一种基于NB-IOT网络低功耗环境监测系统设计_程长流.pdf

96|电子制作 2023 年 3 月电子基础0 引言物联网作为智能化的核心，在农业、工业、制造业等方面取得广泛而深入的发展，随着工业 4.0 的进一步的发展，人们步入了智能化时代，万物互联互通，一切感知单元像一个一个神经元一样接入物联网，开启了感知万物，远程操控及集群计算为特征的智能化时代。窄带物联网 NB-IOT（Narrow Band-Internet of Things）是构建物联网的基础，它是因应时代而生的新一代蜂窝网络，兼具接入容量大，超低功耗，接入成本低等优点。基于 NB-IOT 技术构建低功耗设备系统在各个领域广泛应用。与传统 2G 网络相比，具有高达 1Gbps 的峰值速率，意味着基于蜂窝物联网的设备更多的连接数和单位设备容积率，功耗方面 NB-IOT 网络提供了三种工作模式：DRX、eDRx 和 PSM，本方案选用工作在DRX 模式。1 方案设计本文提出一种基于 NB-IOT 远程环境监测系统方案，方案从系统级别上整体考虑，在电源的引入上抛弃传统的交流供电方式，采用易于就地取材的太阳能电池板和铅蓄电池的组合，实现电能的转化与存储，再由转换效率较高 DCDC 电源电路组成分布式的电压拓扑结构供给各功能单元电路，从能源的引入到数据采集处理，再到数据的间隔发送与休眠的配合，实现全过程的低功耗设计。为了实现方案的低功耗、绿色环保的需求，系统终端节点采用 STM32L100C6为主控制器，结合太阳能控制器、土壤温湿度传感器、土壤酸碱度传感器以及电源分布控制 MOS 开关芯片 AMP4953K采集数据，并通过 NB-IOT 模块部件发送到服务端，实现设备长期低功耗运行，即使极端天气情况下，连续的阴雨天气时间长达一个月以上，系统利用铅蓄电池的储存的电能稳定的工作，为此系统低功耗设计需要以下两方面的要求：(1)在硬件选型方面使用低功耗设计，MCU 使用运行时更低工作电流的低功耗芯片以降低处理器自身耗能，对除主控器以外的电路在设备休眠期间切断供电电源，降低待机功耗。加大使能控制电路的阻抗降低运行功耗。(2)软件方面的低功耗设计，利用主控器内嵌 RTC 建立时钟系统，每天定时从休眠状态转为正常运行状态，打开传感器电源，采集土壤温湿度、PH 值等，通过 NB-IOT 模块发送数据，数据发送结束关闭除主控制器以外的所有外设电源，然后转换为休眠状态。数据采集终端采用 NB 模块 SIM7020C、MCU 芯片STM32L100C6 构成整个系统采集控制发送中心，通过工业RS485 总线连接土壤温湿度传感器、土壤酸碱度传感器以及噪声传感器，并通过 MOS 开关芯片电路对外部传感器设备供电，方案设计如图 1 所示。一种基于 NB-IOT 网络低功耗环境监测系统设计程长流，田倩（杭州宝叶环境建设有限公司，浙江杭州，311100）摘要：随着数字化的深入发展，在智慧城市与智慧农业中，对植物、苗圃生长的环境的监测以及土壤肥力的远程监测提出了更高的要求，但是这些应用区域布线不便或者没有电源，所以本文采用超低功耗设计，并且利用嵌入式系统的工作环境特点，选择铅蓄电池和太阳能板的组合方式，解决了供电问题。另一方面基于新兴技术NB-IOT构建低功耗网络，并使用超低功耗芯片MCU配合嵌入式软件完成数据采集发送和休眠状态的转换，实现的低功耗、绿色能源供电的长期在线的环境监测设计。关键词：智慧城市；低功耗；NB-IOT网络；嵌入式系统；环境监测图 1 整体方案图DOI:10.16589/11-3571/|97电子基础2 低功耗硬件设计 2.1 供电电路设计为了适配土壤温湿度、PH 值传感器的电压，选用 12V铅蓄电池作为电源输入，作为 MCU 芯片和 RS485 接口电路则需要 3.3V 的电源供应，在电源拓扑上采用直流电压变换 DCDC 结合低压差 LDO 电压变换输出，可以有效提高电源芯片的效率，降低不必要的热功耗，实验验证电源的效率极大影响系统的功耗，特别是直流降压 BUCK 开关芯片在低负载、空负载输出时效率的提高。DCDC 降压型 BUCK原理如 2 所示。图 2 降压型 BUCK 原理图在 BUCK 建立稳态后，电感充放电的电流是相等的，t=T*D 是充电的时间，T*(1-D)是放电的时间，即稳态时：I充电=I放电 I充电=*VinVout TDLT 为开关周期，D 为占空比，即是开关导通时间占整个周期的百分比。根据 BUCK 降压原理对电源系统低功耗设计有以下两个方面值得注意的是：（1）在低负载和空负载的情况下，电感值的大小对DCDC 降压芯片的效率较大的影响，断开负载情况下测试，电源系统的静态电流22mA，显然效率太低不符合系统要求，通过测试调整 BUCK 电路的电感值不断变大，静态电流不断降低，最终电感值为 150H，静态电流为 35A，此后电感值增大，静态电流稳定不变。（2）对降压芯片的周边电路元件的要求，选择阻值的大的电阻，可以降低电源使能输入电流，对降低整个电源系统的静态电流有一定作用，电源使能脚电阻选择在 1M。2.2 主控制芯片本方案低功耗设计不仅要求主控制器作为系统核心，能提供丰富的接口、高速的处理能力，而且要求主控器有极低静态功耗和运行功耗，所以选择 ST 公司的超低功耗系列芯片 STM32L100C6 作为主控制器，该控制器是意法半导体公司产品线中高性能 32-bit Cortex-M3 核心的处理器，操作频率高达 32 MHz(33.3 DMIPS)，具有 128K 字节 flash 空间，高达 10K 字节的内存 RAM 空间，而且包含标准的通信接口：两个 I2C 接口、两个 SPI 接口、三个 USART 接口和一个 USB 接口，同时包含一个片上 RTC 时钟和一组备份寄存器，使芯片在待机模式下（Standby mode）以极低功耗继续计数，保持时钟计时器的稳定运行与唤醒。STM32L1系列最大优势兼顾性能的前提下功耗进一步降低，静态功耗仅为 0.3A(no RTC)，唤醒时间小于 8s。在MCU核心电路设计方面，由于使用了片内RTC单元，该单元需要外部接入 32.768kHz 晶振，对该部分电路谨慎选择晶振以及起振电容，以免造成晶振不起振 RTC 时钟失效的风险。从以下两方面注意：（1）晶振选用低负载高精度晶振。（2）晶振外接的匹配电容，由于 PCB 层数、材质以及走线的影响，实际选用时 12.5pF 电容并不能稳定工作，经过测试匹配电容选择 5pF 时，晶振电路能稳定正常工作。2.3 RS485 总线接口设计本设计选用 SP3485 作为 RS485 总线收发器控制器，工作在半双工模式，收发切换控制通过一个简单三级管电路实现自动收发控制，节省了 IO 接口资源也减少了软件控制的难度。土壤温湿度传感器、土壤 PH 传感器和噪声传感器等作为从设备挂接在总线上，通过设备地址响应主设备数据请求。RS485 接口电路设计如图 3 所示。1RO2RE3DE4DI5GND6A7B8VCCU11SP3485R5710KEBCQ1S8050R5810KU2_RXDU2_TXD485-485+U2_TXD485_RD485_RD+3.3VA+3.3VA 图 3 RS485 接口电路 2.4 电源管理设计本方案低功耗的要求系统对供电网络进行分配与管理，根据不同功能的电路划分，可以分为核心主控器模块、无线网络供电模块、传感器采集供电模块以及 RS485 总线接口供电模块，相应的电源需求分别是+12V、+5V、+3.3V 和+3.3VA，由+12V 输入电压经过降压型 DCDC 芯片 MP1591为核心及外围阻容组成的电路变压到+5V，+5V 再经过两路低压差 LDO 变换到为主控器模块供电的+3.3V，以及为98|电子制作 2023 年 3 月电子基础RS485 总线接口模块和无线网络模块供电的+3.3VA，其中+5V 作为电压转换的中间件不提供输出使用，这样设计可以避免由+12V 电压直接变换到+3.3V 的电源效率降低，而造成热功耗的增加；另一方面，开关直流电压变换再结合低压差 LDO 的方式，为控制器模块和网络发送模块提供了低噪声电源，增加硬件系统的稳定性。电源电路如图 4 所示。硬件系统上电初始时，传感器模块和+3.3VA 的电源在使能为低状态下处于关闭状态，系统中唯一的+3.3V 电源为主控制器模块供电，主控制器模块完成初始化后，首先通过一个简单二极管电路打开网络模块和 RS485 总线模块的供电 LDO 使能端，然后初始化网络模块，最后打开 MOS开关电路，经过一段时间的延时等待传感器模块的电源稳定后，主控制器模块通过 485 总线发送采集数据命令并填充协议数据结构中上传到云平台服务器，完成上述操作后，依次关闭传感器和网络模块的电源并进入休眠状态，此时主控制器模块的功耗即是整个系统静态功耗，在主控制器被定时闹钟唤醒后重复硬件系统上电初始化相同的电源时序，如此反复循环。电源管理流程图如图 5 所示。3 低功耗软件设计为了实现系统低功耗设计，在软件设计实现方面也兼顾功耗节约机制，软件系统工作分为初始化、环境数据采集、数据发送以及低功耗处理程序。通过自定义的 UDP 协议，设备终端可以把采集到土壤温湿度数据、PH 值数据打包成数据帧发送到云平台。3.1 软件设计实现软件设计上，采用模块化设计，按照功能和程序执行的顺序，把整个软件系统分为系统初始化模块、IOT 网络初始化模块、数据采集模块、协议填充发送模块和低功耗处理模块。初始化模块完成单片机的时钟配置、IO 口配置和 UART 通信接口配置初始化操作，以及关闭空闲的部件的时钟，对于空闲的 IO 口设置为浮空输入，以节约系统能耗。初始化完成后，在程序流控制下完成 IOT 网络初始化，首先打开 IOT 网络模块的电源，然后通过串口发送AT命令，完成一系列网络初始化设置，确认网络粘接成功后，循环等待获取模块主动发送的网络时间，获取的网络时间写入 RTC 寄存器，完成自动校时功能，同时写入备份寄存器一个字节的标记，记录已完成时间校准，下次开机唤醒将自动跳过校时程序，校时程序在系统唤醒中起到重要的作用，也是和后台服务器同步的基础。IOT 网络初始化后，程序控制打开传感器电源，等待电源稳定后，开始采集传感器数据，传感器通道采样周期为1s，采样间隔为 100ms，采集的数据采用平均滤波法处理。数据采集结束后，程序读取 RTC 的当前的时间与采集处理后的数据以及设备 ID 填充到协议的数据结构中，然后通过AT 命令控制数据包发送到云平台的服务器。低功耗处理模块主要完成关闭除主控制器供电模块以外的功能模块的电源，控制单片机进入待机模式，此模式下整个系统处于休眠状态，等待设定的定时时间后自动唤醒进入采集发送状态，软件设计实现流程如图 6 所示。12345678U11AMP4953K12R57100R12R58105C33104C45104C46102C47104GIOQ1DTC143ZETLC4810uF 50VC491051VIN2VSS3CE4NC5VOUTU12XC6220B331MRGC5010uFD41N4148R5910KR60NCHT_SW+12V+12VVCC_HT3.3V_EN+5V+3.3VA图 4 电源电路DCDCMOS开关温湿度传感器模块LDOLDO主控制器模块网络模块+5V+3.3V+3.3VA+12V+12V输入485总线模块图 5 电源管理流程图|99电子基础系统初始化网络连接成功打开模块电源NB模块初始化否获取网络时间校时是开启定时唤醒闹钟采集数据并上传定时时间到关闭模块电源并休眠否是 图 6 软件设计实现流程图 3.2 定时器唤醒低功耗设计中，通常由特定唤醒源控制流程，从而唤醒系统完成指定的操作，可以从方式上分为外部唤醒与定时唤醒，外部唤醒与单片机的特性相关，设定某一管脚输入为触发源唤醒芯片切换工作模式；嵌入式系统一般工作在无人照管的区域，多采用定时唤醒来切换系统工作状态，在达到系统设置的时间后时钟定时器触发中断跳出休眠状态，进入正常的运行工作状态。3