基于能量采集技术的CO2传感器设计与实现*

张 坤， 高 强, 李大华

(天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室 天津理工大学 电气电子工程学院，天津 300384)

0 引 言

室内二氧化碳(CO2)体积分数是评价室内空气质量(indoor air quality,IAQ)的指标，CO2的体积分数高低可以反映室内的通风状况是否良好[1]，因此，对于测量室内CO2体积分数的传感器来说，对其持久性供电也提出了新的要求[2]。每个传感器都需要有自己的电源，目前市面上大部分传感器是基于有线供电或微型电池供电，但是更换电池需要人工辅助，因此，基于能量采集技术的无线无源传感器更为适合现在的要求[3]。虽然能量收集并不是一个全新概念，但是射频(radio frequency,RF)和微控制器(micro controller unit,MCU)器件在性能与能耗方面取得的最新进展[4]，意味着构建一个采用能量收集型传感器的可能性，基于能量采集供电的传感器可在数年内完全免维护，解决了电池供电的传感器在几个月内就会耗尽电量的缺陷。

为了提高CO2传感器的使用寿命，本文以太阳能板为供电源,以易能森STM300为无线控制模块，选择了GSS-COZIR CO2传感器，设计实现了基于能量采集技术的新型CO2传感器[5]，实验测试结果验证了传感器自供电的有效性。

1 系统结构

图1所示是由电源和无线通信系统组成的自供电无线传感器系统。这两个主要子系统又分为4个功能块：太阳能能量收集器模块、电源管理模块、无线通信模块、无线传感器模块。太阳能能量收集器模块代表电源，其产生的能量直接取决于无线传感器部署环境内提供的太阳能的能量密度。电源管理模块提取、转换和存储太阳能收集器产生的能量，使其成为稳定的直流电源。无线传感器模块从部署环境获取数据并对其进行处理以便发送到无线通信模块。无线通信模块将无线传感器模块提供的数据发送到相应的软件进行可视化管理[6]。

图1 系统结构

其中太阳能电池提供的能量存储在超级电容中，为电源以及无线通信系统提供所需的工作电压。在供给能量的过程中，STM300模块通过控制WXIDIO引脚来控制接入CO2传感器的电源，并且允许在休眠时间内关闭CO2传感器。太阳能电池的另一部分能量通过DC / DC转换器产生恒定的3.3 V工作电压，以此提供给CO2传感器使用。ADIO6，ADI07引脚分别作为发射端与接收端用于发射和接收数据，在整个工作过程中不参与供电。

2 系统硬件设计

2.1 太阳能电池模块电路设计

太阳能模块实现光能转换为电能的功能，为了高效地存储由太阳能板提供的能量，本模块选用2块0.22F的超级电容存储电路工作所需的电能，如图2中C1和C7所示。由电路图可以看出，2块超级电容与高电容C6结合，以提供给STM300模块和CO2传感器所需要的电能，其中二极管隔离来自电路的干扰。太阳能电池参数：尺寸为67.0 mm×28.0 mm×1.1 mm，单元格数量为8，开路电压(200lux)为4 V,短路电流为25 μA，开路电流为3 V,断路电压为15 μA。

图2 太阳能电池电路设计

2.2 DC/DC模块电路设计

DC/DC转换器为转变输入电压后，有效输出固定电压的电压转换器，本模块的稳压调节器选择得捷电子的MAX1595EUA33产品，如图3即为DC/DC模块及其外围电路设计，MAX1595提供3.3 V或5 V的稳压输出，其独特的控制结构允许稳压器对输入电压进行升压或降压转换，并维持稳定的输出电压。其中，IN为输入电源引脚，其连接1 μF旁路电容至GND。AOUT引脚模拟功率和误差放大器的检测输入，通过滤波电容连接至OUT输出。OUT输出连接至传感器的VDD，为传感器提供工作所需的电压。

图3 DC/DC模块与外围电路

2.3 STM300模块电路设计

如图4所示即为STM300模块电路设计。

图4 STM300模块设计

在整体的硬件电路设计中，STM300模块对CO2传感器起着电源管理与数据传输的作用，太阳能板通过VDD引脚可直接给STM300模块供电。STM300模块具备传输模式、接收模式和深度睡眠模式3种模式，在传输模式与接收模式下通过ADIO6与ADIO7引脚与传感器进行通信，当其处于深度睡眠模式下，使用WXIDIO引脚通过DC/DC转换器为传感器提供电源。其他引脚ADIO07，SCSEDIO0，SCLKDIO1，WSDADIO2，RSDADIO3在深度睡眠模式下不供电。在深度睡眠模式下，不允许在ADIO6引脚(二极管D1)施加任何电压。

3 实验测试与分析

3.1 实验测试

GSS-COZIR是一种超低功耗(3.5 mW)，高精度的CO2传感器，非常适用于电池供电的便携式仪器和设备。该传感器针对电池供电应用进行了优化，可使用3.3 V电源供给，本文使用太阳能板取代传统污染的电池，使得设备具有了长期供电以及免维护的功能，使用STM 300模块具备无线传输和电源管理的理念，如图5所示即是基于能量采集技术的新型CO2传感器。

图5 传感器实物

对基于能量采集技术的CO2传感器进行实验，每10 min测量一次CO2体积分数、环境温度和存储电荷水平，并通过无线电传输数据，如图6即为测试数据。如果电量不足(小于20 %)，测量和传输将停止，直到达到更高的电量，为应对电量不足无法测量的情况，为传感器设计了一种基于动态功耗的电源管理方法。此外，针对灰尘或污垢等环境因素对于传感器长期测量精准度的影响，设计了一种自动校准机制，以避免传感器的测量误差。

图6 CO2体积分数测试数据

3.2 传感器动态功耗分析

在自供电的应用中，没有足够的能量可永久供应给CO2传感器，CO2传感器以及STM300模块需要在工作中尽可能的减少功耗，因此采用一种动态功耗的方法来降低能耗。通过对设备的工作周期以及低功耗关断模式平衡来实现。CO2传感器受电后，需要2 s的时间将第一个测量结果发送到串行接口。在这2 s内，传感器执行了4次内部测量，用于计算第一个结果。在2 s的测量以及计算过程中，为了减少当前的消耗，STM 300进入深度睡眠模式，如图7中的处理器模式(CPU mode)处以下降沿状态。

图7 传感器动态功耗分析

在一个测量周期中，STM 300模块经过预设时间后从深度睡眠模式被唤醒(看门狗定时器复位)，将WXIDIO设置为高电平以打开传感器电源，STM300唤醒传感器TX线路，并设置看门狗定时器以进行灵敏度测量，然后STM 300无线通信模块进入深度睡眠模式以等待传感器结果(或超时)，传感器执行CO2测量，其结果通过串口TX输出，TX线上的第一个下降沿在唤醒STM 300模块的WAKE0引脚上产生下降沿，进入深度睡眠模式，而WAKE0唤醒在睡眠模式下禁止使用。尽管在一个测量周期中，这种方法节约的电能有限，但方法为传感器在自供电的模式下具备延伸其使用寿命的可能性。

3.3 传感器自动校准机制

无线CO2传感器由于受灰尘或污垢影响而需要时常进行重新校准。在基于能量采集模式下的传感器系统中，STM 300支持自动重新校准这一功能，为了重新校准，STM 300需要监测最低的CO2水平(在给定的时间范围内)和时间。将重新校准的机制设定在2～3周的时间框架下，在此区间，传感器至少会测量一次“新鲜空气”的CO2体积分数。即使在深度睡眠期间，这些数据也会存储在RAM0中。

计算监测的时间，只需要计算唤醒次数。在一个定义的时间周期之后，重新校准机制将通过STM300模块发送一个指令给CO2传感器来完成。把“新鲜空气”CO2的体积分数设定为450×10-6，经过试验，传感器测定的最低的CO2读数是460×10-6，STM 300模块只需要发送一个“F”命令“f460 450 ”到传感器即可完成校准。这种校准方法可防止CO2传感器在长时间的使用情况下精度降低。

4 结束语

该实验证明了基于能量采集技术无线CO2传感器实行的可行性，实现了CO2体积分数的测量，针对太阳能电池不能永久持续性供电的缺陷，通过STM300模块设计了一种基于动态功耗分析的方法，有效地利用有限的能源并取得了预期效果，针对传感器的长时间的使用误差，设计的自动校准机制有效地解决了这一问题，但下一步仍需要对太阳能的能量管理进行优化，合理分配能源的供给，提高太阳能的能量转化效率将是延长其使用寿命的最佳途径。