一种基于低功耗技术设计的环境监测终端

杨双国

（西安元智系统技术有限责任公司，陕西 西安 710077）

0 引 言

在文物保护领域的环境监测方面，由于需要对文物所处的环境进行评估，所以需要在文物所处环境放置环境监测类产品，但由于这类产品电池续航时长等原因，需要人为更换电池、充电等操作，会对文物造成一定的影响，因此只有实现低功耗才能使环境监测类产品的续航时间尽可能延长，减少其运维次数。目前市面上的环境监测类产品在性能上也提出了低功耗的设计，但大多数低功耗产品只从传感器方面做了考虑，仅对传感器进行低功耗优化，对其他器件并没有进行低功耗处理，这使得环境监测类产品仍不能达到整体低功耗的效果[1-5]。为此本文基于低功耗技术设计了一种主要用于博物馆展柜内的微环境监测以及古建本体监测的环境监测终端。

1 系统设计

1.1 整体组成

本文所述的基于低功耗技术设计的环境监测终端，是一个系列产品，监测的指标主要涉及温湿度、光照度、紫外辐射、VOC、二氧化碳等，这些监测终端主要包含CPU 以及分别与CPU 连接的电源、传感器、LoRa 射频单元、存储器、看门狗、JTAG 接口、时钟芯片（RTC），外壳上设置有充电口、电源开关、工作指示灯（LED）、USB 接口以及传感器通气孔等。本文以其中的紫外辐射、温湿度二合一监测终端为例进行说明，该设备中的传感器之一为温湿度传感器，其包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上与14 位的A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接；监测终端另外还包括一个与CPU 电连接且位于外壳上的紫外传感器，其通过外壳设置有传感器探测面，利用光敏元件将紫外线信号转换为电信号，结合放大器、A/D 转换构成测量系统。此监测终端与传统检测方法相比，具有便携、体积小、精度高、响应快、可连续测试等优点，并且系统简易、性价比高、测量速度快、可靠性高；CPU 的型号为MSP430F5438AIPZ，存储器的型号为AT24CM01-SSHM-T，看门狗的型号为CAT823ZTDIGT3，USB 接口的型号为CP2104-F03-GM，这种低功耗的环境监测终端集紫外线、温湿度监测为一体，具有体积小、携带方便、能耗低、待机时间长的特点，适用于对文物保存环境的长期在线实时监测[6-8]。如图1所示，图中的传感器模块可以替换为光照度传感器、紫外辐射传感器、VOC 传感器、二氧化碳传感器等。

图1 系统硬件结构框图

1.2 运行机制

环境监测终端使用时，先将电源开关打开，环境监测终端即开机运行，传感器进行各种环境数据采集，采集过程中CPU 和传感器分时段进行采样、休眠，使设备只在必要的情况下工作，降低产品的功耗；采集完成后，将数据反馈给CPU，CPU 经过分析处理通过LoRa 射频单元将数据发送给网关，再由网关传输到客户端（手机、电脑等通信设备），LoRa 射频单元通过调节合适的射频功率，进一步实现低功耗，随即完成工作过程。当设备网络环境故障时，CPU 控制存储器将数据进行存储而不进行发送，以此来大大降低设备运行功耗；网络恢复后，再将先前的数据同实时数据一并上传，这样避免了不断搜网和重复发送，既保证了数据传送，也降低了功耗[9-10]。有限状态机如图2所示。

图2 有限状态机

2 低功耗设计

2.1 CPU 最小系统设计

如图3所示，CPU 最小系统供电方式有三种：

图3 CPU 最小系统

（1）常供电：CC430 模块、外部看门狗Watchdog、外部RTC 单元是常供电。CC430 模块，通过外部RTC 作用，CC430 会自动地在空闲期和休眠期进入低功耗工作模式；外部看门狗单元，采用MAX6369 进行设计，节点工作异常没有喂狗信号后，由硬件看门狗MAX6369 输出复位信号强制单片机复位重新运行，或通过手动开关进行复位；外部RTC单元，采用PCF8563 进行设计，为CC430 模块提供实时时钟。

（2）独立供电：USB 转串口单元是USB 接口供电。USB 转串口单元，采用FT232BL 进行设计，当本监测终端通过USB 连接PC 机时，USB 接口向它提供标准的5 V 输入。

（3）受控电源：其他外围单元受控于控制信号，如图3的右边所示，当系统休眠时这些电路是断电的，这样做的优点是可以有效地降低功耗。E2PROM 单元，采用AT24C08进行设计，主要存储节点自身的相关信息，还有指示灯、射频模块、传感器模块都是根据有限状态机适时向其供电。

2.2 传感器设计

如图4所示，传感器模块通过接口5 V 给调理电路供电，本例所选的紫外传感器不需要供电。另一路Vbat 通过LDO降压至3.3 V 供给ADC 电路。传感器预热1 s 后，开始采集数据，原始信号经调理电路处理后再经过A/D 转换后输出，送至传感器模块接口。传感器模块的工作周期是可调的，一般设置30 min，其中传感器预热和射频收发功耗大些，但其时间占比合起来不到2 s，其余29 分钟58 秒基本都在休眠，这样可以大幅降低功耗。

图4 传感器电路设计

2.3 射频设计

射频通信电路采用了两组电源供电：一组是3.3 V 电源，给射频模块自身的CPU 供电；另一组是5 V 电源，给射频模块的运放电路供电。射频模块的运放电路是增加射频模块的发射功率，其功耗远大于射频模块自身的CPU，因此，射频模块采取的低功耗测量是给射频模块自身的CPU 常供电，射频运放电路的供电则根据监测终端的周期进行调整，需要射频收发时才将其打开，一般持续时间不超过1 s。

2.4 功耗计算

本系统的功耗是关键技术指标，本示例的紫外、温湿度二合一监测终端的功耗采用微功耗分析仪测试，结果如图5所示，图中尖峰就是搜网时的一次发送。

图5 微功耗分析仪测试波形

功耗计算如下：

（1）可充电电池（单节18 650 锂电池）容量：4.2 V/3 400 mAH，假定效率为80%。

（2）工作周期：30 min（1 800 s），工作周期=工作时间+休眠时间；工作时间（数据采集及收发）为2 s（含预热时间），休眠时间为1 798 s。

（3）工作电流最大：80 mA；休眠电流最大：13 μA（0.013 mA）。

（4）整机平均电流=（工作电流×工作时间+睡眠电流×休眠时间）/1 800 s ≈0.10 mA。

（5）监测终端长期工作时间估算：T=（3 400 mAh×80%）/（0.10 mA×24 h）≈1 133天，大于3年。

3 结 语

本文设计的低功耗监测终端，从整体上对功耗进行了优化，包括常供电电路、借助外部供电和间歇性供电；同时对体积、重量方面也进行了优化，使其采用单节锂电池就可以工作3年时间，达到了预期的目的。该设计已在文物保存环境监测和文物本体监测中得到了广泛的应用。