电能消耗。同时创新设计了电源电路，如图6和图7所示，通过单片机(微控制器)利用三极管分别控制vcc3v3b开关和vcc5v电源模块使能管脚，待机时关闭vcc3v3b(lora模块、max485接口模块)和5v电源，达到降低功耗，延长电池寿命的目的。
22.作为一种实施例，本实用新型提供一种基于lora的智能灌溉控制电路系统，本电路系统是以stm32f103rct6单片机为控制核心，包括lora模块与微控制器通信电路、微控制器与传感器的通信电路、电源控制电路、脉冲电磁阀控制电路、微控制器电路、电源电路等。
23.如图1所示，所述基于lora的智能灌溉控制电路系统，包括lora通信模块、土壤湿度监测模块、电磁阀控制模块、微控制器及为系统各部分供电的电源管理模块。终端节点土壤湿度传感器采集土壤湿度，利用脉冲电磁阀控制灌溉。终端节点通过lora通信模块与网关进行数据及指令交互。网关与节点信息交互，同时与云服务器交互，用户能及时获得各节点的土壤湿度，及时控制灌溉。
24.如图2所示，lora通信模块通过串口与微控制器通信，可以采用透明传输模式和定点传输模式通信。该模块对数据加密与压缩，采用安全加解密算法，保证数据传输的安全性。e32
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ttl
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1w模块采用串口与微控制器通信，模块的txd和rxd引脚分别连接微控制器串口的rxd和txd引脚。
25.如图3所示，系统使用了ms10土壤湿度传感器监测土壤湿度。该传感器测量精度高、响应快、互换性好、密封性好、耐腐蚀，完全防水。ms10土壤湿度传感器的通信接口是rs
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485。微控制器采用max485收发芯片，通过ttl电平与rs
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485电平的转换，然后与传感器进行通信。max485是半双工的rs
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485电平转换芯片，发送与接收数据不能同时进行。发送数据时将引脚de置为高电平，接收数据时将引脚de置为低电平，同时将引脚re置为高电平，因此可以采用单个微控制器输出口控制max485的收发模式。ms10土壤湿度传感器的通信协议为modbus，modbus协议是主从式协议，主机先向从机发送指令，然后从机根据指令对主机进行相应的响应。
26.如图4所示，传统的电磁阀采用电平进行控制，向电磁阀提供一定的电压，这样才能启动电磁阀，因此，电磁阀在灌溉时需要消耗较多电能来维持其启动状态。本系统选用脉冲式电磁阀，向电磁阀提供正脉冲后启动电磁阀，提供负脉冲后关闭电磁阀，启动或关闭后无需持续向电磁阀供电，从而节约了电能。系统采用的脉冲电磁阀控制脉冲电压为9v。微控制器输出的3.3v电压需要电压转换电路转换至9v，再来控制脉冲电磁阀的开启与关断。系统采用l293d来转换微控制器输出电压。l293d是一款单片集成的高电压、高电流、4通道电机驱动芯片。当使能端输入为高电平时，输出与输入处于同相状态；当使能端输入为低电平时，输出处于高阻态。
27.如图5所示，节点中的lora通信模块、土壤湿度监测模块均采用串口与微控制器通信，因此节点中的微控制器至少需要3个串口，提供足够输入/输出口控制各模块。stm32f103c8t6是高性能、低成本、低功耗的基于arm cortex
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m3内核设计的32位单片机，具有64kb的片内flash存储、64kb的片内sram运行内存，片上带有3个独立的串口及37个通用io引脚，满足节点设计的需求。stm32f103c8t6的最小系统原理图如图5所示。除配置与各模块通信所需串口及控制引脚外，系统还配置了swd调试接口，方便嵌入式软件的下载与调试。
28.如图6所示，7.4v电池输入，通过电源芯片转换得到3.3v和5v电压输出。3.3v为微控制器、lora通信模块、max485接口模块供电，5v为土壤温度传感器供电。为了防止农业人员工作时出现电源反接，导致烧坏设备的情况，本设计特别设计保护电路。一般来说，根据二极管的单向导电性，可以在电源的正极串接一个二极管，但是二极管有压降，就会产生额外的功耗，尤其是在电池供电的场合，锂电池本身是3.7v，二极管压降就达到0.6v。
29.如图7所示，电源控制电路通过单片机引脚控制lora通信模块、max485模块和土壤湿度传感器电源开关。本电源控制电路创新地通过单片机利用三极管分别控制vcc3v3b开关和vcc5v电源模块使能管脚，待机时关闭vcc3v3b(lora通信模块、max485接口模块)和5v电源，达到降低功耗，延长电池寿命的目的。