一種低功耗環(huán)境監(jiān)測模塊設計

劉亞賓　楊軍　常濤　楊泰

摘 要：低功耗環(huán)境監(jiān)測模塊可完成對溫度、濕度、露點等氣象要素以及實時時鐘、粉塵、噪聲、振動、磁場強度、鋰電池電量等物理要素的監(jiān)測。文章從電路設計、機械機構與軟件編程等方面對設計方案進行了介紹。該模塊不僅可用于測試鑄造設備及廠房環(huán)境參數(shù)，也可用于重要鑄件運輸過程中的環(huán)境要素的監(jiān)測與記錄。

關鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；低功耗；數(shù)據(jù)處理；電源管理

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

鑄造設備與廠房環(huán)境以及運輸中的重要鑄件都需要在整個過程中能了解并記錄其使用情況、環(huán)境狀況、運輸情況等，從而分析設備、鑄件及廠房所經(jīng)歷的環(huán)境條件及其變化情況。利用嵌入式技術將眾多要素監(jiān)測集成在一塊電路板上，可提供一種可剪裁、低功耗、全天候、性價比高的環(huán)境監(jiān)測解決方案。

1 功能需求

環(huán)境監(jiān)測模塊的基本測量要素包括溫度、濕度、露點[1]；擴展監(jiān)測要素有粉塵、噪聲、X/Y/Z三軸方向的振動（加速度）及磁場強度、鋰電池電量等。同時具備上電后24小時不間斷監(jiān)測、工業(yè)Modbus標準通信、人機交互、循環(huán)數(shù)據(jù)存儲、模擬量實時輸出與報警等功能，并易于與PLC系統(tǒng)集成，以滿足海洋運輸高溫、高濕、高鹽霧的使用環(huán)境。

2 總體設計及其工作原理

2.1 總體設計

環(huán)境監(jiān)測模塊主要由大容量鋰電池與PCB組成，單元對外接口主要為供電、模擬量輸出、報警輸出及Modbus通信接口，PCB設計相對獨立，可與鋰電池并置，也可單獨存在，利用9～36 V電壓供電。為提高模塊的通用性，功能單元采取模塊化設計，PCB采用母板加擴展板方式[2]，根據(jù)使用需求將相應功能模塊插入母板上的接插件即可。系統(tǒng)結構如圖1所示。

本設計重點對模塊的供電進行了濾波、過流、過壓保護設計，PCB在外部供電與電池供電之間可進行無擾切換，從而保護PCB關鍵功能器件。通過電源轉換器BUCK-BOOST工作原理，在保證電路供電電壓穩(wěn)定的前提下，最大限度地延長了鋰電池的工作壽命。在功能元器件及結構件的選型上，盡可能地選用寬溫寬壓型的工業(yè)級型號，在結構設計上充分考慮散熱及抗震因素，以提高對惡劣環(huán)境和長途運輸?shù)倪m應能力。同時，依據(jù)工程經(jīng)驗及各三防措施性價比對比，采用三防漆進行涂覆，對接插件部位以硅膠灌封，實現(xiàn)防潮濕、防鹽霧、防霉菌的三防設計[3]。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2.2 工作原理

環(huán)境傳感模塊的功能組成主要可分為以下三部分：電源轉換、數(shù)據(jù)采集與存儲、對外信息交互。

電源轉換將DC 5～28 V外部供電轉換為系統(tǒng)所需的DC 5 V與DC 3.3 V供電電源。DC 5 V使用于粉塵傳感及模擬電路，DC 3.3 V用于其他功能電路供電。

數(shù)據(jù)采集與存儲分為兩類，模擬式傳感（噪聲與粉塵）與數(shù)字式傳感（溫度、濕度、露點、X/Y/Z三軸方向振動（加速度）及磁場強度、鋰電池電量、RTC實時時鐘）。

對外信息交互主要為工業(yè)Modbus標準通信、液晶顯示、模擬量實時輸出與報警等功能。

3 具體實現(xiàn)

本文根據(jù)模塊功能組成部分從硬件、軟件角度分別設計。

3.1 硬件設計

3.1.1 電源轉換

電源轉換以鋰電池充放電及為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的所需電源為設計要點，同時滿足鋰電池無關性，即無論鋰電池具備與否，系統(tǒng)均能平穩(wěn)運行，以滿足不同的應用場合。

除發(fā)光二極管指示外部電源與否外，本設計還利用光耦TLP521-1進行外部電源與系統(tǒng)電源進行電壓匹配，以將外部電源狀態(tài)輸入至MCU的IO管腳加以判斷。

如圖2所示，寬壓輸入范圍的隔離穩(wěn)壓單輸出電源模塊ZY2405WHBBD-3W可為鋰電池提供DC 5 V的安全充電電壓。后級電源轉換芯片TPS63001DRC與TPS63002DRC采用BUCK-BOOST原理，在鋰電池有效充放電壓范圍內(nèi)，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的DC 3.3 V與DC 5 V供電電源。

圖2 電源轉換

3.1.2 數(shù)據(jù)采集與存儲

環(huán)境數(shù)據(jù)采集以ARM Cortex-M0（LPC11E67JBD100）為核心處理器[4]，3.3 V單電源供電（1.8～3.6 V），內(nèi)置20 KB SRAM、4 KB E2PROM、5個UART、2個I2C、2個SSP、4個Timer、12通道AI（12 b）、80個GPIO等外設，12 MHz正常工作模式消耗電流3 mA（普通睡眠模式僅2 mA），可滿足功能設計及低功耗需求。

所用各傳感模塊的參數(shù)如表1所列。表中露點溫度指空氣在此溫度下能保持最多的水汽，當溫度冷卻到露點，空氣變得飽和，就會出現(xiàn)霧、露或霜。露點根據(jù)溫度與濕度計算而得[5]：

Log EW= （0.660 77+7.5T /（237.3+T）+（log 10（RH）-2）

（1）

Dp= （（0.660 77 –log EW） × 237.3） / （log EW-8.160 77）

（2）

在公式（1）與公式（2）中，T為測試溫度，RH為測試濕度，Dp為露點計算結果。

數(shù)據(jù)存儲根據(jù)監(jiān)測需求，在定時間隔中斷及振動越限發(fā)生時，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)以SPI通信方式存儲至128 Mb的NOR FLASH（MMX25L12845EZNI-10G）中。其中，RTC實時時鐘SD3088AS具備鋰電池電量檢測功能，其中斷輸出頻率范圍為4 096 Hz～1/16 Hz，可根據(jù)不同應用場合靈活設置對應的數(shù)據(jù)采集頻率。

3.1.3 對外信息交互

對外信息交互主要采用以下4種方式：LCD液晶屏顯示、Modbus_RTU/TCP通信、數(shù)字量報警輸出、模擬量4-20 mA輸出。

（1）LCD液晶屏顯示：LCD12864-ST（3.3 V藍屏），串行SPI通信方式，分4行兩段實時顯示8個環(huán)境參數(shù)。由外部電源供電情況決定背光功能開啟與否。

（2）Modbus_RTU/TCP通信：分別由SP3485與嵌入式以太網(wǎng)轉串口模塊IPORT-1提供RS 485與以太網(wǎng)底層通信，高低字節(jié)交換的CRC16檢驗方式，保證通信的高可靠性。

（3）數(shù)字量報警輸出：在外部電源供電情況下，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的設定閾值，采用光繼電器TLP3554提供2.5 A的報警負載輸出。

（4）模擬量4～20 mA數(shù)據(jù)輸出：在外部電源供電情況下，以SPI通信方式，采用LTC2620CGN#PBF提供8路0～5 V的電壓輸出，分別對應溫度、濕度、露點、噪聲、粉塵濃度及X/Y/Z三軸振動加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)信號調(diào)理芯片ZCM436BS將0～5 V的電壓信號轉換為4～20 mA的電流信號。

3.2 軟件設計

模塊的軟件設計分為初始化、休眠/循環(huán)與中斷（定時、振動越限、串口通信）三類，圖3所示是模塊的主循環(huán)流程圖，圖4所示為其中斷流程圖。

（1）初始化：核心處理器LPC11E67JBD100上電復位后，進行內(nèi)部12 MHz晶振時鐘配置。延時穩(wěn)定后，對芯片引腳功能分配、GPIO輸入輸出特征、IO上升沿中斷、SPI與I2C通信等內(nèi)置外設功能進行配置，此步所有中斷使能需關閉，以防程序跑飛。之后讀取內(nèi)置E2PROM中存儲的參數(shù)配置數(shù)據(jù)（報警閾值、串行通信地址、RTC定時中斷間隔等），根據(jù)功能模塊子板插入母板情況，決定對應參數(shù)是否讀取，以及對應中斷使能是否開啟。

（2）休眠/循環(huán)：初始化后當外部電源存在時，進入循環(huán)模式，否則進入休眠模式，等待中斷喚醒。在循環(huán)模式下，首先檢測RTC實時時鐘模塊是否在線，在線則讀取實時時鐘數(shù)據(jù)。否則檢測各傳感模塊是否在線，在線則讀取相應數(shù)據(jù)，當鋰電池電量不足時，便提示充電。否則檢測模擬量輸出模塊是否在線，在線則輸出溫度、濕度、露點、噪聲、粉塵、X/Y/Z三軸方向加速度值共8路輸出，無論模擬量輸出模塊在線與否，均按照參數(shù)配置報警閾值進行判斷，決定報警輸出使能與否，之后檢測存儲模塊是否在線，在線則將所采集的數(shù)據(jù)存儲至NOR FLASH中。否則，當環(huán)境參數(shù)處于正常值范圍時，檢測LCD液晶屏模塊是否在線，在線則進行數(shù)據(jù)更新，不在線則進入下一輪循環(huán)。

圖3 主循環(huán)流程圖

（3）中斷：中斷可分為RTC實時時鐘定時中斷、X/Y/Z三軸加速度振動中任一軸向越限中斷及Modbus通信中斷。

①RTC實時時鐘定時中斷：根據(jù)參數(shù)配置中RTC定時中斷間隔（決定數(shù)據(jù)采集頻率），利用IO中斷喚醒核心處理器或打斷循環(huán)過程。類似循環(huán)模式，讀取在線環(huán)境傳感模塊數(shù)據(jù)（除振動外）后，根據(jù)存儲模塊在線情況，決定采集數(shù)據(jù)存儲還是直接退出中斷，當鋰電池電量不足時，提示充電。具體如圖4（a）所示。

②X/Y/Z三軸加速度振動中任一軸向越限中斷：根據(jù)參數(shù)配置中的報警閾值，利用IO中斷喚醒核心處理器或打斷循環(huán)過程。讀取振動及磁場數(shù)據(jù)后，根據(jù)存儲模塊在線情況，決定采集數(shù)據(jù)存儲還是直接退出中斷。如果在單位時間內(nèi)頻繁觸發(fā)，則置為運輸狀態(tài)，計時5分鐘后再重新記錄，并直接退出中斷。具體如圖4（b）所示。

③Modbus通信中斷：第一次上電時，默認9 600 b/s，無校驗，8位數(shù)據(jù)位，通信地址為1，用戶可根據(jù)具體需求進行配置，配置的數(shù)據(jù)保存至核心處理器內(nèi)置的E2PROM中，斷電重啟或按下手動復位鍵后配置生效。根據(jù)數(shù)據(jù)寫入或讀取命令進行數(shù)據(jù)長度解析，接收到CRC校驗后進行判斷，校驗正確則給予反饋輸出。Modbus RTU與Modbus TCP分用不同的串口中斷，但同時僅能一個進行響應。具體如圖4（c）所示。

（a）RTC實時時鐘定時中斷 （b）振動越限中斷 （c）Modbus通信中斷

圖4 中斷流程圖

3.3 數(shù)據(jù)存儲格式與計算

存儲至NOR FLASH中的數(shù)據(jù)格式如表2及表3所示。除RTC實時時鐘外，所有環(huán)境參數(shù)擴大10倍四舍五入后取整存儲，類別值為0x5A5A時，代表該記錄為RTC、溫度、溫度、露點、噪聲、粉塵、鋰電池電量數(shù)據(jù)，當類別值為0xA5A5時，代表該記錄為X/Y/Z三軸加速度及磁場強度數(shù)據(jù)。

假設數(shù)據(jù)采集頻率設置為1 Hz，1天24小時不間斷采集的數(shù)據(jù)量為：

24（h）×60（m）×60（s）×20（Byte） = 1 728 000 Byte

則128 M NOR FLASH能循環(huán)存儲9天的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場可根據(jù)使用需求靈活調(diào)整采集頻率。

由于采取循環(huán)與中斷相結合的方式，既保證了關鍵數(shù)據(jù)的實時性，又保證了參數(shù)采集與輸出的連續(xù)性，并兼顧存儲空間的需求。

當需要更大存儲空間時，可采用SD卡方式進行數(shù)據(jù)存儲，同時程序與電路板需做對應微調(diào)。SD卡片插入插座后，采用硅膠彈性固定。

4 結 語

本模塊借鑒自動氣象站的監(jiān)測要素與技術指標，結合鑄造設備與廠房環(huán)境監(jiān)控以及運輸過程中的重要鑄件需要重點關注的環(huán)境參數(shù)，利用嵌入式技術將眾多要素的監(jiān)測集成在一塊電路板上，采用母板加功能插件方式，提供一種可剪裁、低功耗、全天候、性價比高的環(huán)境監(jiān)測解決方案，具備實時監(jiān)控與關鍵歷史數(shù)據(jù)追溯功能。

本模塊對外交互采用4-20 mA輸出、隔離型光繼電器可接中小功率負載、標準Modbus RTU與Modbus TCP通信，可方便地與工業(yè)PLC、DCS等系統(tǒng)進行無縫集成，具有良好的應用推廣價值。

參考文獻

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