基于射频收发器和通信微控制器,打造未来智能农业的创新样本

2019年05月16日

据技术行业研究公司Gartner表示,物联网中每天增加的"事物"多达550万件。截止2020年,预计总数将达208亿。鉴于这种爆炸式增长,检查连接所有事物并在它们之间实现通信的互联网势在必行。然而,在这些设备之间建立可靠的无线连接是物联网的最大挑战之一。

 

通信系统的可靠性可以用两个关键元件的性能来定义:射频收发器和通信微控制器。本文以ADI公司打造的智能农业实践项目——番茄物联网为例,讨论基于ADI公司关键的射频收发器和通信微控制器,以及相关的软件解决方案,如何能够最大程度地提高系统级可靠性,以支持对数据质量和完整性以及洞察有极高要求的高影响力应用。

 

打造智能农业愿景的创新样本——番茄物联网


本文要谈论的主题是从ADI公司与新英格兰的番茄农场主合作开发相关技术开始,ADI公司利用其在检测、测量、转换方面的专业技术,以及对物联网生态系统的深入研究,构建了完整的从传感器到云端的解决方案,将让农场主能够在整个种植周期内做出更好的决策,最终改善番茄的品质,提高经济效益和环境成效。该系统是面向美国和欧洲农业市场的无线环境监控解决方案,它能有效提供及时可行的信息,让种植者能够更好地利用自然资源,并更好地预测作物生长周期。该项目也代表了ADI公司对智能农业的愿景。

 

该系统包括一组无线传感器节点,一台网关设备以及ADI Connect云平台,每个无线传感器节点都带有微控制器,即ADuCM3029超低功耗Cortex M3,以及ADF7030-1低功耗sub-GHz无线电,还有一套传感器,用于测量温度、湿度、环境光照和方向。系统每15分钟唤醒一次,收集传感器数据,将数据存储在本地,每天唤醒一次,将完整数据集传输到网关设备,通过这种方式,充分利用了ADuCM3029的超低休眠电流(750nA)以及无线电的超低休眠电流(10nA)。

 

该系统可以轻松部署在农场中,现场部署可采用电池供电,一次可工作10年以上,50个节点连接到单个网关,相互间距半英里,今天我带来了原型,这是在马萨诸塞农场上部署的早期原型,专用于西红柿种植,该系统的设计适用于任何作物,我们可以看到它显著改进了西红柿种植。

 

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工程师在农田现场进行番茄物联网的监测测试

 

这个原型使用低功耗蓝牙技术连接到一部充当网关设备的iPad,收集一套传感器数据每隔30秒就将这些数据传送至iPad,这部iPad连接到互联网,并将数据传输到ADI Connect云平台。在屏幕上我们可以看到结果,屏幕左侧显示原始数据,屏幕右侧显示计算的合成结果,特别是蒸气压差,它代表非常潮湿、完全饱和的空气,与作物周边实际空气之间的区别

随着蒸气压差减小,空气变得更加潮湿,如果蒸气压差太低,植物的叶子可能腐烂,这会对植物健康构成威胁,生长度日是代表植物成熟程度的合成值,帮助种植者了解何时可以收割作物

 

硬件平台剖析:射频收发器和通信处理器


50多年来,ADI公司一直致力于设计鲁棒的解决方案来应对这些挑战。工业物联网的超稳健系统要求并不算新的挑战。超低功耗、sub-GHz ISM频段无线电器件ADF7030-1旨在提供可实现最稳定通信链路的性能级别和功能特性。

 

ADF7030-1是ADI公司两年前推出的一款低功耗、高性能的无线电收发器,适合电池供电应用。就接收器非常关键的灵敏度性能而言,ADF7030-1在业界具有非常突出的性能表现,在很多情况下,ADF7030-1能够接收低于其他无线电器件可接收功率3 dB的无线电信号。这意味着,即使信号的强度低于其竞争产品可接收功率的一半,该器件仍可接收到该信号。

 

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基于ADuCM3029和ADF7030-1的低功耗sub-GHz无线电的无线传感器节点

 

对于像智慧农业等很多基于电池供电的物联网节点应用,更低的功耗能延长电池使用寿命从而大大节省维护成本。ADF7030-1提供了低功耗模式,智能唤醒功能可以实现很低的整体功耗。在进入低功耗休眠模式,在保留存储器数据的情况下,功耗仅为10 nA。此外,由于能够实现更加可靠的无线连接,减少重试次数和数据包丢失,ADF7030-1的高性能还能进一步延长电池寿命。

 

新型ADF7030-1 sub-GHz集成式无线电收发器支持窄带和宽带通信,在sub-GHz ISM频段内工作,数据速率在0.1 kbps至300 kbps之间,使用2GFSK调制。该无线电收发器还支持无线M-Bus (WMBUS)协议和基于IEEE 802.15.4g的协议。新型收发器提供出色的接收机灵敏度,最大程度地增加链路预算,支持更大范围小区,具有很高的抗干扰能力,还能提高系统可靠性。在整个工作温度范围内,采用ADF7030-1的设备的输出功率变化不超过0.2 dB(同类竞争产品相应的变化高达2 dB)。

 

ADF7030-1无线电收发器非常注重灵活性和易用性,采用片上ARM® Cortex®-M0无线电处理器,用于执行无线电控制和校准,其时序控制可以减少工程设计开发时间。高度可编程的数据包处理程序可以简化主机微处理器上的编程接口和代码开发,从而节省宝贵的时间。

 

ADuCM3029微控制器单元是一款集成电源管理的超低功耗微控制器系统,可用于处理、控制和连接。该MCU系统基于ARM Cortex-M3处理器,由数字外设、嵌入式SRAM和闪存、模拟子系统(提供时钟、复位和电源管理 功能)以及ADC子系统组成。此外,ADuCM3029具有闪存和ECC奇偶校验检查功能,可确保识别存储器损坏造成的错误并尽可能地纠正错误。另外,ADuCM3029还在休眠模式下配备电池监控功能。这确保可检测到电压的意外下降并提醒处理器可能存在恶意威胁或电源故障。然后,终端设备可采取相应的措施,提醒管理员或进入安全模式,以确保更广泛的系统不会被入侵。

 

本文总结


凭借ADuCM3029超低功耗处理器性能以及ADF7030-1低功耗sub-GHz无线电功能,ADI打造的这套系统在每15分钟唤醒一次收集传感器数据并存储在本地,每天唤醒一次将完整数据集传输到网关设备。通过这种方式充分利用了ADuCM3029的超低休眠电流(750nA)以及无线电的超低休眠电流(10nA),使得对于电池供电的类似传感器无线网络在确保无线信号采集性能的同时,有效大大降低系统功耗从而降低系统维护成本。

 

ADI公司开发的技术遍及物联网信号链的每个阶段,从检测和测量到解析和连接数据,无处不在。确保这个信号链中所产生信息的质量和完整性是这个“样版工程”以及任何类似无线传感器网络的核心设计原则,也是实现物联网真正潜力的基本要求。

来源:深圳市首质诚科技有限公司

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