基于BD/GPRS高續(xù)航能力的遠(yuǎn)程放牧監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要： 以草原畜牧業(yè)溯源追蹤為背景，設(shè)計(jì)一套以北斗二代為定位方式，通過GPRS實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)南到y(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的高續(xù)航能力，采用低功耗設(shè)計(jì)方案，并且給出一套智能電源管理策略以增強(qiáng)系統(tǒng)的續(xù)航能力。整個(gè)系統(tǒng)通過超低功耗芯片MSP430F149進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無人監(jiān)管長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 北斗二代； GPRS； 低功耗； 智能電源管理

中圖分類號(hào)： TN948.64?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）12?0135?04

Abstract： On the background of grassland animal husbandry traceability， a system is designed， in which BD?II is taken as its positioning mode and GPRS is used to achieve remote transmission of positioning data. In order to guarantee high voyage capacity， the design scheme of low power consumption is adopted. Additionally， a set of intelligent power management system is presented to strengthen the system’s voyage capacity. The whole system is controlled via ultralow?power chip MSP430F149. The experimental results show this system has realized long time operation of unmanned monitoring， so it has a very high application value.

Keywords： BD?Ⅱ； GPRS； low power consumption； intelligent power management

0 引 言

目前，內(nèi)蒙古大草原畜牧業(yè)科學(xué)化管理水平低，僅僅依靠以人力為牧養(yǎng)方式的單一化養(yǎng)殖方式并不科學(xué)合理，為了給牧民在養(yǎng)殖過程中提供合理的手段解放畜牧人力，給消費(fèi)者在購(gòu)買畜牧產(chǎn)品中買到優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品提供溯源信息的依據(jù)，給牧養(yǎng)動(dòng)物安裝定位裝置，在生長(zhǎng)周期中把其位置信息發(fā)送到指定服務(wù)器，既可實(shí)時(shí)查看，也能調(diào)用歷史信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘，從而指導(dǎo)草原生態(tài)的監(jiān)管，分析牧養(yǎng)動(dòng)物的習(xí)慣。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的快速發(fā)展以及日益完善，使其在航空，交通運(yùn)輸以及生產(chǎn)生活中各個(gè)方面的應(yīng)用越來越廣泛。首先，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自主研發(fā)的三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國(guó)GPS與俄羅斯GLONASS之后第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在中國(guó)以及周邊地區(qū)提供全天候全天時(shí)定位、導(dǎo)航以及授時(shí)服務(wù)[1]。隨著2015年3月30日首顆北斗導(dǎo)航全球組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射，也標(biāo)志著我國(guó)的北斗導(dǎo)航開啟了全球化的征程。但是截止目前，關(guān)于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品主要在海洋監(jiān)測(cè)、船舶遠(yuǎn)洋、森林監(jiān)管、道路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[2]。然而由于這些場(chǎng)景自身能給設(shè)備提供電源和足夠的空間，所以不用考慮功耗與體積的制約。

本文在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上以高續(xù)航能力為目標(biāo)，在器件的選型上不僅選擇低功耗芯片，而且遵循電壓宜低不宜高、時(shí)鐘宜慢不宜快、系統(tǒng)宜靜（態(tài)）不宜動(dòng)（態(tài)）的“三相宜”[3]原則和硬件軟件化原則，保證硬件的最簡(jiǎn)化。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)減少CPU的空轉(zhuǎn)與待機(jī)，定時(shí)開啟相應(yīng)的功能，并且結(jié)合硬件的設(shè)計(jì)來合理配置軟件的各寄存器工作狀態(tài)。通過智能電源管理算法的監(jiān)管，合理控制太陽能對(duì)鋰電池的充放電。這樣不僅能提高整個(gè)系統(tǒng)的續(xù)航能力，而且也會(huì)大大延長(zhǎng)電池的使用壽命。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，需要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)[4]和科學(xué)的電源管理[5]。本文的系統(tǒng)主要分為以下三部分：北斗定位信息的采集、GPRS數(shù)據(jù)的回傳、智能電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及策略。系統(tǒng)的整體構(gòu)架圖如圖1 所示。

本文依靠MSP430F149作為系統(tǒng)主控單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)以及智能電源的管理。結(jié)合所選單片機(jī)自身功耗低、處理速度快、自身集成了12位的ADC片內(nèi)資源等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款能獲取、提取、轉(zhuǎn)化定位信息，并通過合理控制GPRS模塊將轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流量的方式發(fā)送給用戶。本文為了增加整個(gè)系統(tǒng)的續(xù)航能力，同時(shí)提高電池的使用壽命，加裝了小型太陽能極板與電源智能管理系統(tǒng)，這樣為系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中長(zhǎng)時(shí)間、不間斷工作打下了基礎(chǔ)。

2 硬件設(shè)計(jì)概述

2.1 硬件設(shè)計(jì)的需求

系統(tǒng)的核心控制單元MSP430F149是美國(guó)德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的一款16位RISC混合信號(hào)處理器，其最為突出的特點(diǎn)是：低電源電壓、超低功耗，他的五種低功耗模式特別適合對(duì)功耗消耗要求很低的手持設(shè)計(jì)[6]。根據(jù)在集成電路中系統(tǒng)的功耗由靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗組成，而后者是功耗的主要來源，影響動(dòng)態(tài)功耗的主要因素是電源電壓，其次就是工作頻率[7]，接下來就是負(fù)載電容。但是負(fù)載電容一般根據(jù)各模塊的配置安裝，所以在這里就不做考慮。為了盡可能降低系統(tǒng)功耗，需要降低工作電壓和選用低頻率的工作時(shí)鐘。

北斗模塊選用的是和芯星通生產(chǎn)的UM220?Ⅲ?N，工作電壓僅約為2.7～3.3 V，功耗小于120 mW，體積僅為16 mm×12.2 mm。GPRS模塊選用的是SIM900A模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，符合本次的數(shù)據(jù)流量傳輸方式，且具有睡眠模式和最小功能模式，在睡眠模式下最低耗流僅為1 mA。根據(jù)對(duì)上述模塊的選型，在供電部分設(shè)計(jì)中選用SPX3819芯片分別為MSP430F149和北斗模塊提供3.3 V的電源電壓，且由單片機(jī)控制北斗電源的工作方式。SPX3819芯片是一款低噪聲、低壓差、低靜態(tài)電流LDO穩(wěn)壓器。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，當(dāng)使能端置位時(shí)耗流為70 μA，當(dāng)使能端清零時(shí)無電流消耗。

2.2 低功耗硬件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)MSP430F149內(nèi)部各資源以及時(shí)鐘可以獨(dú)立于CPU運(yùn)行，合理地配置單片機(jī)內(nèi)部各模塊的工作狀態(tài)，以及根據(jù)具體的工作狀態(tài)選擇合適的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)于系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)十分有利[8]。由實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知，當(dāng)單片機(jī)的8 MHz晶振開啟時(shí)，會(huì)產(chǎn)生118.2 μA的電流消耗。甚至由于I/O口的初始化不合理（第二功能模式耗流更大），串口的開啟都會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生mA級(jí)的大電流損耗；所以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，合理配置各個(gè)資源的工作模式很有必要。根據(jù)對(duì)以上因素的考慮，系統(tǒng)由定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，當(dāng)不需要工作時(shí)，CPU及不需要的模塊進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)定時(shí)時(shí)間，CPU被定時(shí)中斷喚醒，再開啟需要的時(shí)鐘以及所需要的模塊。處理器的低功耗工作流程圖如圖2所示。

2.3 BD定位模塊

本文選用的北斗二代模塊是由和芯星通公司生產(chǎn)的UM220?Ⅲ?N，這是一款GPS/BD雙模的芯片，也可設(shè)置GPS或者BD單模獨(dú)立運(yùn)行。由于供電電壓低，耗流低、體積小[9]，非常適合本文要求。在北斗模塊設(shè)計(jì)方面加裝北斗電源控制電路，在需要的時(shí)刻再給北斗供電，從而避免了由于長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)帶來的電流損耗。由于處理器只需要接收BD模塊數(shù)據(jù)，所以在串口1的初始化時(shí)只需要打開處理器的串口接收端口（RXD）。根據(jù)低功耗設(shè)計(jì)原則，給出北斗模塊部分的運(yùn)行流程圖如圖3 所示。

2.4 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊

GPRS選用上海芯訊通公司生產(chǎn)的SIM900A模塊，根據(jù)其自身具有TCP/IP與睡眠功能特點(diǎn)，睡眠功能可以通過發(fā)送“AT+CSCLK=1”進(jìn)行控制，并且通過控制DTR引腳的電平進(jìn)行模塊的喚醒與睡眠。合理地利用上述功能和分時(shí)初始化串口0，有利于進(jìn)行低功耗方面的設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在沒有指示燈情況下，模塊進(jìn)入睡眠模式時(shí)，耗流僅為1 mA。根據(jù)功耗最小化的設(shè)計(jì)原則，可以得到模塊的低功耗運(yùn)行流程圖如圖4所示。

3 電源管理系統(tǒng)

為了讓電池最大限度的工作，并延長(zhǎng)電池的使用壽命，設(shè)計(jì)了一套智能化電源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地對(duì)太陽能極板和電池電量進(jìn)行監(jiān)控，來決定如何合理的對(duì)太陽能極板和電池進(jìn)行控制，合理管理電源管理系統(tǒng)。解決了長(zhǎng)時(shí)間處于陰雨天氣、長(zhǎng)時(shí)間陽光暴曬、牛羊長(zhǎng)時(shí)間呆在棚圈里無法獲取陽光、天氣驟變等各種天氣變化造成的頻繁充斷電現(xiàn)象縮短電池壽命的情況。

智能電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。系統(tǒng)主芯片監(jiān)測(cè)太陽能電壓和電池電壓，通過檢測(cè)對(duì)比這兩個(gè)電壓信號(hào)，并使用概率冗余方法實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)管理，控制BD定位模塊和GPRS模塊的工作狀態(tài)。

概率冗余方法具體實(shí)現(xiàn)步驟：系統(tǒng)每間隔一定時(shí)間測(cè)量太陽能板電壓vsun和電池電壓vb，主芯片采集到vsun，vb后，進(jìn)入電源管理模塊，電源管理模塊進(jìn)行下一步判斷，當(dāng)vsun≥X（X是太陽能板的最小充電電壓，單位為V，不同的太陽能充電板X值不同）時(shí)，這時(shí)累加寄存器acc_reg加1（acc_reg初始值為5），當(dāng)vsun

4 性能指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求得到的電路板尺寸為7 cm×6 cm，該尺寸適中，適合系統(tǒng)的后期封裝。板上集成有低高頻線路，通過合理的布局避免了之間的相互干擾。

系統(tǒng)整體實(shí)物圖長(zhǎng)為9 cm，寬為7 cm，高為5～6 cm。系統(tǒng)表面覆蓋有柔性太陽能極板可以供設(shè)備充電，并且整個(gè)系統(tǒng)尺寸小，適合牛羊的佩戴。北斗天線從底部引出有利于其接收北斗信號(hào)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)單電池供電情況下系統(tǒng)的工作電流進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，在系統(tǒng)每半小時(shí)工作一次，每天工作12 h其余時(shí)間為睡眠狀態(tài)的情況下進(jìn)行測(cè)試，得到在各狀態(tài)下的電流消耗結(jié)果如表2所示。由結(jié)果中數(shù)據(jù)可知在睡眠模式時(shí)電流僅消耗1.072 mA，非常符合低功耗要求。

表2 系統(tǒng)耗流結(jié)果

以1天為一個(gè)完整的工作周期計(jì)算系統(tǒng)[10]，其平均功耗為2.280 2 mA。由上述結(jié)果可知，在沒有能量補(bǔ)給的情況下以2 800 mA·h的鋰電池供電，系統(tǒng)每30 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送，每天只工作12 h，其余時(shí)間進(jìn)入休眠仍然能夠工作25天，完全滿足在放牧過程中的應(yīng)用。實(shí)地測(cè)試中選擇在包頭市賽汗塔拉公園進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，圖6為設(shè)備發(fā)回的信息形成的軌跡圖，實(shí)際路線為賽汗塔拉的公園路。根據(jù)軌跡圖可以看出，在空曠地帶軌跡圖與實(shí)際路線基本吻合，誤差在2 m左右；在畜牧過程中這樣的誤差都在允許范圍內(nèi)。并且在實(shí)際測(cè)試中，整個(gè)系統(tǒng)可保持長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作。

5 結(jié) 語

本文的系統(tǒng)可以應(yīng)用于草原畜牧業(yè)的溯源追蹤以及牛羊的定位，系統(tǒng)自身具有長(zhǎng)時(shí)間工作不需要頻繁充電的優(yōu)勢(shì)。而且智能電源管理系統(tǒng)能合理的對(duì)太陽能極板和電池進(jìn)行控制，使電源系統(tǒng)在各種天氣情況下都能合理工作。系統(tǒng)能智能地判斷目前天氣情況，具有一定的冗余性，使電池系統(tǒng)不會(huì)因天氣的突變而不停的在各種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，保證電池極大限度的工作，并延長(zhǎng)電池的壽命。因此本裝置具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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