基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低功耗溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張一宇 曲向林 于學(xué)山

（北京創(chuàng)意博物聯(lián)科技有限公司 北京市 100083）

當(dāng)今生產(chǎn)生活中，溫度采集和應(yīng)用無處不在，工業(yè)領(lǐng)域的溫度控制、工作環(huán)境中的溫度控制、家居環(huán)境中的溫度控制等等，它們都需要一個值或一定范圍的值，基于這些需要，在控制領(lǐng)域出現(xiàn)了很多基于溫度采集的集中控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)以及溫度分析系統(tǒng)等綜合應(yīng)用。隨著軟件和通信技術(shù)的發(fā)展，使用低功耗電子技術(shù)進(jìn)行溫度采集成為了下一個應(yīng)用的重點(diǎn)，比如在節(jié)能供熱領(lǐng)域，供熱管路溫度應(yīng)該調(diào)節(jié)為多少才能使能源消耗性價比更高？這時就需要采集末端的溫度才能準(zhǔn)確建立分析模型進(jìn)行反饋控制。類似的應(yīng)用很多，它的應(yīng)用創(chuàng)造了價值。文中圍繞一個溫度點(diǎn)的采集，從電路、通信、協(xié)議、控制以及數(shù)據(jù)平臺等幾個方面進(jìn)行了細(xì)致的分析，為了更好的說明系統(tǒng)的基本原理，系統(tǒng)只描述了一個溫度點(diǎn)的采集過程，文中的思想也可以擴(kuò)展到復(fù)雜數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中。

1 實(shí)現(xiàn)方式

整個系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件包含了CPU 芯片、存儲、供電部分、溫度采集部分和NBIOT 傳輸部分。軟件包含了芯片的控制邏輯軟件和物聯(lián)網(wǎng)平臺的軟件，系統(tǒng)基本組成如圖1 所示,粗線代表供電回路，細(xì)線代表數(shù)據(jù)線路。下面我們按照溫度采集的流程對各部分進(jìn)行闡述。主芯片CPU 實(shí)現(xiàn)了硬件的控制邏輯，首先控制一個MOSFET1，可以打開和關(guān)閉溫度傳感器和存儲器的供電電路，當(dāng)打開MOSFET1 時，溫度傳感器和存儲芯片才能和CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互工作。其次控制另一個MOSFET2，它負(fù)責(zé)NBIOT的電源供電，當(dāng)開關(guān)打開時，CPU 可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過NBIOT 和物聯(lián)網(wǎng)平臺建立連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_上。

1.1 主芯片及外圍電路描述

圖1

圖2

圖3

主芯片及外圍電路部分是整個硬件的核心，包括CPU、外部存儲器、電池供電和功率管MOSFET 四部分。CPU 采用的是意法半導(dǎo)體推出的STM32L 單片機(jī)，STM32L 系列單片機(jī)是基于ARM Cortex-M3 的超低功耗微控制器，除了一般32 位CPU 芯片的基本功能外，它具有優(yōu)秀的節(jié)能性能，有六個超低功耗模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了1uA 停機(jī)模式。在數(shù)據(jù)采集間歇期保證了系統(tǒng)的最低功耗。外部存儲器采用的是串行flash 存儲芯片W25Q128，芯片尺寸小，具有很好的靈活性和性價比。通過串行SPI 方式與CPU 連接。供電范圍為2.7-3.6V，在激活狀態(tài)下電流功耗很低，W25Q128 將16M 的容量分為 256 個塊（Block），每個塊大小為 64K 字節(jié)，每個塊又分為 16 個扇區(qū)（Sector），每個扇區(qū)4K 個字節(jié)。W25Q128的擦寫周期多達(dá)10W 次，掉電后可存儲20年，滿足了數(shù)據(jù)存儲的設(shè)計(jì)要求。在電路設(shè)計(jì)中，有兩個功率管MOSFET，一個是控制溫度傳感器和外部存儲器的供電，另一個是控制NBIOT 芯片及外圍電路的供電。最大程度保證電池的應(yīng)用時間，電池采用了功率型電池，容量可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集的周期和連續(xù)工作時間選擇，它的額定電壓為3.6V，終止電壓為2.0V，最大持續(xù)放電電流為1A，同時它具有高能量密度和長貯存壽命的特點(diǎn)。

1.2 溫度采集電路和溫度參數(shù)

溫度采集的方式有很多種，市場上溫度傳感器的類型也很多，有PT100 熱電阻類型、NTC 負(fù)溫度系數(shù)類型、熱電偶型、4-20mA信號模塊類型以及數(shù)字芯片型等，這樣在設(shè)計(jì)一個溫度采集系統(tǒng)時要選擇滿足應(yīng)用的傳感器或芯片，要依據(jù)具體的應(yīng)用對溫度的測量范圍，采集精度、安裝形式、功耗、成本等方面來確定。文中描述的是空氣溫度的測量，根據(jù)具體要求采用了瑞士Sensirion 數(shù)字溫度傳感器芯片SНT35，它和CPU 之間是IIC 數(shù)據(jù)接口,傳感器功耗低，封裝較小。供電電壓為2.15V-5.5V，在測量溫度為20℃-60℃時，精度能夠達(dá)到絕對值0.1℃，溫度偏差為圖2 所示。同時具備采集環(huán)境濕度的功能，正常工作時，功耗僅為4.8uW。

1.3 NBIOT電路

傳輸部分采用了NBIOT 芯片SIM7020，NBIOT 構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗200KНz 的帶寬，具有超強(qiáng)覆蓋、超低功耗、超大連接和超低成本四個特點(diǎn)。系統(tǒng)應(yīng)用了SIM7020 中TCP 傳輸模式，將數(shù)據(jù)上傳到指定服務(wù)器，發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議中包含了模組的IMEI 號，CPU 發(fā)送次數(shù)，系統(tǒng)所處位置的信號強(qiáng)度，存儲芯片內(nèi)的5 次歷史數(shù)據(jù)等信息。選用了柔性PCB 天線，相比于棒狀天線，柔性PCB的成本較低，和外殼配合較好，發(fā)送成功能夠得到保障。供電電路使用了MOSFET 器件進(jìn)行了控制，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時打開，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后按相應(yīng)的流程關(guān)閉，合理利用電池的電能。

1.4 數(shù)據(jù)采集邏輯與傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)采集邏輯是編寫芯片程序的基礎(chǔ)，描述了CPU 工作的流程，由于CPU的供電是直接電池供應(yīng)，所以CPU始終處于工作狀態(tài)，除非強(qiáng)制把電池電源開關(guān)關(guān)閉。CPU 啟動后，邏輯程序開始運(yùn)行，首先對電路中使用的IO 及內(nèi)部寄存器等資源進(jìn)行初始化。打開MOSFET1，溫度芯片和存儲芯片供電穩(wěn)定后，讀取溫度數(shù)據(jù)到存儲器，同時RAM 中記錄當(dāng)前采集的溫度值，也可以連續(xù)讀取多個溫度值，采集完成后關(guān)閉MOSFET1，同時打開MOSFET2，適當(dāng)延時后，發(fā)送相應(yīng)的AT 指令給SIM7020，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)正常，并且處于激活聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)后，連接指定的服務(wù)器IP 地址，從而采用TCP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到平臺。SIM7020 每次發(fā)送AT 指令集的時間都不超過500 毫秒，聯(lián)網(wǎng)指令時間為1.5-2 秒，數(shù)據(jù)發(fā)送時間大約1-2 秒鐘，發(fā)送成功后，CPU 收到發(fā)送結(jié)束命令。此時先關(guān)閉MOSFET2，使CPU 處于待機(jī)休眠狀態(tài)，進(jìn)入低功耗模式。休眠一定時間后，自動進(jìn)行上述的工作流程，直到強(qiáng)制關(guān)閉電源或供電結(jié)束，停止工作。在軟件設(shè)計(jì)上，嚴(yán)格把控各個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的時間，達(dá)到最小用電的效果。其次，用戶可以通過發(fā)送遠(yuǎn)程指令或者電路板的按鍵來控制休眠時間達(dá)到合理的采集周期，從而根據(jù)具體應(yīng)用達(dá)到節(jié)電或延長更換電池時間。傳輸部分的硬件和軟件設(shè)計(jì)都是以低功耗和高效為目的來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?shù)據(jù)采集流程為圖3 所示。

1.5 物聯(lián)網(wǎng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)平臺采用了兩臺服務(wù)器，一臺是采集指令和數(shù)據(jù)存儲，另一臺用于前端數(shù)據(jù)分析展示，結(jié)合NIO 多線程以及kafka 消費(fèi)機(jī)制靈活接入多種多臺采集器，本文沒有對物聯(lián)網(wǎng)平臺的功能進(jìn)行詳細(xì)描述，簡要展示了數(shù)據(jù)存儲和查看界面如圖4 所示。系統(tǒng)采用了B/S 架構(gòu)，操作系統(tǒng)為windows server 2016，數(shù)據(jù)庫采用了MySQL5.7，WEB 部分采用了Spring Boot 架構(gòu)，使用了НTML 前端技術(shù)。通過設(shè)計(jì)的協(xié)議和指令格式，平臺和設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并存儲到數(shù)據(jù)庫，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議中使用了斷電續(xù)傳技術(shù)，即數(shù)據(jù)協(xié)議中包含了5 次歷史數(shù)據(jù)信息，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)1-5 次連續(xù)中斷后，可以通過協(xié)議包信息解析，并根據(jù)中斷的次數(shù)恢復(fù)歷史數(shù)據(jù)達(dá)到續(xù)傳的目的。平臺可以查看和展示數(shù)據(jù)記錄信息，也可以通過微信掃碼方式查看各個采集設(shè)備對應(yīng)的實(shí)時數(shù)據(jù)和前5 次的歷史數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)平臺使用了多線程技術(shù)，滿足了數(shù)據(jù)采集設(shè)備接入平臺的規(guī)模化、實(shí)時性強(qiáng)的特點(diǎn)。平臺也提供了第三方數(shù)據(jù)傳輸接口，可以通過НTTP 協(xié)議與第三方平臺進(jìn)行定制性傳輸，保證數(shù)據(jù)應(yīng)用的靈活性。

2 測試和記錄

我們將文中的采集設(shè)備又稱作采集器，它輕小便捷，因此采用多次抽樣和小規(guī)模、多地點(diǎn)試驗(yàn)。整個測試過程分為一測和二測，一測是在組裝前完成的，檢測采集器的數(shù)據(jù)值，對應(yīng)時間，信號值等。對滿足測試要求的進(jìn)行二測。測試時，首先要完成一測，然后抽取部分成品分別在學(xué)校的操場、居民樓、企業(yè)廠房、開闊的道路以及信號良好的車間等進(jìn)行二測。將采集器分別均勻放置在目標(biāo)地點(diǎn)，依次打開各采集器的開關(guān)，連續(xù)采集100 次，掃碼查看100 次數(shù)據(jù)接受情況，通過記錄分析驗(yàn)證設(shè)備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和整體穩(wěn)定性。在采集器上都有設(shè)備的二維碼，通過微信掃碼快速查看測試結(jié)果，結(jié)果為圖5 所示。

3 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫度采集系統(tǒng)能夠滿足多種應(yīng)用場合，特別是低功耗模式的應(yīng)用，大大提高了系統(tǒng)的可復(fù)制性和系統(tǒng)安裝的靈活性。整個系統(tǒng)采用了目前主流的技術(shù)方式，不過，在系統(tǒng)的研究中也存在著許多要考慮的問題，首先，有些場合需要其他形式的溫度傳感器，不同信號類型的傳感器，它的采集電路不同，如何結(jié)合低功耗要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要針對性考慮。另外，NBIOT 傳輸方式是否可以進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)合采集頻率和存儲數(shù)據(jù)兩個方面進(jìn)行更好的提高采集器的更換時間周期。最后，系統(tǒng)中采集器和平臺是單向傳輸?shù)?，如何解決采集器與平臺建立數(shù)據(jù)傳輸時進(jìn)行雙向傳輸，可以讓平臺控制采集器的運(yùn)行參數(shù)，都需要進(jìn)行逐步的完善和優(yōu)化。

圖4

圖5