基于太陽能的野外檢測系統(tǒng)低功耗設(shè)計

張元良，高　艷，王金龍

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連　116024)

0　引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多領(lǐng)域需要采用野外檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測控制。比如野外采油業(yè)，生態(tài)監(jiān)測行業(yè)，地質(zhì)監(jiān)測行業(yè)等。以野外采油業(yè)為例，目前國內(nèi)外很多油罐的液位檢測仍采用人工測量的方法[1]，不僅結(jié)果誤差大，難以精確控制，而且有很大的人身危險。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線通訊使得遠(yuǎn)程監(jiān)控得到了發(fā)展[2]。在野外，如果采用市電供電，就需要架設(shè)輸電線路，這就使得整個系統(tǒng)的成本提高。野外檢測系統(tǒng)的好處是方便，抗干擾性強(qiáng)，但是供電比較困難。近幾年來，隨著太陽能發(fā)電的發(fā)展越來越快，在野外檢測系統(tǒng)中太陽能供電得到了廣泛的應(yīng)用[3]。在諸多新型清潔能源中，太陽能無疑是其中的佼佼者。太陽能具有普遍性、安全可靠、無噪聲、低污染、無消耗燃料和架設(shè)輸電線路就能發(fā)電的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)正適應(yīng)了野外空曠的地理環(huán)境。

但是太陽能電池本身無法儲存電能的，因此在陰雨天的時候就很難使得野外檢測系統(tǒng)正常工作。而且太陽能電池的輸出特性受光照強(qiáng)度和光線頻譜等因素影響，輸出電流很不穩(wěn)定，這也使得太陽能電池不能直接驅(qū)動野外檢測系統(tǒng)，而需要將太陽能電池先存儲在蓄電池中，然后通過蓄電池為系統(tǒng)供電。鋰電池作為蓄電池中的一種以其重量輕，壽命長，回收利用價值高等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。文中的方案是使用太陽能對多節(jié)鋰電池進(jìn)行充電，然后由鋰電池對野外檢測系統(tǒng)進(jìn)行供電。為了延長電池的使用時間，從而保證陰天系統(tǒng)仍能正常工作，在設(shè)計過程中，系統(tǒng)必須盡可能采用低功耗設(shè)計。

1　低功耗設(shè)計的原則

對于典型系統(tǒng)而言，其功耗大致滿足以下公式：

P=C·V2·f

(1)

式中：C為電容負(fù)載；V為電源電壓；f為開關(guān)頻率。

功耗與工作電壓V的平方成正比，因此工作電壓對系統(tǒng)的功耗影響最大，其次是工作頻率。電容負(fù)載也會有一些影響，但電容負(fù)載對設(shè)計人員而言一般是不可控的。因此設(shè)計低功耗系統(tǒng)，應(yīng)該考慮在不影響系統(tǒng)性能前提下，盡可能地降低工作電壓和時鐘頻率[4-5]。而工作電壓過低又會使得傳感器等外設(shè)電路無法正常工作，時鐘頻率過低會影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度，從而影響無線模塊的工作效率。所以文中提出動態(tài)功耗管理的方法。

動態(tài)功耗管理是降低功耗的有效途徑。動態(tài)功耗管理是當(dāng)前最重要的系統(tǒng)功耗優(yōu)化技術(shù)之一。它根據(jù)系統(tǒng)各模塊性能，動態(tài)地配置系統(tǒng)，使系統(tǒng)中各功能模塊處于滿足性能需求所需的最低功耗狀態(tài)，可以采用多分支電源網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可以對各部件的電源進(jìn)行單獨(dú)控制，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省功耗的目的。文中從微處理器的設(shè)計、各外部器件的動態(tài)低功耗管理、系統(tǒng)低功耗運(yùn)行方式等方面對系統(tǒng)的低功耗進(jìn)行了研究。

2　系統(tǒng)硬件低功耗研究

野外檢測系統(tǒng)一般由電源管理電路、傳感器、微處理器和無線發(fā)送模塊等部件組成，如圖1所示。系統(tǒng)主要依靠太陽能供電，在陽光充足的情況下，太陽能電池板可以直接為系統(tǒng)供電，同時還要給鋰電池充電；在陰雨天氣，由鋰電池為系統(tǒng)供電。這是由電源選擇電路實(shí)現(xiàn)仲裁。太陽能電池板的電壓與鋰電池的電壓相差很大，不容易實(shí)現(xiàn)仲裁，所以需要先降壓。文中將根據(jù)低功耗設(shè)計原則，分別從不同部件的角度進(jìn)行低功耗研究。

圖1　野外檢測系統(tǒng)

2．1低功耗的微處理器MCU

根據(jù)低功耗的設(shè)計原則，低電源電壓和低時鐘頻率都對單片機(jī)的設(shè)計有很大的影響，再加上各種單片本身所具有的低功耗特性，選擇合適的單片機(jī)對降低整個系統(tǒng)的功耗大有益處。

文中采用新一代超低功耗16位MSP430F247單片機(jī)[6]，該單片機(jī)具有低電源電壓(1.8～3.6 V)和低工作電流，如主頻在1MHz/2.2 V時，工作電流只有270 μA．它可以工作在低時鐘頻率下，如32.768 kHz，還具有多種低功耗模式。在待機(jī)模式下，電流消耗僅為0.8 μA．由于它超低功耗和高集成度的特點(diǎn)，使

得電路的設(shè)計節(jié)省了空間及其他芯片選型等的時間和成本，也節(jié)省了系統(tǒng)的功耗。

MSP430系列單片機(jī)的各個模塊都可以獨(dú)立運(yùn)行，如定時器、輸人/輸出端口、AD轉(zhuǎn)換、看門狗等都可以在休眠的狀態(tài)下獨(dú)立工作。若需要主CPU工作，任何一個模塊都可以通過中斷喚醒CPU，從而使系統(tǒng)以最低功耗運(yùn)行。讓CPU工作于突發(fā)狀態(tài)可以充分利用CPU的低功耗性能。通常，使用軟件將CPU設(shè)定為休眠狀態(tài)，在需要時，使用中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，完成工作后又可以進(jìn)入相應(yīng)的休眠狀態(tài)。

2．2傳感器的動態(tài)電源管理

一個檢測系統(tǒng)，離不開傳感器，一般的傳感器是使用24V電源進(jìn)行供電的。如果傳感器一直連續(xù)工作，那么供電系統(tǒng)的大部分電量將用于傳感器工作。實(shí)際中，傳感器是隔一段時間采集一次數(shù)據(jù)的，所以在設(shè)計中可以通過控制傳感器的電源通斷來使得傳感器間歇工作，從而達(dá)到節(jié)省電能的作用。供電系統(tǒng)的電壓一般小于24 V，所以需要采用升壓芯片，將電壓升到24V.為了節(jié)省傳感器對電量的消耗，可以在傳感器不工作的時候關(guān)斷它的電源，這就需要一種帶控制端的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片。文中采用LT3436芯片，它本身電源轉(zhuǎn)換效率比較高，并且通過SHUTDOWN控制引腳能夠使該芯片進(jìn)入休眠，在休眠的情況下，電流只有11 μA．它是一款3A，800 kHz的升壓芯片，3～25 V寬輸入范圍正好適合鋰電池的電壓，輸出電壓可以通過分壓電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)至24 V．升壓電路如圖2所示。

圖2　升壓電路圖

將鋰電池接入LT3436的輸入端，電源芯片的SHUTDOWN引腳接在微處理器的一個通用IO上，當(dāng)傳感器需要采集數(shù)據(jù)時，由軟件控制將SHUTDOWN引腳置高，為了使傳感器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，需要延時幾十ms，主要是為了使傳感器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后再讀取傳感器的值。當(dāng)傳感器采集數(shù)據(jù)完成之后，再通過軟件控制將SHUTDOWN引腳拉低。

2．3無線模塊休眠設(shè)計

在系統(tǒng)中，無線模塊采用中功率無線傳輸模塊KYL-320L，它是一種遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，它體積小、金屬外殼、屏蔽性能好、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性及可靠性極高，能方便為用戶提供雙向的數(shù)據(jù)信號傳輸、檢測和控制。該無線模塊具有低功耗的特點(diǎn)，接收電流Irec<28 mA，發(fā)射電流Isend<1.5 A，休眠時電流Isleep<20 μA．它有三種休眠模式：模式硬件喚醒，串口喚醒，空中喚醒。

在系統(tǒng)中，采用模式硬件喚醒方式，將無線模塊的SLEEP引腳接到微控制器的一個通用IO上，當(dāng)無線模塊要向接收端發(fā)射數(shù)據(jù)時，將SLEEP引腳置高150 ms之后，無線模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，發(fā)射完數(shù)據(jù)之后，將SLEEP引腳拉低，此時無線模塊進(jìn)入休眠模式，在此模式下，無線模塊無法進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了低功耗的目的。

2．4太陽能充電芯片的睡眠模式

系統(tǒng)采用一款可使用太陽能電池供電的PWM降壓模式充電管理集成芯片CN3722，它具有太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能，能夠給多節(jié)鋰電池進(jìn)行充電。充電原理圖如圖3所示。

該充電芯片CN3722內(nèi)部具有的低電壓鎖存電路，將監(jiān)測輸入電壓，當(dāng)輸入電壓低于6 V(典型值)時，內(nèi)部電路被關(guān)斷，充電器不工作，CN3722進(jìn)入睡眠模式。

在睡眠模式電池消耗的電流包括：

(1)流入BAT管腳和CSP管腳的電流，大約為10 μA(VBAT=12 V)。

(2)從電池端經(jīng)過二極管D2流到輸入電壓端的電流，此電流由二極管D2的漏電流決定，如圖3所示。

(3)從電池端經(jīng)過二極管D3流到地(GND)的電流，此電流由二極管D3的漏電流決定。

綜上所述，當(dāng)充電芯片 CN3722進(jìn)入睡眠模式時，電池的消耗非常小，從而有利于延長電池的使用時間。

圖3　太陽能充電電路

3　系統(tǒng)低功耗運(yùn)行方式

整個系統(tǒng)的動態(tài)功耗管理的核心是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。在軟件設(shè)計中，采用的是定時器中斷喚醒MSP430F247單片機(jī)的方法[7]，在系統(tǒng)不工作時，要使單片機(jī)及時進(jìn)入低功耗模式，軟件流程圖如圖4所示，MSP430F247單片機(jī)工作在突發(fā)狀態(tài)，大部分時間處于低功耗模式下。在系統(tǒng)上電之后，單片機(jī)完成初始化之后，進(jìn)入低功耗模式，在此之前，傳感器的電源通過軟件控制被斷開，無線模塊處于休眠狀態(tài)，只有定時器產(chǎn)生中斷之后，才觸發(fā)CPU運(yùn)行，通過軟件開啟傳感器電源，喚醒無線模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)射。定時器的定時長短可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)要求進(jìn)行設(shè)定。定時器的定時時間越長，整個系統(tǒng)的功耗越小，從而達(dá)到了節(jié)能的目的。

圖4　軟件流程圖

4　實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上低功耗的研究，文中對整個系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。先將鋰電池充滿電量，文中采用的鋰電池組的電量為5 200 mAh，鋰電池充滿電時的電壓為8.4 V，當(dāng)鋰電池電壓低于5.7 V時，系統(tǒng)將無法正常工作，此時大約消耗電池總電量的85%。在實(shí)驗(yàn)室中，太陽能電池板的電壓很低，電源選擇電路會自動選擇鋰電池為整個系統(tǒng)供電，采用萬用表測量系統(tǒng)總體電流。

如果Q表示電池可用電量，單位mAh；t1表示采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的時間，單位為h；t2表示傳感器采集數(shù)據(jù)間隔，單位為h；I1表示數(shù)據(jù)采集和發(fā)送過程中的平均電流，單位為mA；I2表示整個系統(tǒng)待機(jī)時的電流大小，單位為mA.并且忽略I1和I2兩個階段的電壓變化。則系統(tǒng)中電池的使用時間t的計算公式為：

(2)

上述變量的關(guān)系如圖5所示。

圖5　式(2)中各變量關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)得出：I1=177 mA，I2=35 mA，t1=5 s．采用以上低功耗措施之后，數(shù)據(jù)采集和發(fā)送間隔與電池使用時間的關(guān)系如表1所示。

表1　測量間隔與電池使用時間的關(guān)系

由實(shí)驗(yàn)可以得出，當(dāng)測量間隔比較大時，電池使用時間的長短主要受整體系統(tǒng)待機(jī)的電流大小影響，通過使用文中的低功耗設(shè)計方法，降低了待機(jī)時的電流，從而延長了電池的使用時間。從表1中可以看出，當(dāng)測量間隔為5 min時，系統(tǒng)在陰雨天能夠連續(xù)工作106 h，如果需要系統(tǒng)工作更長的時間，可以提高電池電量或者增加測量間隔。

5　結(jié)束語

為了延長電池的使用時間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)陰雨天的情況下系統(tǒng)的連續(xù)工作，文中從硬件和軟件兩方面分別采用了不同的低功耗技術(shù)，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性及顯著的效果。文中對系統(tǒng)低功耗的研究實(shí)現(xiàn)了野外檢測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在無人值守的情況可以完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理，提高了計量精度和生產(chǎn)效率，降低了勞動強(qiáng)度和投入成本。在野外檢測系統(tǒng)的數(shù)字化進(jìn)程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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