一種基于低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)終端

楊雙國(guó)

（西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

在文物保護(hù)領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，由于需要對(duì)文物所處的環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，所以需要在文物所處環(huán)境放置環(huán)境監(jiān)測(cè)類產(chǎn)品，但由于這類產(chǎn)品電池續(xù)航時(shí)長(zhǎng)等原因，需要人為更換電池、充電等操作，會(huì)對(duì)文物造成一定的影響，因此只有實(shí)現(xiàn)低功耗才能使環(huán)境監(jiān)測(cè)類產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間盡可能延長(zhǎng)，減少其運(yùn)維次數(shù)。目前市面上的環(huán)境監(jiān)測(cè)類產(chǎn)品在性能上也提出了低功耗的設(shè)計(jì)，但大多數(shù)低功耗產(chǎn)品只從傳感器方面做了考慮，僅對(duì)傳感器進(jìn)行低功耗優(yōu)化，對(duì)其他器件并沒(méi)有進(jìn)行低功耗處理，這使得環(huán)境監(jiān)測(cè)類產(chǎn)品仍不能達(dá)到整體低功耗的效果[1-5]。為此本文基于低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)了一種主要用于博物館展柜內(nèi)的微環(huán)境監(jiān)測(cè)以及古建本體監(jiān)測(cè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)終端。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體組成

本文所述的基于低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)終端，是一個(gè)系列產(chǎn)品，監(jiān)測(cè)的指標(biāo)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(cè)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(chǔ)器、看門(mén)狗、JTAG 接口、時(shí)鐘芯片（RTC），外殼上設(shè)置有充電口、電源開(kāi)關(guān)、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(cè)終端為例進(jìn)行說(shuō)明，該設(shè)備中的傳感器之一為溫濕度傳感器，其包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上與14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接；監(jiān)測(cè)終端另外還包括一個(gè)與CPU 電連接且位于外殼上的紫外傳感器，其通過(guò)外殼設(shè)置有傳感器探測(cè)面，利用光敏元件將紫外線信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，結(jié)合放大器、A/D 轉(zhuǎn)換構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)。此監(jiān)測(cè)終端與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，具有便攜、體積小、精度高、響應(yīng)快、可連續(xù)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，并且系統(tǒng)簡(jiǎn)易、性價(jià)比高、測(cè)量速度快、可靠性高；CPU 的型號(hào)為MSP430F5438AIPZ，存儲(chǔ)器的型號(hào)為AT24CM01-SSHM-T，看門(mén)狗的型號(hào)為CAT823ZTDIGT3，USB 接口的型號(hào)為CP2104-F03-GM，這種低功耗的環(huán)境監(jiān)測(cè)終端集紫外線、溫濕度監(jiān)測(cè)為一體，具有體積小、攜帶方便、能耗低、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，適用于對(duì)文物保存環(huán)境的長(zhǎng)期在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[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(jié)構(gòu)框圖

1.2 運(yùn)行機(jī)制

環(huán)境監(jiān)測(cè)終端使用時(shí)，先將電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，環(huán)境監(jiān)測(cè)終端即開(kāi)機(jī)運(yùn)行，傳感器進(jìn)行各種環(huán)境數(shù)據(jù)采集，采集過(guò)程中CPU 和傳感器分時(shí)段進(jìn)行采樣、休眠，使設(shè)備只在必要的情況下工作，降低產(chǎn)品的功耗；采集完成后，將數(shù)據(jù)反饋給CPU，CPU 經(jīng)過(guò)分析處理通過(guò)LoRa 射頻單元將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)娇蛻舳耍ㄊ謾C(jī)、電腦等通信設(shè)備），LoRa 射頻單元通過(guò)調(diào)節(jié)合適的射頻功率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低功耗，隨即完成工作過(guò)程。當(dāng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境故障時(shí)，CPU 控制存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)而不進(jìn)行發(fā)送，以此來(lái)大大降低設(shè)備運(yùn)行功耗；網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，再將先前的數(shù)據(jù)同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)一并上傳，這樣避免了不斷搜網(wǎng)和重復(fù)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(jī)如圖2所示。

圖2 有限狀態(tài)機(jī)

2 低功耗設(shè)計(jì)

2.1 CPU 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(mén)狗Watchdog、外部RTC 單元是常供電。CC430 模塊，通過(guò)外部RTC 作用，CC430 會(huì)自動(dòng)地在空閑期和休眠期進(jìn)入低功耗工作模式；外部看門(mén)狗單元，采用MAX6369 進(jìn)行設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)工作異常沒(méi)有喂狗信號(hào)后，由硬件看門(mén)狗MAX6369 輸出復(fù)位信號(hào)強(qiáng)制單片機(jī)復(fù)位重新運(yùn)行，或通過(guò)手動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行復(fù)位；外部RTC單元，采用PCF8563 進(jìn)行設(shè)計(jì)，為CC430 模塊提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

（2）獨(dú)立供電：USB 轉(zhuǎn)串口單元是USB 接口供電。USB 轉(zhuǎn)串口單元，采用FT232BL 進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)本監(jiān)測(cè)終端通過(guò)USB 連接PC 機(jī)時(shí)，USB 接口向它提供標(biāo)準(zhǔn)的5 V 輸入。

（3）受控電源：其他外圍單元受控于控制信號(hào)，如圖3的右邊所示，當(dāng)系統(tǒng)休眠時(shí)這些電路是斷電的，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地降低功耗。E2PROM 單元，采用AT24C08進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)自身的相關(guān)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(jī)適時(shí)向其供電。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

如圖4所示，傳感器模塊通過(guò)接口5 V 給調(diào)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(guò)LDO降壓至3.3 V 供給ADC 電路。傳感器預(yù)熱1 s 后，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，原始信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后再經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)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(diào)的，一般設(shè)置30 min，其中傳感器預(yù)熱和射頻收發(fā)功耗大些，但其時(shí)間占比合起來(lái)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(shè)計(jì)

2.3 射頻設(shè)計(jì)

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(yùn)放電路供電。射頻模塊的運(yùn)放電路是增加射頻模塊的發(fā)射功率，其功耗遠(yuǎn)大于射頻模塊自身的CPU，因此，射頻模塊采取的低功耗測(cè)量是給射頻模塊自身的CPU 常供電，射頻運(yùn)放電路的供電則根據(jù)監(jiān)測(cè)終端的周期進(jìn)行調(diào)整，需要射頻收發(fā)時(shí)才將其打開(kāi)，一般持續(xù)時(shí)間不超過(guò)1 s。

2.4 功耗計(jì)算

本系統(tǒng)的功耗是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，本示例的紫外、溫濕度二合一監(jiān)測(cè)終端的功耗采用微功耗分析儀測(cè)試，結(jié)果如圖5所示，圖中尖峰就是搜網(wǎng)時(shí)的一次發(fā)送。

圖5 微功耗分析儀測(cè)試波形

功耗計(jì)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(shí)間+休眠時(shí)間；工作時(shí)間（數(shù)據(jù)采集及收發(fā)）為2 s（含預(yù)熱時(shí)間），休眠時(shí)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(jī)平均電流=（工作電流×工作時(shí)間+睡眠電流×休眠時(shí)間）/1 800 s ≈0.10 mA。

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

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的低功耗監(jiān)測(cè)終端，從整體上對(duì)功耗進(jìn)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(shí)對(duì)體積、重量方面也進(jìn)行了優(yōu)化，使其采用單節(jié)鋰電池就可以工作3年時(shí)間，達(dá)到了預(yù)期的目的。該設(shè)計(jì)已在文物保存環(huán)境監(jiān)測(cè)和文物本體監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。