一種基于NB-IOT網(wǎng)絡(luò)低功耗環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

程長流，田倩

（杭州寶葉環(huán)境建設(shè)有限公司，浙江杭州，311100）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為智能化的核心，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、制造業(yè)等方面取得廣泛而深入的發(fā)展，隨著工業(yè)4.0的進一步的發(fā)展，人們步入了智能化時代，萬物互聯(lián)互通，一切感知單元像一個一個神經(jīng)元一樣接入物聯(lián)網(wǎng)，開啟了感知萬物，遠程操控及集群計算為特征的智能化時代。窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT（Narrow Band -Internet of Things）是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，它是因應(yīng)時代而生的新一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)，兼具接入容量大，超低功耗，接入成本低等優(yōu)點。基于NB-IOT技術(shù)構(gòu)建低功耗設(shè)備系統(tǒng)在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)2G網(wǎng)絡(luò)相比，具有高達1Gbps的峰值速率，意味著基于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備更多的連接數(shù)和單位設(shè)備容積率，功耗方面NB-IOT網(wǎng)絡(luò)提供了三種工作模式：DRX、eDRx和PSM，本方案選用工作在DRX模式。

1 方案設(shè)計

本文提出一種基于NB-IOT遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案，方案從系統(tǒng)級別上整體考慮，在電源的引入上拋棄傳統(tǒng)的交流供電方式，采用易于就地取材的太陽能電池板和鉛蓄電池的組合，實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化與存儲，再由轉(zhuǎn)換效率較高DCDC電源電路組成分布式的電壓拓撲結(jié)構(gòu)供給各功能單元電路，從能源的引入到數(shù)據(jù)采集處理，再到數(shù)據(jù)的間隔發(fā)送與休眠的配合，實現(xiàn)全過程的低功耗設(shè)計。

為了實現(xiàn)方案的低功耗、綠色環(huán)保的需求，系統(tǒng)終端節(jié)點采用STM32L100C6為主控制器，結(jié)合太陽能控制器、土壤溫濕度傳感器、土壤酸堿度傳感器以及電源分布控制MOS開關(guān)芯片AMP4953K采集數(shù)據(jù)，并通過NB-IOT模塊部件發(fā)送到服務(wù)端，實現(xiàn)設(shè)備長期低功耗運行，即使極端天氣情況下，連續(xù)的陰雨天氣時間長達一個月以上，系統(tǒng)利用鉛蓄電池的儲存的電能穩(wěn)定的工作，為此系統(tǒng)低功耗設(shè)計需要以下兩方面的要求：

(1)在硬件選型方面使用低功耗設(shè)計，MCU使用運行時更低工作電流的低功耗芯片以降低處理器自身耗能，對除主控器以外的電路在設(shè)備休眠期間切斷供電電源，降低待機功耗。加大使能控制電路的阻抗降低運行功耗。

(2)軟件方面的低功耗設(shè)計，利用主控器內(nèi)嵌RTC建立時鐘系統(tǒng)，每天定時從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為正常運行狀態(tài)，打開傳感器電源，采集土壤溫濕度、PH值等，通過NB-IOT模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束關(guān)閉除主控制器以外的所有外設(shè)電源，然后轉(zhuǎn)換為休眠狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集終端采用NB模塊SIM7020C、MCU芯片STM32L100C6構(gòu)成整個系統(tǒng)采集控制發(fā)送中心，通過工業(yè)RS485總線連接土壤溫濕度傳感器、土壤酸堿度傳感器以及噪聲傳感器，并通過MOS開關(guān)芯片電路對外部傳感器設(shè)備供電，方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 整體方案圖

2 低功耗硬件設(shè)計

2.1 供電電路設(shè)計

為了適配土壤溫濕度、PH值傳感器的電壓，選用12V鉛蓄電池作為電源輸入，作為MCU芯片和RS485接口電路則需要3.3V的電源供應(yīng)，在電源拓撲上采用直流電壓變換DCDC結(jié)合低壓差LDO電壓變換輸出，可以有效提高電源芯片的效率，降低不必要的熱功耗，實驗驗證電源的效率極大影響系統(tǒng)的功耗，特別是直流降壓BUCK開關(guān)芯片在低負載、空負載輸出時效率的提高。DCDC降壓型BUCK原理如2所示。

圖2 降壓型BUCK原理圖

在BUCK建立穩(wěn)態(tài)后，電感充放電的電流是相等的，Δt=T*D是充電的時間，T*(1-D)是放電的時間，即穩(wěn)態(tài)時：

T為開關(guān)周期，D為占空比，即是開關(guān)導(dǎo)通時間占整個周期的百分比。

根據(jù)BUCK降壓原理對電源系統(tǒng)低功耗設(shè)計有以下兩個方面值得注意的是：

（1）在低負載和空負載的情況下，電感值的大小對DCDC降壓芯片的效率較大的影響，斷開負載情況下測試，電源系統(tǒng)的靜態(tài)電流22mA，顯然效率太低不符合系統(tǒng)要求，通過測試調(diào)整BUCK電路的電感值不斷變大，靜態(tài)電流不斷降低，最終電感值為150μH，靜態(tài)電流為35μA，此后電感值增大，靜態(tài)電流穩(wěn)定不變。

（2）對降壓芯片的周邊電路元件的要求，選擇阻值的大的電阻，可以降低電源使能輸入電流，對降低整個電源系統(tǒng)的靜態(tài)電流有一定作用，電源使能腳電阻選擇在1MΩ。

2.2 主控制芯片

本方案低功耗設(shè)計不僅要求主控制器作為系統(tǒng)核心，能提供豐富的接口、高速的處理能力，而且要求主控器有極低靜態(tài)功耗和運行功耗，所以選擇ST公司的超低功耗系列芯片STM32L100C6作為主控制器，該控制器是意法半導(dǎo)體公司產(chǎn)品線中高性能32-bit Cortex?-M3核心的處理器，操作頻率高達32 MHz (33.3 DMIPS)，具有128K 字節(jié)flash空間，高達10K字節(jié)的內(nèi)存RAM空間，而且包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：兩個I2C接口、 兩個SPI接口、三個 USART接口和一個 USB接口，同時包含一個片上RTC時鐘和一組備份寄存器，使芯片在待機模式下（Standby mode）以極低功耗繼續(xù)計數(shù)，保持時鐘計時器的穩(wěn)定運行與喚醒。STM32L1系列最大優(yōu)勢兼顧性能的前提下功耗進一步降低，靜態(tài)功耗僅為0.3μA (no RTC) ，喚醒時間小于8μs。

在MCU核心電路設(shè)計方面，由于使用了片內(nèi)RTC單元，該單元需要外部接入32.768kHz晶振，對該部分電路謹(jǐn)慎選擇晶振以及起振電容，以免造成晶振不起振RTC時鐘失效的風(fēng)險。從以下兩方面注意：（1）晶振選用低負載高精度晶振。（2）晶振外接的匹配電容，由于PCB層數(shù)、材質(zhì)以及走線的影響，實際選用時12.5pF電容并不能穩(wěn)定工作，經(jīng)過測試匹配電容選擇5pF時，晶振電路能穩(wěn)定正常工作。

2.3 RS485總線接口設(shè)計

本設(shè)計選用SP3485作為RS485總線收發(fā)器控制器，工作在半雙工模式，收發(fā)切換控制通過一個簡單三級管電路實現(xiàn)自動收發(fā)控制，節(jié)省了IO接口資源也減少了軟件控制的難度。土壤溫濕度傳感器、土壤PH傳感器和噪聲傳感器等作為從設(shè)備掛接在總線上，通過設(shè)備地址響應(yīng)主設(shè)備數(shù)據(jù)請求。RS485接口電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 RS485接口電路

2.4 電源管理設(shè)計

本方案低功耗的要求系統(tǒng)對供電網(wǎng)絡(luò)進行分配與管理，根據(jù)不同功能的電路劃分，可以分為核心主控器模塊、無線網(wǎng)絡(luò)供電模塊、傳感器采集供電模塊以及RS485總線接口供電模塊，相應(yīng)的電源需求分別是+12V、+5V、+3.3V和+3.3VA，由+12V輸入電壓經(jīng)過降壓型DCDC芯片MP1591為核心及外圍阻容組成的電路變壓到+5V，+5V再經(jīng)過兩路低壓差LDO變換到為主控器模塊供電的+3.3V，以及為RS485總線接口模塊和無線網(wǎng)絡(luò)模塊供電的+3.3VA，其中+5V作為電壓轉(zhuǎn)換的中間件不提供輸出使用，這樣設(shè)計可以避免由+12V電壓直接變換到+3.3V的電源效率降低，而造成熱功耗的增加；另一方面，開關(guān)直流電壓變換再結(jié)合低壓差LDO的方式，為控制器模塊和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊提供了低噪聲電源，增加硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路

硬件系統(tǒng)上電初始時，傳感器模塊和+3.3VA的電源在使能為低狀態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)中唯一的+3.3V電源為主控制器模塊供電，主控制器模塊完成初始化后，首先通過一個簡單二極管電路打開網(wǎng)絡(luò)模塊和RS485總線模塊的供電LDO使能端，然后初始化網(wǎng)絡(luò)模塊，最后打開MOS開關(guān)電路，經(jīng)過一段時間的延時等待傳感器模塊的電源穩(wěn)定后，主控制器模塊通過485總線發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令并填充協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中上傳到云平臺服務(wù)器，完成上述操作后，依次關(guān)閉傳感器和網(wǎng)絡(luò)模塊的電源并進入休眠狀態(tài)，此時主控制器模塊的功耗即是整個系統(tǒng)靜態(tài)功耗，在主控制器被定時鬧鐘喚醒后重復(fù)硬件系統(tǒng)上電初始化相同的電源時序，如此反復(fù)循環(huán)。電源管理流程圖如圖5所示。

圖5 電源管理流程圖

3 低功耗軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計，在軟件設(shè)計實現(xiàn)方面也兼顧功耗節(jié)約機制，軟件系統(tǒng)工作分為初始化、環(huán)境數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送以及低功耗處理程序。通過自定義的UDP協(xié)議，設(shè)備終端可以把采集到土壤溫濕度數(shù)據(jù)、PH值數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀發(fā)送到云平臺。

3.1 軟件設(shè)計實現(xiàn)

軟件設(shè)計上，采用模塊化設(shè)計，按照功能和程序執(zhí)行的順序，把整個軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)初始化模塊、IOT網(wǎng)絡(luò)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、協(xié)議填充發(fā)送模塊和低功耗處理模塊。初始化模塊完成單片機的時鐘配置、IO口配置和UART通信接口配置初始化操作，以及關(guān)閉空閑的部件的時鐘，對于空閑的IO口設(shè)置為浮空輸入，以節(jié)約系統(tǒng)能耗。初始化完成后，在程序流控制下完成IOT網(wǎng)絡(luò)初始化，首先打開 IOT網(wǎng)絡(luò)模塊的電源，然后通過串口發(fā)送AT命令，完成一系列網(wǎng)絡(luò)初始化設(shè)置，確認網(wǎng)絡(luò)粘接成功后，循環(huán)等待獲取模塊主動發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)時間，獲取的網(wǎng)絡(luò)時間寫入RTC寄存器，完成自動校時功能，同時寫入備份寄存器一個字節(jié)的標(biāo)記，記錄已完成時間校準(zhǔn)，下次開機喚醒將自動跳過校時程序，校時程序在系統(tǒng)喚醒中起到重要的作用，也是和后臺服務(wù)器同步的基礎(chǔ)。

IOT網(wǎng)絡(luò)初始化后，程序控制打開傳感器電源，等待電源穩(wěn)定后，開始采集傳感器數(shù)據(jù)，傳感器通道采樣周期為1s，采樣間隔為100ms，采集的數(shù)據(jù)采用平均濾波法處理。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，程序讀取RTC的當(dāng)前的時間與采集處理后的數(shù)據(jù)以及設(shè)備ID填充到協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，然后通過AT命令控制數(shù)據(jù)包發(fā)送到云平臺的服務(wù)器。低功耗處理模塊主要完成關(guān)閉除主控制器供電模塊以外的功能模塊的電源，控制單片機進入待機模式，此模式下整個系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，等待設(shè)定的定時時間后自動喚醒進入采集發(fā)送狀態(tài)，軟件設(shè)計實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計實現(xiàn)流程圖

3.2 定時器喚醒

低功耗設(shè)計中，通常由特定喚醒源控制流程，從而喚醒系統(tǒng)完成指定的操作，可以從方式上分為外部喚醒與定時喚醒，外部喚醒與單片機的特性相關(guān)，設(shè)定某一管腳輸入為觸發(fā)源喚醒芯片切換工作模式；嵌入式系統(tǒng)一般工作在無人照管的區(qū)域，多采用定時喚醒來切換系統(tǒng)工作狀態(tài)，在達到系統(tǒng)設(shè)置的時間后時鐘定時器觸發(fā)中斷跳出休眠狀態(tài)，進入正常的運行工作狀態(tài)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)校時與秒計數(shù)備份

在軟件設(shè)計中，數(shù)據(jù)包中時間戳尤為關(guān)鍵不但記錄數(shù)據(jù)發(fā)送的時刻，還為硬件系統(tǒng)的鬧鐘定時喚醒提供基準(zhǔn)。本設(shè)計中利用了IOT通信模塊開機主動發(fā)送網(wǎng)絡(luò)時間的特性，在模塊開機后軟件循環(huán)檢測收到網(wǎng)絡(luò)時間并與寫入RTC記錄中完成時間校準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上可以設(shè)置設(shè)備每次數(shù)據(jù)發(fā)送時刻與每天數(shù)據(jù)上報的頻次。

系統(tǒng)中主控制STM32內(nèi)部有三種復(fù)位方式，分別是系統(tǒng)復(fù)位、上電復(fù)位、備份區(qū)域復(fù)位。無論哪一種復(fù)位模式，主控器電源被切斷情況下，只要保持VBAT供電，備份寄存器數(shù)據(jù)都不會被清除，所以可以利用備份寄存器保存應(yīng)用程序數(shù)據(jù)與RTC校準(zhǔn)，復(fù)位后，對備份寄存器和RTC的訪問被禁止，以防止可能存在的意外地寫操作。通過使能對備份寄存器的控制位恢復(fù)RTC的訪問，首先，設(shè)置寄存器RCC_APB1ENR的PWREN和BKPEN位來打開電源和后備接口的時鐘，然后，電源控制寄存器(PWR_CR)的DBP位來使能對后備寄存器和RTC的訪問，系統(tǒng)在休眠模式下，備份寄存器在RTC時鐘作用下，對時鐘秒計數(shù)累加，保證了喚醒時的時間的連續(xù)性，這是系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。

3.4 數(shù)據(jù)采集與協(xié)議傳輸

本方案系統(tǒng)中，使用可擴展的工業(yè)總線即RS485總線接口采集數(shù)據(jù)，采用主從結(jié)構(gòu)訪問總線上各個傳感器節(jié)點，為防止采集到無效數(shù)據(jù)，在程序完成初始化之后首先打開傳感器電源，這樣等其他操作完成傳感器早已進入了穩(wěn)定工作狀態(tài)，然后再采用平均濾波算法對傳感器數(shù)據(jù)進行處理，在1s內(nèi)完成所有的傳感器的輪詢多次采集與處理，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的精確度與實時性。

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與服務(wù)器之間多采用TCP/IP協(xié)議，綜合考慮功耗、接入方便性等，本方案的硬件系統(tǒng)與服務(wù)器平臺采用UDP協(xié)議通信，協(xié)議采用字符串格式，具體包含協(xié)議頭（$）、設(shè)備ID、數(shù)據(jù)發(fā)送時間、傳感器數(shù)據(jù)字符串集、除協(xié)議頭以外的字符串校驗和。考慮到UDP是非握手性質(zhì)的協(xié)議，采用相同數(shù)據(jù)傳輸3次重復(fù)發(fā)送的方式避免單次傳輸可能丟包的風(fēng)險，經(jīng)驗證后臺數(shù)據(jù)穩(wěn)定接收完整較好。

4 驗證與實驗

系統(tǒng)部件包括太陽能板和控制器連接安裝完畢，實驗實物圖如7所示，實驗條件是無光照情況下，采用高精度數(shù)字萬用表VC9801A+，該儀表串接在系統(tǒng)電源輸入端，顯示記錄系統(tǒng)實時的電流值。為了清晰地觀察系統(tǒng)整體功耗，設(shè)計了如下實驗，在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，采集終端設(shè)備每30秒上傳一次數(shù)據(jù)，記錄11個周期的電流值，功耗分布如圖8所示。綜合實驗數(shù)據(jù)可知采集終端設(shè)備上傳數(shù)據(jù)時最大工作電流85mA，休眠狀態(tài)下的電流為10mA。

圖7 實驗實物圖

圖8 功耗分布圖

在無光照情況下實驗是在模擬連續(xù)陰天情況下功耗大小，主要分析思路如下：首先，選取一個數(shù)據(jù)上傳周期根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出正常工作期間的平均電流和功耗，然后，計算出實際的使用情況下一天的功耗大小。具體步驟：（1）選取圖7的第5周期，可知一個數(shù)據(jù)上傳周期的時間為30s，休眠的時間為20s，正常工作時間里初始化系統(tǒng)時間為5s，電流大小為24mA，數(shù)據(jù)發(fā)送占用時間為5s，電流大小為85mA可以計算出正常工作平均電流為54.5mA，一次數(shù)據(jù)發(fā)送的功耗為0.15mAH。（2）硬件采集終端實際使用時一天發(fā)送兩次數(shù)據(jù)，上午下午各發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)的功耗為0.3mAH，設(shè)備休眠時間為23小時59分40秒，休眠期的功耗為239.9mAH，一天的總功耗為240.2mAH。

鉛蓄電池選擇12V 9000mAH的規(guī)格，設(shè)備采集終端數(shù)據(jù)上傳頻次設(shè)置為一天兩次，蓄電池放電截止電壓為10.16V，可以算出系統(tǒng)在連續(xù)陰天狀態(tài)下，沒有電量補充的情況下可以連續(xù)工作37.5天（9000/239.9）以上。采用的18V/10W的太陽能板，實際的發(fā)電功率約為8W左右，實際測出充電電流為0.45A，在陽光充足情況下20個小時即可充滿蓄電池。

5 結(jié)語

本方案設(shè)計實現(xiàn)了低功耗清潔能源供電的環(huán)境采集系統(tǒng)，硬件上采取了降低靜態(tài)功耗的設(shè)計，特別是在電源設(shè)計與元件的參數(shù)選型上，提高了DCDC開關(guān)降壓芯片低負載和空負載情況下的轉(zhuǎn)換效率，降低供電系統(tǒng)的自身功耗；軟件設(shè)計上配合硬件電路，在休眠狀態(tài)關(guān)閉了傳感器和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊電源，并通過定時喚醒功能切換正常工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)低功耗下完成長期的環(huán)境監(jiān)測任務(wù)。