基于太阳能的野外检测系统低功耗设计

张元良，高　艳，王金龙

(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连　116024)

0　引言

随着工业的不断发展，越来越多领域需要采用野外检测系统进行检测控制。比如野外采油业，生态监测行业，地质监测行业等。以野外采油业为例，目前国内外很多油罐的液位检测仍采用人工测量的方法[1]，不仅结果误差大，难以精确控制，而且有很大的人身危险。随着现代网络和通信技术的迅速发展，无线通讯使得远程监控得到了发展[2]。在野外，如果采用市电供电，就需要架设输电线路，这就使得整个系统的成本提高。野外检测系统的好处是方便，抗干扰性强，但是供电比较困难。近几年来，随着太阳能发电的发展越来越快，在野外检测系统中太阳能供电得到了广泛的应用[3]。在诸多新型清洁能源中，太阳能无疑是其中的佼佼者。太阳能具有普遍性、安全可靠、无噪声、低污染、无消耗燃料和架设输电线路就能发电的特点。这些特点正适应了野外空旷的地理环境。

但是太阳能电池本身无法储存电能的，因此在阴雨天的时候就很难使得野外检测系统正常工作。而且太阳能电池的输出特性受光照强度和光线频谱等因素影响，输出电流很不稳定，这也使得太阳能电池不能直接驱动野外检测系统，而需要将太阳能电池先存储在蓄电池中，然后通过蓄电池为系统供电。锂电池作为蓄电池中的一种以其重量轻，寿命长，回收利用价值高等优点得到了越来越广泛的应用。文中的方案是使用太阳能对多节锂电池进行充电，然后由锂电池对野外检测系统进行供电。为了延长电池的使用时间，从而保证阴天系统仍能正常工作，在设计过程中，系统必须尽可能采用低功耗设计。

1　低功耗设计的原则

对于典型系统而言，其功耗大致满足以下公式：

P=C·V2·f

(1)

式中：C为电容负载；V为电源电压；f为开关频率。

功耗与工作电压V的平方成正比，因此工作电压对系统的功耗影响最大，其次是工作频率。电容负载也会有一些影响，但电容负载对设计人员而言一般是不可控的。因此设计低功耗系统，应该考虑在不影响系统性能前提下，尽可能地降低工作电压和时钟频率[4-5]。而工作电压过低又会使得传感器等外设电路无法正常工作，时钟频率过低会影响系统的运行速度，从而影响无线模块的工作效率。所以文中提出动态功耗管理的方法。

动态功耗管理是降低功耗的有效途径。动态功耗管理是当前最重要的系统功耗优化技术之一。它根据系统各模块性能，动态地配置系统，使系统中各功能模块处于满足性能需求所需的最低功耗状态，可以采用多分支电源网络，系统可以对各部件的电源进行单独控制，从而实现节省功耗的目的。文中从微处理器的设计、各外部器件的动态低功耗管理、系统低功耗运行方式等方面对系统的低功耗进行了研究。

2　系统硬件低功耗研究

野外检测系统一般由电源管理电路、传感器、微处理器和无线发送模块等部件组成，如图1所示。系统主要依靠太阳能供电，在阳光充足的情况下，太阳能电池板可以直接为系统供电，同时还要给锂电池充电；在阴雨天气，由锂电池为系统供电。这是由电源选择电路实现仲裁。太阳能电池板的电压与锂电池的电压相差很大，不容易实现仲裁，所以需要先降压。文中将根据低功耗设计原则，分别从不同部件的角度进行低功耗研究。

图1　野外检测系统

2．1低功耗的微处理器MCU

根据低功耗的设计原则，低电源电压和低时钟频率都对单片机的设计有很大的影响，再加上各种单片本身所具有的低功耗特性，选择合适的单片机对降低整个系统的功耗大有益处。

文中采用新一代超低功耗16位MSP430F247单片机[6]，该单片机具有低电源电压(1.8～3.6 V)和低工作电流，如主频在1MHz/2.2 V时，工作电流只有270 μA．它可以工作在低时钟频率下，如32.768 kHz，还具有多种低功耗模式。在待机模式下，电流消耗仅为0.8 μA．由于它超低功耗和高集成度的特点，使

得电路的设计节省了空间及其他芯片选型等的时间和成本，也节省了系统的功耗。

MSP430系列单片机的各个模块都可以独立运行，如定时器、输人/输出端口、AD转换、看门狗等都可以在休眠的状态下独立工作。若需要主CPU工作，任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU，从而使系统以最低功耗运行。让CPU工作于突发状态可以充分利用CPU的低功耗性能。通常，使用软件将CPU设定为休眠状态，在需要时，使用中断将CPU从休眠状态中唤醒，完成工作后又可以进入相应的休眠状态。

2．2传感器的动态电源管理

一个检测系统，离不开传感器，一般的传感器是使用24V电源进行供电的。如果传感器一直连续工作，那么供电系统的大部分电量将用于传感器工作。实际中，传感器是隔一段时间采集一次数据的，所以在设计中可以通过控制传感器的电源通断来使得传感器间歇工作，从而达到节省电能的作用。供电系统的电压一般小于24 V，所以需要采用升压芯片，将电压升到24V.为了节省传感器对电量的消耗，可以在传感器不工作的时候关断它的电源，这就需要一种带控制端的开关电源转换芯片。文中采用LT3436芯片，它本身电源转换效率比较高，并且通过SHUTDOWN控制引脚能够使该芯片进入休眠，在休眠的情况下，电流只有11 μA．它是一款3A，800 kHz的升压芯片，3～25 V宽输入范围正好适合锂电池的电压，输出电压可以通过分压电阻进行调节至24 V．升压电路如图2所示。

图2　升压电路图

将锂电池接入LT3436的输入端，电源芯片的SHUTDOWN引脚接在微处理器的一个通用IO上，当传感器需要采集数据时，由软件控制将SHUTDOWN引脚置高，为了使传感器达到稳定状态，需要延时几十ms，主要是为了使传感器达到稳定状态，然后再读取传感器的值。当传感器采集数据完成之后，再通过软件控制将SHUTDOWN引脚拉低。

2．3无线模块休眠设计

在系统中，无线模块采用中功率无线传输模块KYL-320L，它是一种远距离无线数据传输产品，它体积小、金属外壳、屏蔽性能好、抗干扰性强、稳定性及可靠性极高，能方便为用户提供双向的数据信号传输、检测和控制。该无线模块具有低功耗的特点，接收电流Irec<28 mA，发射电流Isend<1.5 A，休眠时电流Isleep<20 μA．它有三种休眠模式：模式硬件唤醒，串口唤醒，空中唤醒。

在系统中，采用模式硬件唤醒方式，将无线模块的SLEEP引脚接到微控制器的一个通用IO上，当无线模块要向接收端发射数据时，将SLEEP引脚置高150 ms之后，无线模块进入工作状态，发射完数据之后，将SLEEP引脚拉低，此时无线模块进入休眠模式，在此模式下，无线模块无法进行收发数据，实现了低功耗的目的。

2．4太阳能充电芯片的睡眠模式

系统采用一款可使用太阳能电池供电的PWM降压模式充电管理集成芯片CN3722，它具有太阳能电池最大功率点跟踪功能，能够给多节锂电池进行充电。充电原理图如图3所示。

该充电芯片CN3722内部具有的低电压锁存电路，将监测输入电压，当输入电压低于6 V(典型值)时，内部电路被关断，充电器不工作，CN3722进入睡眠模式。

在睡眠模式电池消耗的电流包括：

(1)流入BAT管脚和CSP管脚的电流，大约为10 μA(VBAT=12 V)。

(2)从电池端经过二极管D2流到输入电压端的电流，此电流由二极管D2的漏电流决定，如图3所示。

(3)从电池端经过二极管D3流到地(GND)的电流，此电流由二极管D3的漏电流决定。

综上所述，当充电芯片 CN3722进入睡眠模式时，电池的消耗非常小，从而有利于延长电池的使用时间。

图3　太阳能充电电路

3　系统低功耗运行方式

整个系统的动态功耗管理的核心是通过软件实现的。在软件设计中，采用的是定时器中断唤醒MSP430F247单片机的方法[7]，在系统不工作时，要使单片机及时进入低功耗模式，软件流程图如图4所示，MSP430F247单片机工作在突发状态，大部分时间处于低功耗模式下。在系统上电之后，单片机完成初始化之后，进入低功耗模式，在此之前，传感器的电源通过软件控制被断开，无线模块处于休眠状态，只有定时器产生中断之后，才触发CPU运行，通过软件开启传感器电源，唤醒无线模块，进行数据采集和发射。定时器的定时长短可以根据实际系统要求进行设定。定时器的定时时间越长，整个系统的功耗越小，从而达到了节能的目的。

图4　软件流程图

4　实验

根据以上低功耗的研究，文中对整个系统进行了实验。先将锂电池充满电量，文中采用的锂电池组的电量为5 200 mAh，锂电池充满电时的电压为8.4 V，当锂电池电压低于5.7 V时，系统将无法正常工作，此时大约消耗电池总电量的85%。在实验室中，太阳能电池板的电压很低，电源选择电路会自动选择锂电池为整个系统供电，采用万用表测量系统总体电流。

如果Q表示电池可用电量，单位mAh；t1表示采集和发送数据的时间，单位为h；t2表示传感器采集数据间隔，单位为h；I1表示数据采集和发送过程中的平均电流，单位为mA；I2表示整个系统待机时的电流大小，单位为mA.并且忽略I1和I2两个阶段的电压变化。则系统中电池的使用时间t的计算公式为：

(2)

上述变量的关系如图5所示。

图5　式(2)中各变量关系图

实验得出：I1=177 mA，I2=35 mA，t1=5 s．采用以上低功耗措施之后，数据采集和发送间隔与电池使用时间的关系如表1所示。

表1　测量间隔与电池使用时间的关系

由实验可以得出，当测量间隔比较大时，电池使用时间的长短主要受整体系统待机的电流大小影响，通过使用文中的低功耗设计方法，降低了待机时的电流，从而延长了电池的使用时间。从表1中可以看出，当测量间隔为5 min时，系统在阴雨天能够连续工作106 h，如果需要系统工作更长的时间，可以提高电池电量或者增加测量间隔。

5　结束语

为了延长电池的使用时间，实现连续阴雨天的情况下系统的连续工作，文中从硬件和软件两方面分别采用了不同的低功耗技术，并经过实验验证了该方案的可行性及显著的效果。文中对系统低功耗的研究实现了野外检测系统的远程监控，在无人值守的情况可以完成数据的采集、传输及处理，提高了计量精度和生产效率，降低了劳动强度和投入成本。在野外检测系统的数字化进程中具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]王乃民，杨炳发，陈丽，等．基于GPRS的油罐多液位远程监控系统．化工自动化及仪表，2009，36(6)：59-62．

[2]何玉发，李忠伟．储油罐液位测控系统设计．自动化仪表，2006，27 (11)：66-67．

[3]郑玉珍，李武华，何湘宁．便携式太阳能发电系统设计．浙江科技学院学报，2010，22 (3)：186-191．

[4]潘光玮，王升辉，丁晓明．随钻测井系统井下传感器的低功耗设计．单片机与嵌入式系统应用，2009，(9)：18-20．

[5]徐建平，耿世钧，马廷锋，等．超低功耗电子电路系统设计原则．电子技术应用，2003，(2)：78-80．

[6]沈建华，杨艳琴，瞿骁曙．MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用．北京：清华大学出版社，2006．

[7]周丽，裴东兴．基于MSP430单片机的超低功耗温度采集系统设计．电子测试，2011(10)：35-38．