一種低功耗無線溫濕度采集設(shè)備的設(shè)計?

陳嘉赫 侯鵬森

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

1 引言

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

2 總體設(shè)計思路

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

無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備采取MCU 加傳感器的架構(gòu)，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(shè)備總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。該設(shè)備主要基于單片機(jī)技術(shù)和藍(lán)牙通信技術(shù)，其工作原理是采用MCU 作為控制中樞，讀取傳感器數(shù)值，在MCU 內(nèi)部進(jìn)行換算獲得當(dāng)前溫濕度物理量值，并依次存入存儲器。存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)可以通過藍(lán)牙無線通信的方式，實時下載至環(huán)境數(shù)據(jù)采集移動終端；也可以通過USB有線連接與上位機(jī)進(jìn)行通信，匯總下載歷史溫濕度數(shù)據(jù)。終端和上位機(jī)可以對溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和圖形化展示。

圖1 無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備總體結(jié)構(gòu)框圖

為滿足低功耗需求，設(shè)備元器件選型時對工作電壓和器件功耗進(jìn)行綜合考慮，且環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集頻率不高，進(jìn)行軟硬件設(shè)計時考慮該設(shè)備不工作的情況下能夠處于休眠狀態(tài)，進(jìn)一步降低設(shè)備耗能。

3 硬件電路設(shè)計

無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)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(xiàn)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)處理，傳感器單元實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集，存儲單元實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲，通信單元實現(xiàn)與環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行有線或無線通訊，且能夠通過按鍵喚醒。電池為設(shè)備供電，可以手動開啟或者關(guān)斷電池供電輸入。無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備原理框圖如圖2所示。

圖2 無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備原理框圖

3.1 MCU最小系統(tǒng)

MCU 最小系統(tǒng)為控制主板和設(shè)備提供基礎(chǔ)的硬件環(huán)境，包括MCU 處理器、供電電路、時鐘和Debug 調(diào)試接口等［9］。無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)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(nèi)核，與處理器工作頻率同為48MHz，可滿足設(shè)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(lán)牙收發(fā)功能和較豐富的外設(shè)，滿足無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備的使用需求。其原理框圖如圖3所示。

圖3 MCU最小系統(tǒng)方框圖

3.2 傳感器

3.2.1 溫濕度傳感器

監(jiān)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(jù)設(shè)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(dāng)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互。設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)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(jù)壓力和溫度變化產(chǎn)生的電壓變化轉(zhuǎn)換為16 位數(shù)字輸出，通過3 線SPI接口與外部微控器進(jìn)行通訊。本次設(shè)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(xiàn)。

3.3 數(shù)據(jù)存儲

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

圖5 外掛存儲flash工作原理示意圖

3.4 數(shù)據(jù)傳輸

無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備放置到各個監(jiān)測點，對所處環(huán)境的溫濕度按一定的采樣周期進(jìn)行采集并存儲，最終將各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行匯總分析處理，因此需要提供數(shù)據(jù)導(dǎo)出方式。

該設(shè)備設(shè)計了兩種數(shù)據(jù)導(dǎo)出方式，一種是使用USB進(jìn)行有線模式的數(shù)據(jù)下載，另一種為使用藍(lán)牙進(jìn)行無線模式的數(shù)據(jù)傳輸。主控MCU 選用的CC2640R2F芯片集成了串口和藍(lán)牙傳輸功能，藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸功能由處理器直接提供；USB通信通過串口轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，選用CH340G 完成USB 轉(zhuǎn)串口，實現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸功能。

3.5 供電設(shè)計

為滿足便攜性的設(shè)計要求，無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備采用定制化的可充電鋰電池進(jìn)行供電。設(shè)備共有數(shù)據(jù)采集模式、數(shù)據(jù)下載模式和休眠模式等三種工作模式，以設(shè)備可連續(xù)工作一年所需電量進(jìn)行設(shè)計，所選電池需滿足最大脈沖電流大于143mA，標(biāo)稱容量大于1301mAh，額定電壓為3.3V。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備通過單片機(jī)與傳感器技術(shù)完成環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸?shù)裙δ?，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(jiān)測并接收上位機(jī)指令、外部開關(guān)指令等，完成相應(yīng)的配置工作。

環(huán)境溫濕度變化是緩慢的，不需要一直進(jìn)行溫濕度的采集。無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備的工作模式設(shè)計有數(shù)據(jù)采集工作模式、數(shù)據(jù)下載工作模式和休眠模式共三種。設(shè)備大多時間處于休眠模式，以達(dá)到降低器件功耗的效果。由程序設(shè)置采樣周期，只在數(shù)據(jù)采集時刻、收到下載指令以及喚醒開關(guān)打開等事件發(fā)生時喚醒MCU，待處理事項處理完成后，再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。在數(shù)據(jù)采集工作過程中，設(shè)備采集的溫濕度數(shù)據(jù)依次存入flash 存滿指定存儲長度后，新的溫濕度數(shù)據(jù)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(shè)備進(jìn)入數(shù)據(jù)下載工作模式，監(jiān)測儀自激活并按指令送出板載存儲的歷史溫濕度參數(shù)。

為進(jìn)一步減少功耗，設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)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(dāng)前時刻溫濕度數(shù)據(jù)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(jìn)入休眠模式。

環(huán)境數(shù)據(jù)管理程序加載于MCU 的片內(nèi)flash，設(shè)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(tǒng)測試

針對本次設(shè)計的便攜式無線溫濕度環(huán)境參數(shù)采集設(shè)備，進(jìn)行應(yīng)用試驗測試，將設(shè)備應(yīng)用到裝備存儲倉庫內(nèi)，應(yīng)用該設(shè)備檢測環(huán)境中溫濕度變化，以驗證該設(shè)備的實際應(yīng)用功能是否滿足設(shè)計需求。

試驗結(jié)果表明，該設(shè)備可以準(zhǔn)確測量環(huán)境中的溫濕度，同時具備設(shè)置環(huán)境參數(shù)的采集間隔、存儲長度等參數(shù)的功能，可以通過有線方式設(shè)置參數(shù)和下載溫濕度歷史數(shù)據(jù)，并且具備通過藍(lán)牙通信技術(shù)或USB 有線連接進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)下載的功能。該設(shè)備操作簡單，具有良好的人機(jī)交互設(shè)計，使得系統(tǒng)的可用性得到大大提升。

6 結(jié)語

本文使用CC2640R2F、SHT45 及MS5541C 設(shè)計了一種低功耗的便攜式無線溫濕度環(huán)境采集設(shè)備，介紹了設(shè)備的硬件設(shè)計方法以及軟件設(shè)計框架，該設(shè)備具有無線通訊方式，功耗低、體積小、使用便捷，能夠?qū)崿F(xiàn)對裝備使用環(huán)境和存儲環(huán)境溫濕度的測量，適用于裝備監(jiān)測智能化發(fā)展需求。