基于物聯網的蓄電池系統低功耗數據采集裝置的設計

摘要：隨著物聯網（IoT）和智能設備的快速發展，圖像采集在遠程監控系統中變得越來越重要。然而，現有系統在高功耗與穩定電源供電之間存在矛盾。為解決該問題，文章提出一種基于ESP32S3主控芯片、ESP32NOW無線通信技術、TP4057充放電管理芯片和OV2640圖像傳感器的低功耗數據采集裝置。系統通過OV2640采集圖像數據，利用ESP32S3進行處理，并通過ESP32NOW實現無線數據傳輸。與此同時，TP4057負責蓄電池的充放電管理，確保系統能夠長期穩定運行。該方案特別適用于智能監控和環境監測等應用。

關鍵詞：ESP32S3；低功耗；數據采集；ESP32NOW；蓄電池管理；節能設計

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）15-0072-04

0引言

隨著物聯網設備在智能監控和環境監測中的廣泛應用，如何在無穩定外部電源條件下實現設備的連續穩定運行，成為當前面臨的重要問題。傳統圖像數據采集裝置通常依賴外部電源或需要頻繁更換電池，在一些偏遠地區或難以頻繁維護的應用場景中顯得不切實際。因此，如何在低功耗條件下實現高效的圖像數據采集與傳輸，并保障長時間穩定運行，已成為一項關鍵技術難題。

1系統目標

本系統的目標是設計一款低功耗的圖像數據采集裝置，系統集成了OV2640圖像傳感器、ESP32S3主控芯片、ESP32NOW無線通信技術以及TP4057電池管理芯片。具體內容包括：

設計基于ESP32S3的低功耗圖像采集方案，采用ESP32S3作為主控芯片，提供強大的計算和處理能力。使用OV2640圖像傳感器，支持圖像采集與壓縮，并通過深度睡眠模式顯著降低系統整體功耗；

設計基于ESP32NOW協議的低功耗無線數據傳輸，利用ESP32S3內置的ESP32NOW協議，實現低延遲、低功耗的無線數據傳輸。通過ESP32NOW協議點對點傳輸圖像數據，避免傳統Wi-Fi和藍牙帶來的高功耗，同時采用自適應傳輸速率，根據環境和數據大小自動調整傳輸功率，進一步優化能效；

設計基于TP4057的電池充放電管理，采用TP4057充電管理芯片，對鋰電池進行高效充電與保護。利用芯片集成的過充、過放、短路保護等功能，確保電池安全使用；

設計功耗優化策略，通過硬件與軟件協同優化，確保系統在低負載情況下進入深度睡眠模式。采用按需喚醒機制，圖像采集等模塊僅在必要時激活，最大化節能，保障系統長期穩定運行。

2相關技術與現狀

2.1物聯網（IoT）基本定義與應用

物聯網（IoT）是指通過互聯網將物理設備、傳感器和其他智能設備互聯，實現數據交換和遠程控制。物聯網設備通常具備感知、處理、通信等能力，能夠實時采集并傳輸數據。

在本系統中，物聯網技術用于數據采集和傳輸，實現系統對圖像數據的實時采集和發送。

2.2ESP32S3主控芯片及其特點

ESP32-S3搭載雙核處理器，主頻高達240MHz，內置512KBSRAM，具有豐富的通信接口和多種低功耗模式，支持Wi-Fi和藍牙等無線通信[1]，非常適用于物聯網設備。

在本系統中，ESP32S3負責處理傳感器數據、執行圖像采集與圖像數據傳輸，并通過低功耗模式延長設備使用時間。

2.3ESP32NOW無線通信技術對點無線通信技術ESP32NOW是。ESP該技術不依賴32系列芯片的一項低功耗Wi-Fi路由器支持設備之間的直接數據傳輸，特別適合低功耗、短距離通信應用。在本系統中，ESP32NOW用于圖像數據傳輸，確保低功耗且高效的無線通信。

2.4TP4057電池管理芯片

TP4057用于鋰電池充電管理[2]，具備過充和溫度保護功能，適合低功耗物聯網設備的電池管理。通過TP4057，系統實現對蓄電池的高效且安全管理，確保設備長時間穩定運行。

在本系統中，TP4057負責管理設備的電池充電過程，保證電池長期穩定運行，同時防止過充或過放導致電池損壞。

2.5OV2640圖像傳感器

OV2640是一款具有200萬像素的低功耗高性能CMOS圖像傳感器[3-5]，支持JPEG格式壓縮，能夠直接將圖像數據通過I/O接口傳輸至處理器。OV2640非常適用于物聯網應用中的圖像采集，尤其適合低功耗運行環境。

在本系統中，OV2640用于捕捉圖像數據，并通過壓縮后數據實現高效傳輸。

3系統設計方案

3.1系統架構

系統包括五個主要模塊：圖像數據采集模塊、具有無線通信功能的主控模塊、電源管理模塊、蓄電池和RTC模塊，系統架構如圖1所示。

3.1.1主控模塊（ESP32S3）功能

圖像數據處理：ESP32S3負責接收OV2640圖像傳感器傳輸的圖像數據并進行處理。處理后的數據通過ESP32NOW協議與其他設備實現點對點數據傳輸。

功耗管理：主控模塊等待RTC模塊的中斷信號，喚醒后執行圖像采集和數據發送流程。數據發送完成后，主控模塊進入深度休眠模式以減少能耗。與其他模塊的關系如下：通過I/O接口與OV2640連接，接收圖像數據；通過ESP32NOW協議與其他設備通信；通過IIC接口與PCF8563RTC模塊通信，等待中斷信號觸發喚醒；通過TP4057電源管理模塊獲取電源。

3.1.2ESP32NOW協議

功能：ESP32NOW是ESP32系列芯片的低功耗通信協議，支持設備間點對點數據傳輸。相比Wi-Fi，ESP32NOW通信功耗更低，有助于延長系統電池續航。

與其他模塊的關系如下，ESP32S3主控模塊通過ESP32NOW協議發送圖像數據至目標設備，減少對Wi-Fi網絡的依賴；與主控模塊協同工作，實現設備間通信與數據傳輸。

3.1.3圖像數據采集模塊（OV2640）

功能：OV2640為圖像傳感器，用于采集目標物體圖像數據，并通過I/O接口傳輸至主控模塊（ESP32S3）進行處理。OV2640具有較高圖像采集精度，為后續數據傳輸和處理提供高質量圖像數據。

與其他模塊的關系：通過I/O接口與主控模塊連接，將圖像數據傳輸至主控模塊進行處理。

3.1.4RTC模塊（PCF8563）

功能：PCF8563為低功耗實時時鐘芯片，提供精準時間信息（年、月、日、時、分、秒等），支持定時和鬧鐘功能，能向主控模塊發送中斷信號。由此實現精確控制主控模塊喚醒和執行圖像采集任務。

與其他模塊的關系：通過IIC接口與主控模塊通信，提供時間信息并在定時器觸發時發送中斷信號喚醒主控模塊。

3.1.5電源管理模塊（TP4057）

功能：TP4057是專為鋰離子電池設計的充電芯片，負責為電池提供恒流/恒壓充電。充電電流由外部電阻設置，最大充電電流為500mA。TP4057具備充電狀態指示和電池充滿指示功能，確保電池充電過程穩定安全。

與其他模塊的關系如下，為主控模塊及其他模塊提供電源；充電時監控電池電量，確保電池在安全溫度范圍內充電，避免過熱等問題。

3.1.6蓄電池

功能：蓄電池儲存電能，為系統提供長時間電力供應，特別是在移動設備中保證系統持續運行。

與其他模塊的關系：為主控模塊（ESP32S3）、RTC模塊（PCF8563）、圖像采集模塊（OV2640）提供穩定電源，確保其正常工作。

系統模塊之間的協同工作流程如下。

RTC中斷：當設定定時器觸發時，PCF8563向主控模塊發送中斷信號；

圖像采集：主控模塊喚醒后執行圖像采集與數據發送，OV2640采集圖像數據后通過I/O接口傳輸至ESP32S3；

數據傳輸：ESP32S3通過ESP32NOW協議將處理后的圖像數據發送至目標設備；

深度休眠：數據發送完成后，主控模塊進入深度睡眠模式以降低功耗；

電源管理：TP4057為系統提供穩定電力供應，并對蓄電池進行充電，確保系統長期運行。

3.2硬件設計

數據采集模塊：采用OV2640圖像傳感器采集圖像數據，通過配置ESP32S3的I/O接口與傳感器通信。在I/O引腳處配備濾波電容和限流電阻。主控模塊控制8號引腳為高電平，使傳感器進入低功耗工作模式，從而降低OV2640模塊功耗。3號與5號引腳為IIC接口，通過4.7kΩ上拉電阻，將IIC接口電壓提升至3.3V，以防止通信異常。原理圖如圖2所示：

主控模塊（ESP32S3）：ESP32S3負責接收圖像數據，并通過ESP32NOW無線通信協議進行傳輸。為了進一步降低功耗，ESP32S3芯片在完成數據采集程序后將進入深度睡眠模式。原理圖如圖3所示：

電源管理模塊（TP4057）：TP4057芯片負責管理電池的充放電，確保系統長時間穩定運行。當5V電源接入VCC端時，TP4057開始對電池充電。若電池電壓低于2.9V，充電器以小電流進行預充電；當電池電壓超過2.9V時，充電器采用恒流模式充電，充電電流由PROG端與GND端之間的電阻決定。當電池電壓接近4.2V時，充電電流逐漸減小，TP4057進入恒壓充電模式。充電電流減至結束閾值時，充電周期結束。電池狀態指示輸出：充電時，1號引腳LED點亮；

非充電狀態時，1號引腳LED熄滅；充電完成后，5號引腳LED點亮；非充電完成狀態時，5號引腳LED熄滅。當未安裝電池時，1號引腳LED閃爍提示。電池電壓達到浮充電壓，充電循環終止后，TP4057立即監控BAT端電壓；當BAT端電壓低于4.1V時，充電循環重新開始。該機制確保電池維持在接近滿電狀態，避免頻繁啟動周期性充電循環。

如圖4所示原理圖中，R1、R2電阻用于主控模塊12位精度ADC進行電池電壓采樣。當采集到電池電壓過低時，系統及時關機，避免電池損壞。

RTC模塊（PCF8563）：PCF8563芯片通過5、6引腳的IIC接口與主控模塊通信，主控模塊可通過該接口配置定時時間等參數。1、2引腳連接外置32.768kHz晶振，以提高時間精度。RTC模塊支持定時中斷功能，通過3號引腳輸出中斷信號。系統進入休眠模式后，PCF8563持續跟蹤時間，只有在設定時間到達時觸發中斷，喚醒主控模塊。

該高效喚醒機制保證系統長時間低功耗運行，同時在關鍵時刻執行任務。通過精準的定時中斷，主控模塊能在關閉其他系統模塊的情況下定時喚醒，靈活管理周期性任務和數據采集，顯著延長電池續航時間。原理圖如圖5所示：

3.3軟件設計

當電池接入電路時，主控模塊開始初始化各個模塊。初始化完成后，進入休眠模式，等待RTC模塊的中斷信號。收到中斷信號后，立即喚醒系統，采集電池電壓；當電池電壓大于2.9V時，開始采集圖像數據并發送采集到的圖像數據，否則立即關機。

圖像采集與壓縮：使用ESP32S3上的驅動程序控制OV2640傳感器進行圖像采集，并采用JPEG壓縮算法減少數據量，在保證圖像質量的基礎上降低傳輸功耗。

功耗管理策略：控制圖像采集與傳輸周期，確保系統在不需要實時傳輸圖像時及時進入深度睡眠模式。

數據傳輸與通信協議：采用ESP32NOW協議進行低功耗、點對點無線數據傳輸。圖像數據經過壓縮后，通過ESP32NOW協議發送給接收設備，避免了高功耗協議的使用。

電池保護功能：當采集到電池電壓低于2.9V時，軟件直接關機，避免對電池造成損傷，延長電池壽命。流程圖如圖6所示。

4研究總結與展望

4.1研究總結

本文設計并實現了一種基于物聯網技術的低功耗數據采集裝置，集成了ESP32S3主控芯片、OV2640圖像傳感器、ESP32NOW無線通信技術以及TP4057電池管理芯片。系統通過結合低功耗設計、圖像采集和無線數據傳輸，能夠在蓄電池供電條件下實現長時間穩定運行，具備較強的實際應用潛力。

首先，在硬件方面，選擇ESP32S3主控芯片作為系統核心，具有強大的計算能力、低功耗特性和豐富的外設接口。其內置的低功耗工作模式（如深度睡眠模式）在系統長時間運行過程中能有效減少功耗，延長電池使用時間。OV2640圖像傳感器作為數據采集模塊，具備JPEG壓縮功能，在不犧牲圖像質量的前提下大幅減小數據量，從而降低了圖像傳輸過程中的功耗（功耗數據如表1所示）。

在軟件設計方面，本文設計了適應低功耗需求的控制策略。通過靈活的功耗管理，系統能夠根據不同的工作狀態（如圖像采集、圖像傳輸、待機等）智能調節功耗，使系統在不需要實時傳輸圖像數據時進入低功耗模式，進一步延長電池使用壽命。圖像數據壓縮的應用也有效減少了數據傳輸量，在保證圖像質量的同時降低了通信功耗，優化了整體能效。

通過實驗驗證，系統在低功耗模式下表現出較高的能效和穩定性。在圖像采集精度、數據傳輸可靠性和功耗控制方面均達到預期目標。功耗測試結果表明，在鋰電池供電情況下，系統可在不依賴外部電源的條件下長時間穩定運行，適應不同場景下的遠程監測需求。

4.2研究不足與改進

然而，本研究仍存在一些不足。首先，盡管系統在低功耗模式下能夠長時間工作，但在金屬物品遮擋情況下，傳輸速率會受到影響，存在一定延遲，后續將采用外置天線以解決遮擋問題。其次，TP4057芯片對電池充放電控制較為基礎，在一些高精度電池管理應用中需要進一步優化，后續將采用更高精度的芯片方案。最后，OV2640圖像傳感器的分辨率限制了系統在高精度圖像采集方面的能力，未來可升級為分辨率更高的圖像傳感器，以適應更復雜的應用場景。

4.3未來發展方向

總體而言，本研究通過集成低功耗技術、無線通信和圖像采集能力，設計了一種適用于物聯網應用的低功耗數據采集裝置，具有較強的實用性和拓展性。隨著硬件技術和通信協議的不斷發展，未來該系統將采用更高分辨率的圖像傳感器和優化圖像處理算法，提升圖像清晰度和監控精度。集成智能電池管理系統，優化充電、健康監測與能效調節，延長電池使用時間。應用人工智能和機器學習，自動優化系統運行和響應，減少人工干預。該系統的性能與應用場景有望進一步拓展，為物聯網設備在低功耗條件下的遠程監測和數據采集提供更多創新的解決方案。

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【通聯編輯：唐一東】