一種低功耗無線溫濕度采集設備的設計?

陳嘉赫 侯鵬森

（1.成都理工大學核技術與自動化工程學院 成都 610000）（2.海軍航空大學岸防兵學院 煙臺 264001）

1 引言

很多特種設備對使用及存儲環境有嚴格的要求，而溫度和濕度是環境的主要參數［1］。傳統的溫濕度采集裝置多獨立使用，數據采集靈活性低。隨著傳感器技術、無線通信技術的廣泛應用，以無線方式進行傳輸的數據采集設備［2～3］，可以解決傳統有線溫濕度采集裝置的不足，增加設備的便捷性，極大地提高數據采集效率［4～6］。本文設計了一種基于藍牙通信技術的便攜式低功耗溫濕度采集設備，該設備內置溫度、濕度傳感器，由嵌入式控制芯片對環境中的溫濕度進行實時檢測和采集，并進行存儲，可廣泛地應用于船艙艙體、裝備存儲庫房、裝備貯運箱、島礁環境的溫濕度監測。

2 總體設計思路

環境參數采集設備用于監測裝備的使用環境、存儲環境的溫濕度［7～8］。在設計過程中，充分考慮設備的便捷性以及設備的使用環境，主要目的是構建一個低功耗、便捷、可在潮濕且鹽霧重的環境中使用的無線溫濕度采集設備。該設備能夠存儲、下載溫濕度歷史數據，解析和展示歷史溫濕度數據，并可修改環境參數的采集間隔和數據存儲長度等參數。

無線溫濕度環境參數采集設備采取MCU 加傳感器的架構，主要由MCU、傳感器單元、存儲單元、通信單元、電池以及殼體組成，設備總體結構框圖如圖1 所示。該設備主要基于單片機技術和藍牙通信技術，其工作原理是采用MCU 作為控制中樞，讀取傳感器數值，在MCU 內部進行換算獲得當前溫濕度物理量值，并依次存入存儲器。存儲器內部數據可以通過藍牙無線通信的方式，實時下載至環境數據采集移動終端；也可以通過USB有線連接與上位機進行通信，匯總下載歷史溫濕度數據。終端和上位機可以對溫濕度數據進行分析、處理和圖形化展示。

圖1 無線溫濕度環境參數采集設備總體結構框圖

為滿足低功耗需求，設備元器件選型時對工作電壓和器件功耗進行綜合考慮，且環境溫濕度數據采集頻率不高，進行軟硬件設計時考慮該設備不工作的情況下能夠處于休眠狀態，進一步降低設備耗能。

3 硬件電路設計

無線溫濕度環境參數采集設備的硬件主要由MCU、傳感器單元、存儲單元、通信單元、電池以及殼體組成。MCU 實現環境參數的數據處理，傳感器單元實現環境參數的采集，存儲單元實現環境參數的數據存儲，通信單元實現與環境數據采集終端進行有線或無線通訊，且能夠通過按鍵喚醒。電池為設備供電，可以手動開啟或者關斷電池供電輸入。無線溫濕度環境參數采集設備原理框圖如圖2所示。

圖2 無線溫濕度環境參數采集設備原理框圖

3.1 MCU最小系統

MCU 最小系統為控制主板和設備提供基礎的硬件環境，包括MCU 處理器、供電電路、時鐘和Debug 調試接口等［9］。無線溫濕度環境參數采集設備選用TI 公司的CC2640R2F 芯片作為主控MCU。CC2640R2F 含有一個32 位ARM Cortex-M3 內核，與處理器工作頻率同為48MHz，可滿足設備運算需求［10］。同時，CC2640R2F 芯片自身工作耗能低，具有多種低功耗模式可選、體積小、具有藍牙收發功能和較豐富的外設，滿足無線溫濕度環境參數采集設備的使用需求。其原理框圖如圖3所示。

圖3 MCU最小系統方框圖

3.2 傳感器

3.2.1 溫濕度傳感器

監測溫度范圍為-10℃～+50℃，精度±0.5℃，分辨率0.1℃；相對濕度為1～99%RH（25℃），精度±2%。根據設備的需求，選用SENSIRION 公司的溫濕度傳感器SHT45，該傳感器集成了溫度、濕度傳感器，且功耗較低［11］。當采集頻率為1Hz 時，工作電流僅需0.4uA；睡眠模式僅消耗80nA。溫濕度傳感器提供IIC 接口，與MCU 的IIC 接口進行數據交互。設計原理如圖4所示。

圖4 SHT45原理示意圖

3.2.2 壓力傳感器

壓力測量范圍為大氣壓力：0.1bar～3bar，±3mbar。壓力傳感器選用美國MEAS 集成壓力傳感器MS5541C，包括一個硅壓阻壓力傳感元件和一個模數轉換IC，防磁拋光不銹鋼圈與O型圈配合用于防水［12］。壓力傳感器將根據壓力和溫度變化產生的電壓變化轉換為16 位數字輸出，通過3 線SPI接口與外部微控器進行通訊。本次設計中的MCU只有兩個SPI 接口，與MS5541C 連接的SPI 接口通過GPIO接口模擬實現。

3.3 數據存儲

模塊需完成傳感器數據的存儲，數據存儲容量需求較小。MCU 有256k 的片內flash 和8kSRAM，片內flash 用于存儲嵌入式程序，不適用于存放溫濕度數據，因此本次設計在MCU外掛1片8Mbits的flash 用于存儲歷史溫濕度數據，可以循環寫入數據。外掛flash選用MX258035E，數據接口為SPI接口，通過MCU 提供的SPI 接口進行訪問，存儲單元原理設計如圖5所示。

圖5 外掛存儲flash工作原理示意圖

3.4 數據傳輸

無線溫濕度環境參數采集設備放置到各個監測點，對所處環境的溫濕度按一定的采樣周期進行采集并存儲，最終將各監測點的數據導出，進行匯總分析處理，因此需要提供數據導出方式。

該設備設計了兩種數據導出方式，一種是使用USB進行有線模式的數據下載，另一種為使用藍牙進行無線模式的數據傳輸。主控MCU 選用的CC2640R2F芯片集成了串口和藍牙傳輸功能，藍牙數據傳輸功能由處理器直接提供；USB通信通過串口轉換實現，選用CH340G 完成USB 轉串口，實現USB的數據傳輸功能。

3.5 供電設計

為滿足便攜性的設計要求，無線溫濕度環境參數采集設備采用定制化的可充電鋰電池進行供電。設備共有數據采集模式、數據下載模式和休眠模式等三種工作模式，以設備可連續工作一年所需電量進行設計，所選電池需滿足最大脈沖電流大于143mA，標稱容量大于1301mAh，額定電壓為3.3V。

4 系統軟件設計

無線溫濕度環境參數采集設備通過單片機與傳感器技術完成環境溫濕度數據的采集、存儲和傳輸等功能，并可在顯示屏上顯示溫濕度以及電池電量信息。程序主要完成溫濕度的采集、存儲、顯示等功能，同時監測并接收上位機指令、外部開關指令等，完成相應的配置工作。

環境溫濕度變化是緩慢的，不需要一直進行溫濕度的采集。無線溫濕度環境參數采集設備的工作模式設計有數據采集工作模式、數據下載工作模式和休眠模式共三種。設備大多時間處于休眠模式，以達到降低器件功耗的效果。由程序設置采樣周期，只在數據采集時刻、收到下載指令以及喚醒開關打開等事件發生時喚醒MCU，待處理事項處理完成后，再次進入休眠狀態。在數據采集工作過程中，設備采集的溫濕度數據依次存入flash 存滿指定存儲長度后，新的溫濕度數據從存儲空間起始位置依次存入。通過有線或者無線的方式接收到下載指令后，設備進入數據下載工作模式，監測儀自激活并按指令送出板載存儲的歷史溫濕度參數。

為進一步減少功耗，設備在進行數據采集時，無線傳輸單元處于休眠模式，僅傳感器單元、MCU單元處于工作模式；當前時刻溫濕度數據采集并存儲完畢后，除了MCU 必要的RTC 和核心單元工作外，傳感器單元、MCU等單元也進入休眠模式。

環境數據管理程序加載于MCU 的片內flash，設備上電即可運行。軟件工作流程如圖6所示。

圖6 軟件流程示意圖

5 系統測試

針對本次設計的便攜式無線溫濕度環境參數采集設備，進行應用試驗測試，將設備應用到裝備存儲倉庫內，應用該設備檢測環境中溫濕度變化，以驗證該設備的實際應用功能是否滿足設計需求。

試驗結果表明，該設備可以準確測量環境中的溫濕度，同時具備設置環境參數的采集間隔、存儲長度等參數的功能，可以通過有線方式設置參數和下載溫濕度歷史數據，并且具備通過藍牙通信技術或USB 有線連接進行溫濕度數據下載的功能。該設備操作簡單，具有良好的人機交互設計，使得系統的可用性得到大大提升。

6 結語

本文使用CC2640R2F、SHT45 及MS5541C 設計了一種低功耗的便攜式無線溫濕度環境采集設備，介紹了設備的硬件設計方法以及軟件設計框架，該設備具有無線通訊方式，功耗低、體積小、使用便捷，能夠實現對裝備使用環境和存儲環境溫濕度的測量，適用于裝備監測智能化發展需求。