БЕСПРОВОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Беспроводное устройство для контроля влажности почвы относится к приборостроению, в частности, к измерительной технике, предназначенной для дистанционного контроля влажности локальных земельных участков различного назначения в экологических, агротехнических и других целях.
Известно устройство для дистанционного контроля влажности и температуры почвы, включающее блок обработки данных, выполненный в виде главного контроллера с встроенным аналого-цифровым преобразователем, последовательно соединенные блок питания, контроллер питания, ключ, импульсный преобразователь и линейный преобразователь, выход которого подключен к датчикам влажности, при этом выход импульсного преобразователя соединен с датчиком температуры, главным контроллером и передающим блоком, а выход главного контроллера подключен к управляющему входу контроллера питания (см. патент РФ №2 655 944, G01N 25/56 (2006.01), G01K 13/00 (2006.01) G01N 27/22 (2006.01), опубл. 30.05.2018, в бюл. №16).
Недостатком известного устройства является повышенное потребление энергии при работе передающего блока, а также жесткий алгоритм работы при чередовании режима передачи данных и дежурного режима. Последнее в ряде случаев также определяет повышенное энергопотребление, поскольку не всегда базовая станция нуждается в получении информации о влажности и температуры почвы на всех контролируемых участках.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является беспроводное устройство для контроля микроклимата почвы, содержащее корпус с установленным в нем датчиком влажности, подключенным через измерительно-передающую часть, состоящую из последовательно соединенных микроконтроллера и радиомодуля, к антенне и источником питания, подключенным к микроконтроллеру и радиомодулю (см. патент РФ №2 664 680, G01N 27/00 (2006.01), опубл. 21.08.2018 Бюл. №24).
Основным недостатком известного устройства является повышенное энергопотребление, обусловленное длительной работой радиомодуля и необходимостью поддержания радиосвязи с базовой станцией, которая может находиться на значительном удалении от места расположения контролируемого участка почвы. Повышенное потребление энергии сокращает продолжительность автономной работы устройства от источника питания, снижает удобство эксплуатации и повышает эксплуатационные затраты, обусловленные заменой или зарядкой химических накопителей энергии.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение энергопотребления беспроводного устройства для контроля влажности почвы, определяющее увеличение продолжительности его автономной работы и уменьшение эксплуатационных затрат, обусловленных заменой или зарядкой химических накопителей энергии.
Такой технический результат достигается тем, что беспроводное устройство для контроля влажности почвы, содержащее корпус с установленным в нем датчиком влажности, подключенным через измерительно-передающую часть, состоящую из последовательно соединенных микроконтроллера и радиомодуля, к антенне, и источником питания, подключенным к микроконтроллеру и радиомодулю, дополнительно снабжено приемной антенной, приемниками управляющих сигналов, эталонных сигналов, ответных сигналов и информации о влажности почвы от внешнего устройства, твердотельным накопителем, генератором эталонных сигналов и коммутатором, первый вход которого соединен с первым дополнительным выходом микроконтроллера, а второй вход - с выходом генератора эталонных сигналов, при этом приемная антенна подключена к входам приемников управляющих сигналов, эталонных сигналов, ответных сигналов и информации о влажности почвы от внешнего устройства, выход приемника управляющих сигналов подсоединен к первому дополнительному входу микроконтроллера, выход приемника эталонных сигналов - ко второму дополнительному входу микроконтроллера, выход приемника ответных сигналов - к третьему дополнительному входу микроконтроллера, выход приемника информации о влажности почвы от внешнего устройства - к четвертому дополнительному входу микроконтроллера, вход твердотельного накопителя информации подключен ко второму дополнительному выходу микроконтроллера, выход твердотельного накопителя информации - к пятому дополнительному входу микроконтроллера, выход коммутатора соединен с первым дополнительным входом радиомодуля, а источник питания подключен к приемникам управляющих сигналов, эталонных сигналов, ответных сигналов и информации о влажности почвы от внешнего устройства, коммутатору и к генератору эталонных сигналов.
Дополнение известного беспроводного устройства для контроля влажности почвы (далее - беспроводного устройства) новыми элементами с перечисленными взаимосвязями обусловлено следующими соображениями.
В соответствии с формулой Фрииса для осуществления передачи данных от беспроводного устройства для контроля влажности почвы на базовую станцию необходим резерв мощности, пропорциональный квадрату расстояния d между передатчиком и приемником, оснащенных антеннами круговой направленности и взаимодействующих с электромагнитными волнами одинаковой поляризации:
r
r
t
где P - минимально допустимая электрическая мощность сигнала, наводимого в приемной антенне, Вт; G и G - коэффициенты усиления приемной и передающей антенны соответственно; λ - длина волны, м.
При контроле влажности почвы в реальных условиях на поле обычно размещается несколько (иногда - большое количество) однотипных беспроводных устройств. При этом одни беспроводные устройства могут находиться на небольшом расстоянии от базовой станции, а другие - на значительном расстоянии. Соответственно, энергозатраты при передаче данных от удаленных беспроводных устройств окажутся значительно больше. Для снижения энергозатрат каждое беспроводное устройство целесообразно оснастить радиомодулем с передающей антенной и приемником с принимающей антенной. При этом передача информации от беспроводных устройств на базовую станцию осуществляется ступенчатым образом. Каждое беспроводное устройство (кроме первого) образующейся цепи одновременно выполняет функции приема и дальнейшей передачи информации. В таком случае потребляемая мощность будет определяться суммой мощностей, излучаемых передающими антеннами каждого участка цепи:
i
где i - номер участка цепи; b - длина i-го участка, м; n - количество участков.
При одинаковых длинах всех участков, общая длина линии связи составит величину d=bn, а суммарная мощность определится в соответствии с выражением:
r
t
r
-5
Для приемных и передающих антенн с круговой диаграммой направленности G=G=1. В результате подстановки в выражение (3) значений P=10 Вт; d=1000 м, λ=0,1 м и n=1 … 14 получим ряд значений мощностей, которые представлены в таблице.
Из данных таблицы видно, что при увеличении количества участков от 1 до 14 энергозатраты на передачу информации уменьшаются почти в десять раз.
При использовании ступенчатого принципа передачи добавляются энергозатраты на прием и преобразование информации, однако это не имеет решающего значения, поскольку затраты на прием радиосигнала обычно в 8 … 12 раз меньше затрат энергии на его передачу на то же расстояние.
Для еще большего снижения энергоемкости процесса в заявляемой полезной модели предлагается сократить объем передаваемой информации каждым беспроводным устройством за счет одновременной передачи на базовую станцию информации только от одного датчика влажности. При этом порядок и продолжительность подключения каждого беспроводного устройства определяется базовой станцией. В то же время траектория прохождения радиосигнала устанавливается автоматически, исходя из минимума энергозатрат. Все логические операции по выбору порядка и траектории передачи данных осуществляются беспроводными устройствами в зависимости от их расположения и их исправности.
На фиг. 1 представлена функциональная схема беспроводного устройства для контроля влажности почвы.
Беспроводное устройство для контроля влажности почвы состоит из корпуса 1, верхняя часть которого выполнена из диэлектрического материала. В нижней части корпуса 1 с возможностью контактирования с почвой размещен датчик 2 влажности. Датчик 2 влажности подключен через измерительно-передающую часть 3, состоящую из последовательно соединенных микроконтроллера 4 и радиомодуля 5, к антенне 6. Антенна 6 расположена в верхней части корпуса 1. При работе беспроводного устройства для контроля влажности почвы антенна 6 остается над поверхностью земли. В верхней части корпуса 1 установлена приемная антенна 7, соединенная с входами приемника 8 управляющих сигналов, приемника 9 эталонных сигналов, приемника 10 ответных сигналов и приемника 11 информации о влажности почвы от внешнего устройства.
Выход приемника 8 управляющих сигналов подсоединен к первому дополнительному входу микроконтроллера 4, выход приемника 9 эталонных сигналов - ко второму дополнительному входу микроконтроллера 4 и выход приемника 10 ответных сигналов - к третьему дополнительному входу микроконтроллера 4, выход приемника 11 информации о влажности от внешнего устройства - к четвертому дополнительному выходу микроконтроллера 4.
Ко второму дополнительному выходу микроконтроллера 4 подключен вход твердотельного накопителя 12. Выход твердотельного накопителя 12 соединен с пятым дополнительным входом микроконтроллера 4. Первый дополнительный выход микроконтроллера 4 подсоединен к первому входу коммутатора 13. Ко второму входу коммутатора 13 подключен выход генератора 14 эталонных сигналов, а к выходу коммутатора 13 - первый дополнительный вход радиомодуля 5. Внутри корпуса 1 беспроводного устройства для контроля влажности почвы установлен источник 15 питания, соединенный с микроконтроллером 4, радиомодулем 5, приемником 8 управляющих сигналов, приемником 9 эталонных сигналов, приемником 10 ответных сигналов, приемником 11 информации о влажности почвы от внешнего устройства, коммутатору 13 и генератору эталонных сигналов 14.
Выход твердотельного накопителя 12 соединен с пятым дополнительным входом микроконтроллера 4. Первый дополнительный выход микроконтроллера 4 подсоединен к первому входу коммутатора 13. Ко второму входу коммутатора 13 подключен выход генератора 14 эталонных сигналов, а к выходу коммутатора 13 - первый дополнительный вход радиомодуля 5. Внутри корпуса 1 беспроводного устройства для контроля влажности почвы установлен источник 15 питания, соединенный с микроконтроллером 4, радиомодулем 5, приемником 8 управляющих сигналов, приемником 9 эталонных сигналов, приемником 10 ответных сигналов, приемником 11 информации о влажности почвы от внешнего устройства, коммутатору 13 и генератору эталонных сигналов 14.
Беспроводное устройство для контроля влажности почвы может работать в двух режимах: в режиме передачи информации о влажности почвы от содержащегося в нем датчика 2 влажности (Первый режим) и в режиме приема и дальнейшей передачи информации от датчика 2 влажности почвы внешнего (другого) аналогичного устройства (Второй режим).
Первый режим.
С помощью приемной антенны 7 и приемника 8 управляющих сигналов осуществляется прием команды от базовой станции (на фиг. 1 не показана), несущий информацию о номере беспроводного устройство, с которого требуется получить данные о влажности почвы. С выхода приемника 8 управляющих сигналов полученный и усиленный сигнал поступает на первый дополнительный вход микроконтроллера 4. В микроконтроллере 4 происходит идентификация беспроводного устройства и при совпадении полученного номера с номером беспроводного устройства микроконтроллер 4 приступает к обработке информации, поступающей в измерительно-передающую часть 3 от датчика влажности 2. Информация о влажности почвы со второго дополнительного выхода микроконтроллера 4 поступает на вход твердотельного накопителя 12, где она сохраняется без дополнительных затрат энергии до момента ее передачи на базовую станцию.
Генератор 14 эталонных сигналов вырабатывает электромагнитные сигналы (импульсы) строго определенной амплитуды. Эти импульсы с выхода генератора 14 эталонных сигналов поступают на второй вход коммутатора 13.
После получения, обработки и размещения в твердотельном накопителе 12 информации о влажности почвы, с первого дополнительного выхода микроконтроллера 4 на первый вход коммутатора 13 подается управляющая команда. В результате коммутатор 13 направляет поступившие на его второй вход эталонные сигналы на первый дополнительный вход радиомодуля 5.
Радиомодуль включается в работу и через антенну 6 излучает эталонные сигналы в эфир.
Эталонные сигналы воспринимаются находящимися на небольшом расстоянии от беспроводного устройства аналогичными беспроводными устройствами (внешними устройствами). Восприятие эталонных сигналов осуществляется с помощью приемной антенны 7 и приемника 9 эталонных сигналов. Полученный эталонный сигнал с выхода приемника 9 эталонных сигналов поступает на второй дополнительный вход микроконтроллера 4. Здесь производится количественная оценка амплитуды полученного сигнала. Информация об этой оценке в цифровом коде, а также идентификационный номер беспроводного устройства, принявшего эталонный сигнал, передается на вход радиомодуля 5. Далее сформированный сигнал, являясь ответным сигналом, попадает в антенну 6, а через нее распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.
Ответный сигнал принимается приемной антенной 7 и приемником 10 ответных сигналов первого беспроводного устройства и предается на третий дополнительный вход микроконтроллера 4. В микроконтроллере 4 производится сравнение между собой ответных сигналов, несущих информацию об оценке качества приема эталонного сигнала всеми другими аналогичными устройствами (внешними устройствами). По результатам сравнения микроконтроллер 4 выбирает устройство, условия связи с которым являются наилучшими, а соответствующие затраты энергии на передачу информации - наименьшими. Микроконтроллер 4, формирует разрешающую команду, которая преобразуется в радиосигнал в радиомодуле 5 и передается в эфир посредством антенны 6. Эта команда переводит беспроводное устройство (внешнее устройство) с наилучшими условиями связи в режим приема информации о влажности почвы, а все остальные беспроводные устройства переходят в дежурный режим.
После этого микроконтроллер 4 осуществляет извлечение информации о влажности почвы, содержащейся в твердотельном накопителе 12 через пятый дополнительный вход. Эта информация преобразуется в радиосигнал в радиомодуле 5 и передается на другое аналогичное устройство (внешнее устройство) антенной 6.
Во избежание бесконечного чередования операций приема и передачи информации между двумя находящимися вблизи друг от друга беспроводными устройствами, в момент передачи информации о влажности почвы радиомодулем 5 микроконтроллер 4 формирует запрещающую команду, предотвращающую повторное использование этого беспроводного устройства в режиме передачи данных до поступления новой команды от базовой станции.
На основе количественной оценки качества связи, получаемой от приемника 10 ответных сигналов, микроконтроллер 4 корректирует мощность, развиваемую радиомодулем 5. Для этого с выхода микроконтроллера 4 на вход радиомодуля 5 подается соответствующий управляющий сигнал. Мощность, излучаемая антенной 6 не должна превышать минимально допустимую для осуществления устойчивой связи более чем на 5 … 10%..
Таким образом, беспроводное устройство (внешнее устройство), принимающее информацию о влажности почвы с рассматриваемого беспроводного устройства, выполняет функции ретранслятора.
Второй режим.
В беспроводном устройстве прием информативного сигнала осуществляется посредством антенны 7 и приемника 11 информации о влажности почвы от внешнего устройства. Принятый сигнал с выхода приемника 11 информации о влажности почвы от внешнего устройства подается на четвертый дополнительный вход микроконтроллера 4. С выхода микроконтроллера 4 сформированный сигнал через радиомодуль 5 и антенну 6 распространяется к следующему устройству. Выявление беспроводного устройства, характеризующегося наилучшими условиями связи, осуществляется аналогично. Таким образом происходит передача информации к третьему четвертому и последующим устройствам до достижения базовой станции.
В случае выхода из строя одного или нескольких беспроводных устройств, траектория следования радиосигнала изменяется. При этом мощность радиосигнала, формируемого радиомодулем 5 и излучаемого антенной 6, будет увеличиваться.
Корпус 1 беспроводного устройства для контроля влажности почвы защищает находящиеся внутри него электронные технические средства от агрессивного воздействия внешней среды и в то же время допускает контакт датчика влажности с почвой за счет боковых прорезей в нижней части. Кроме того, корпус 1 не создает экранирующего эффекта для приема и передачи радиосигналов благодаря использованию диэлектрических материалов в области размещения антенны 6 и приемной антенны 7.
Таким образом, заявляемая полезная модель имеет следующие преимущества перед прототипом:
1. Беспроводное устройство для контроля влажности почвы располагает повышенным ресурсом автономной работы за счет снижения потребления энергии. Это снижение обусловлено тем, что в каждый момент времени на базовую станцию передается информация только от одного датчика влажности. Выбор контролируемого участка, а также продолжительность подключения каждого беспроводного устройства определяется на основе агротехнических требований и задается базовой станцией. Снижению энергоемкости процесса передачи информации от беспроводного устройства к базовой станции сопутствует многозвенное транслирование сигнала между однотипными устройствами. При этом устройство, расположенное на контролируемом участке, работает в режиме передачи, а все остальные устройства - в режиме приема и передачи. В то же время беспроводные устройства, не задействованные в транслировании информации, находятся в дежурном режиме. Выбор оптимальной траектории передачи сигнала осуществляется в соответствии с описанным алгоритмом без участия человека. Кроме того, дополнительное снижение энергозатрат достигается за счет автоматического снижения мощности, развиваемой радиомодулем 5, при близком взаимном расположении соседних беспроводных устройств или при наличии других благоприятных условий для осуществления связи. 2. При выходе из строя одного или нескольких беспроводных устройств передача информации о влажности почвы на базовую станцию не прекращается, поскольку при этом будет реализована другая траектория передачи сигналов. Полезная модель может быть использована например, для исследования процессов увлажнения или осушения растительных слоев грунта, для мониторинга текущего состояния почв, а также в системах автоматического управления орошением.