一種基于低功耗技術設計的環(huán)境監(jiān)測終端

楊雙國

（西安元智系統(tǒng)技術有限責任公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

在文物保護領域的環(huán)境監(jiān)測方面，由于需要對文物所處的環(huán)境進行評估，所以需要在文物所處環(huán)境放置環(huán)境監(jiān)測類產品，但由于這類產品電池續(xù)航時長等原因，需要人為更換電池、充電等操作，會對文物造成一定的影響，因此只有實現(xiàn)低功耗才能使環(huán)境監(jiān)測類產品的續(xù)航時間盡可能延長，減少其運維次數(shù)。目前市面上的環(huán)境監(jiān)測類產品在性能上也提出了低功耗的設計，但大多數(shù)低功耗產品只從傳感器方面做了考慮，僅對傳感器進行低功耗優(yōu)化，對其他器件并沒有進行低功耗處理，這使得環(huán)境監(jiān)測類產品仍不能達到整體低功耗的效果[1-5]。為此本文基于低功耗技術設計了一種主要用于博物館展柜內的微環(huán)境監(jiān)測以及古建本體監(jiān)測的環(huán)境監(jiān)測終端。

1 系統(tǒng)設計

1.1 整體組成

本文所述的基于低功耗技術設計的環(huán)境監(jiān)測終端，是一個系列產品，監(jiān)測的指標主要涉及溫濕度、光照度、紫外輻射、VOC、二氧化碳等，這些監(jiān)測終端主要包含CPU 以及分別與CPU 連接的電源、傳感器、LoRa 射頻單元、存儲器、看門狗、JTAG 接口、時鐘芯片（RTC），外殼上設置有充電口、電源開關、工作指示燈（LED）、USB 接口以及傳感器通氣孔等。本文以其中的紫外輻射、溫濕度二合一監(jiān)測終端為例進行說明，該設備中的傳感器之一為溫濕度傳感器，其包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上與14 位的A/D 轉換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接；監(jiān)測終端另外還包括一個與CPU 電連接且位于外殼上的紫外傳感器，其通過外殼設置有傳感器探測面，利用光敏元件將紫外線信號轉換為電信號，結合放大器、A/D 轉換構成測量系統(tǒng)。此監(jiān)測終端與傳統(tǒng)檢測方法相比，具有便攜、體積小、精度高、響應快、可連續(xù)測試等優(yōu)點，并且系統(tǒng)簡易、性價比高、測量速度快、可靠性高；CPU 的型號為MSP430F5438AIPZ，存儲器的型號為AT24CM01-SSHM-T，看門狗的型號為CAT823ZTDIGT3，USB 接口的型號為CP2104-F03-GM，這種低功耗的環(huán)境監(jiān)測終端集紫外線、溫濕度監(jiān)測為一體，具有體積小、攜帶方便、能耗低、待機時間長的特點，適用于對文物保存環(huán)境的長期在線實時監(jiān)測[6-8]。如圖1所示，圖中的傳感器模塊可以替換為光照度傳感器、紫外輻射傳感器、VOC 傳感器、二氧化碳傳感器等。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

1.2 運行機制

環(huán)境監(jiān)測終端使用時，先將電源開關打開，環(huán)境監(jiān)測終端即開機運行，傳感器進行各種環(huán)境數(shù)據(jù)采集，采集過程中CPU 和傳感器分時段進行采樣、休眠，使設備只在必要的情況下工作，降低產品的功耗；采集完成后，將數(shù)據(jù)反饋給CPU，CPU 經過分析處理通過LoRa 射頻單元將數(shù)據(jù)發(fā)送給網關，再由網關傳輸?shù)娇蛻舳耍ㄊ謾C、電腦等通信設備），LoRa 射頻單元通過調節(jié)合適的射頻功率，進一步實現(xiàn)低功耗，隨即完成工作過程。當設備網絡環(huán)境故障時，CPU 控制存儲器將數(shù)據(jù)進行存儲而不進行發(fā)送，以此來大大降低設備運行功耗；網絡恢復后，再將先前的數(shù)據(jù)同實時數(shù)據(jù)一并上傳，這樣避免了不斷搜網和重復發(fā)送，既保證了數(shù)據(jù)傳送，也降低了功耗[9-10]。有限狀態(tài)機如圖2所示。

圖2 有限狀態(tài)機

2 低功耗設計

2.1 CPU 最小系統(tǒng)設計

如圖3所示，CPU 最小系統(tǒng)供電方式有三種：

圖3 CPU 最小系統(tǒng)

（1）常供電：CC430 模塊、外部看門狗Watchdog、外部RTC 單元是常供電。CC430 模塊，通過外部RTC 作用，CC430 會自動地在空閑期和休眠期進入低功耗工作模式；外部看門狗單元，采用MAX6369 進行設計，節(jié)點工作異常沒有喂狗信號后，由硬件看門狗MAX6369 輸出復位信號強制單片機復位重新運行，或通過手動開關進行復位；外部RTC單元，采用PCF8563 進行設計，為CC430 模塊提供實時時鐘。

（2）獨立供電：USB 轉串口單元是USB 接口供電。USB 轉串口單元，采用FT232BL 進行設計，當本監(jiān)測終端通過USB 連接PC 機時，USB 接口向它提供標準的5 V 輸入。

（3）受控電源：其他外圍單元受控于控制信號，如圖3的右邊所示，當系統(tǒng)休眠時這些電路是斷電的，這樣做的優(yōu)點是可以有效地降低功耗。E2PROM 單元，采用AT24C08進行設計，主要存儲節(jié)點自身的相關信息，還有指示燈、射頻模塊、傳感器模塊都是根據(jù)有限狀態(tài)機適時向其供電。

2.2 傳感器設計

如圖4所示，傳感器模塊通過接口5 V 給調理電路供電，本例所選的紫外傳感器不需要供電。另一路Vbat 通過LDO降壓至3.3 V 供給ADC 電路。傳感器預熱1 s 后，開始采集數(shù)據(jù)，原始信號經調理電路處理后再經過A/D 轉換后輸出，送至傳感器模塊接口。傳感器模塊的工作周期是可調的，一般設置30 min，其中傳感器預熱和射頻收發(fā)功耗大些，但其時間占比合起來不到2 s，其余29 分鐘58 秒基本都在休眠，這樣可以大幅降低功耗。

圖4 傳感器電路設計

2.3 射頻設計

射頻通信電路采用了兩組電源供電：一組是3.3 V 電源，給射頻模塊自身的CPU 供電；另一組是5 V 電源，給射頻模塊的運放電路供電。射頻模塊的運放電路是增加射頻模塊的發(fā)射功率，其功耗遠大于射頻模塊自身的CPU，因此，射頻模塊采取的低功耗測量是給射頻模塊自身的CPU 常供電，射頻運放電路的供電則根據(jù)監(jiān)測終端的周期進行調整，需要射頻收發(fā)時才將其打開，一般持續(xù)時間不超過1 s。

2.4 功耗計算

本系統(tǒng)的功耗是關鍵技術指標，本示例的紫外、溫濕度二合一監(jiān)測終端的功耗采用微功耗分析儀測試，結果如圖5所示，圖中尖峰就是搜網時的一次發(fā)送。

圖5 微功耗分析儀測試波形

功耗計算如下：

（1）可充電電池（單節(jié)18 650 鋰電池）容量：4.2 V/3 400 mAH，假定效率為80%。

（2）工作周期：30 min（1 800 s），工作周期=工作時間+休眠時間；工作時間（數(shù)據(jù)采集及收發(fā)）為2 s（含預熱時間），休眠時間為1 798 s。

（3）工作電流最大：80 mA；休眠電流最大：13 μA（0.013 mA）。

（4）整機平均電流=（工作電流×工作時間+睡眠電流×休眠時間）/1 800 s ≈0.10 mA。

（5）監(jiān)測終端長期工作時間估算：T=（3 400 mAh×80%）/（0.10 mA×24 h）≈1 133天，大于3年。

3 結 語

本文設計的低功耗監(jiān)測終端，從整體上對功耗進行了優(yōu)化，包括常供電電路、借助外部供電和間歇性供電；同時對體積、重量方面也進行了優(yōu)化，使其采用單節(jié)鋰電池就可以工作3年時間，達到了預期的目的。該設計已在文物保存環(huán)境監(jiān)測和文物本體監(jiān)測中得到了廣泛的應用。