堿性電池供電的定時拍攝和郵件傳送裝置

摘要：有關(guān)權(quán)威機構(gòu)曾稱現(xiàn)在的堿性電池已無汞環(huán)保，可以與生活垃圾一起丟棄。該文采用LR20堿性電池作為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測裝置的唯一電源。該裝置采用周期性工作方式，基于WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，定時啟動拍攝現(xiàn)場圖片并以電子郵件的形式發(fā)出，然后睡眠。通過約兩年的實驗表明這種裝置具有一定的應用價值。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測裝置；堿性電池；定時啟動

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）26-0247-02

1 概述

對于一套長期無人居住的房子，存在漏水、被盜等等擔心。如果能安裝一個攝像頭，每天拍幾張圖片或傳一些參數(shù)上網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測，應該是一個不錯的想法。當今先進的家用防盜報警裝置琳瑯滿目，價格實惠，性能不錯，但許多都要用220V交流市電。長期（如數(shù)月）無人的套房環(huán)境中不斷電220V，其安全性并不會被所有人認可。例如，如果一兩個月外出旅游，不少國人都有將冰箱斷電的習慣。因此，自然也想到采用電池給這樣的監(jiān)測裝置供電，堿性電池是候選者之一。

當今品牌的堿性電池雖然其能量密度不是最高，大電流放電性能不是最好，但是，它有兩個顯著優(yōu)點：⑴有關(guān)權(quán)威機構(gòu)聲稱此類電池無汞環(huán)保，可以與生活垃圾一起丟棄[1]。⑵該類電池在不少普通超市就能買到，且尺寸是標準的。不像前些年某些手機的電池，如果電池損壞了，需要找到手機生產(chǎn)商才能買到品牌的放心電池。

那么，堿性電池能不能滿足這樣的監(jiān)測裝置的用電要求呢？

2 設(shè)計思路

這里的堿性電池采用LR20，三節(jié)串聯(lián)得4.5V。監(jiān)測裝置由電源控制（主要由場效應管組成）模塊、WIFI模塊GS1011MI、STM32F103RCT6主控單片機及攝像頭模塊PTC08組成[2]。為實現(xiàn)夜晚黑暗情況下的拍攝，攝像頭配有紅外燈。另外，單片機接有nRF24L01模塊，以備短距離無線控制用（如控制WIFI路由器的供電）。LR20電池如何與監(jiān)測裝置配合，免不了要采用有關(guān)的低功耗設(shè)計手段[2][3]。這里列出幾個主要特點：

（1） 周期性地定時啟動，工作時間短，睡眠時間長。比如，一天工作4次，每次工作時間一分鐘，假定工作時平均電流150mA，100天內(nèi)工作時間總耗電只有100×150×（1/60）=250mAh，只要能努力降低睡眠時的電流，實現(xiàn)較長的工作時間是比較樂觀的。

（2） 程序流程中的主要環(huán)節(jié)盡量采用定時器控制。無論是啟動攝像頭拍攝并獲取照片，還是網(wǎng)絡(luò)通信，一般廠商推薦的方法都是要開發(fā)者等待有關(guān)的應答標志的到來。比如，讀到“FF D9”時才能算一張JPEG圖片讀完了。又如，向GS1011M發(fā)出“AT”命令后需要等待對方回答“OK”才算完整。但是，每次通信不能保證百分之百成功，需要的時間一般也隨環(huán)境而變，尤其是網(wǎng)絡(luò)通信，如果很快當然好，很慢甚至不成功的話，如果一味地等待下去，將耗費寶貴的電池能量，也會使得電池的使用壽命無法估計。因此，對這樣的過程采用定時方式，或設(shè)定一個最大等待時間，是必需的。即使本次不成功，也要結(jié)束工作狀態(tài)進入睡眠。一天內(nèi)本次郵件不成功，另外三次成功也還是不錯的（假定一天拍攝四次）。

（3） 主要耗電模塊分時供電，以降低電池需要提供的最大電流。耗電主要以WIFI模塊GS1011MI和攝像頭模塊為主，尤其是攝像頭模塊開通紅外燈時。GS1011MI模塊最大電流可達250mA，攝像頭模塊帶上紅外燈時可達300mA，絕不能讓這兩個最大電流同時出現(xiàn)。特別是當電池用過一段時間后，大電流會造成電池電壓下降過多，容易造成整個裝置不能正常工作或低電壓關(guān)機。設(shè)計中采用的方法是：先拍攝照片，然后立即關(guān)斷攝像頭模塊的電源，再打開WIFI模塊的電源。

（4） 固定長度JPEG圖片。一般來說，拍攝的JPEG圖片文件的長度跟現(xiàn)場環(huán)境有關(guān)。如果每次只傳送從文件頭部算起的固定長度的數(shù)據(jù)，很可能后面一部分數(shù)據(jù)就丟了，遠方看到的是一幅不完整圖像[2]。但是，這樣做有利于以定時方式進行編程，并且主控單片機的片內(nèi)存儲器足以儲存。再說，不完整圖像也能反映被監(jiān)測現(xiàn)場的大部分信息。

3 郵件傳輸流程

每次主控單片機喚醒并初始化后，打開攝像頭模塊的電源，花數(shù)秒拍照并存入內(nèi)存，然后切斷該模塊電源，再打開GS1011MI的電源，連接WIFI路由器，通過郵件協(xié)議發(fā)出內(nèi)存中的圖片。一定時間后，主控單片機切斷GS1011MI的電源，自己也進入Standby狀態(tài)，整個裝置入睡。程序用C語言編寫。其中，郵件發(fā)送過程如下：

發(fā)出命令EHLO x；

發(fā)出命令AUTH LOGIN；

用base64編碼發(fā)出username：如monitor；

用base64編碼發(fā)出password：如888888；

發(fā)出命令MAIL FROM： 如monitor@xxxxxx.com；

發(fā)出命令RCPT TO： 如monitor@xxxxxx.com；

發(fā)出命令DATA；

發(fā)出郵件數(shù)據(jù)幀（其中有的要以base64編碼發(fā)）；

以base64編碼發(fā)出郵件附件圖片文件的前n-1個等長包；

以base64編碼發(fā)出郵件附件圖片文件的最后一個小包；

發(fā)出命令endwithIMF；

發(fā)出命令QUIT。

4 結(jié)束語

圖片以郵件附件的形式發(fā)出。實驗中一個圖片附件分15個包發(fā)出，前14個包長度均為1050個字節(jié)，最后一個小包為30個字節(jié)長。該裝置實驗了約兩年的時間。在一次較長的實驗中，一天四次喚醒，發(fā)四個郵件，每次喚醒時間不超過一分鐘，一組新的品牌電池使用了約10個月后（其中有兩次斷電檢查但總共不超過1天時間）仍然有不錯的剩余電能，這組電池接著用于做其它相關(guān)實驗，還正常使用了一段時間。經(jīng)過估計，三節(jié)新的品牌電池可以連續(xù)使用一年以上。如果一天喚醒的次數(shù)小于四次，則可以更長。在這約10個月的實驗中，WIFI路由器與本裝置相距不超過10米，中間門窗不完全密封，郵件丟失總數(shù)不超過10%。

如果WIFI路由器距離較遠信號較弱，為了保證郵件發(fā)送的成功率，可以采用加大WIFI模塊的發(fā)射功率等措施，但這樣會加大喚醒期間的耗電。因此，今后應該對程序、對硬件設(shè)計進行不斷的改進，盡量降低整個裝置的工作電流和睡眠電流。例如，如果采用超低功耗單片機STM32L162，其Standby狀態(tài)時電流可低至1.15μA，而實驗所用的STM32F103RC單片機Standby電流約為3.8μA。又如，如果切斷nRF24L01模塊電源，裝置睡眠電流只有9μA左右（偶爾有幾十μA），不切斷的話（上述10個月的實驗就是如此），多次測量都有幾十μA。

參考文獻：

[1] http：//tv.cntv.cn/video，《走進科學》20150722，廢舊電池換新說.

[2] 錢光明. 一種室內(nèi)自動拍攝圖片網(wǎng)傳方案[J]. 電腦知識與技術(shù)，2015， 11（23）：159-161.

[3] 錢光明. sleep+run周期模式下的低能耗估算[J]. 電腦知識與技術(shù)，2017， 13（26）：45-47.

[4] STM32F103VD STM32F103ZD STM32F103QD STM32F103RD Datasheet-production data， 2016， www.st.com.

[5] STM32F103xC STM32F103xD STM32F103xE Datasheet-production data， 2015， www.st.com.

[通聯(lián)編輯：代影]