碱性电池供电的定时拍摄和邮件传送装置

摘要：有关权威机构曾称现在的碱性电池已无汞环保，可以与生活垃圾一起丢弃。该文采用LR20碱性电池作为网络监测装置的唯一电源。该装置采用周期性工作方式，基于WIFI无线网络，定时启动拍摄现场图片并以电子邮件的形式发出，然后睡眠。通过约两年的实验表明这种装置具有一定的应用价值。

关键词：监测装置；碱性电池；定时启动

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）26-0247-02

1 概述

对于一套长期无人居住的房子，存在漏水、被盗等等担心。如果能安装一个摄像头，每天拍几张图片或传一些参数上网，实现远程监测，应该是一个不错的想法。当今先进的家用防盗报警装置琳琅满目，价格实惠，性能不错，但许多都要用220V交流市电。长期（如数月）無人的套房环境中不断电220V，其安全性并不会被所有人认可。例如，如果一两个月外出旅游，不少国人都有将冰箱断电的习惯。因此，自然也想到采用电池给这样的监测装置供电，碱性电池是候选者之一。

当今品牌的碱性电池虽然其能量密度不是最高，大电流放电性能不是最好，但是，它有两个显著优点：⑴有关权威机构声称此类电池无汞环保，可以与生活垃圾一起丢弃[1]。⑵该类电池在不少普通超市就能买到，且尺寸是标准的。不像前些年某些手机的电池，如果电池损坏了，需要找到手机生产商才能买到品牌的放心电池。

那么，碱性电池能不能满足这样的监测装置的用电要求呢？

2 设计思路

这里的碱性电池采用LR20，三节串联得4.5V。监测装置由电源控制（主要由场效应管组成）模块、WIFI模块GS1011MI、STM32F103RCT6主控单片机及摄像头模块PTC08组成[2]。为实现夜晚黑暗情况下的拍摄，摄像头配有红外灯。另外，单片机接有nRF24L01模块，以备短距离无线控制用（如控制WIFI路由器的供电）。LR20电池如何与监测装置配合，免不了要采用有关的低功耗设计手段[2][3]。这里列出几个主要特点：

（1） 周期性地定时启动，工作时间短，睡眠时间长。比如，一天工作4次，每次工作时间一分钟，假定工作时平均电流150mA，100天内工作时间总耗电只有100×150×（1/60）=250mAh，只要能努力降低睡眠时的电流，实现较长的工作时间是比较乐观的。

（2） 程序流程中的主要环节尽量采用定时器控制。无论是启动摄像头拍摄并获取照片，还是网络通信，一般厂商推荐的方法都是要开发者等待有关的应答标志的到来。比如，读到“FF D9”时才能算一张JPEG图片读完了。又如，向GS1011M发出“AT”命令后需要等待对方回答“OK”才算完整。但是，每次通信不能保证百分之百成功，需要的时间一般也随环境而变，尤其是网络通信，如果很快当然好，很慢甚至不成功的话，如果一味地等待下去，将耗费宝贵的电池能量，也会使得电池的使用寿命无法估计。因此，对这样的过程采用定时方式，或设定一个最大等待时间，是必需的。即使本次不成功，也要结束工作状态进入睡眠。一天内本次邮件不成功，另外三次成功也还是不错的（假定一天拍摄四次）。

（3） 主要耗电模块分时供电，以降低电池需要提供的最大电流。耗电主要以WIFI模块GS1011MI和摄像头模块为主，尤其是摄像头模块开通红外灯时。GS1011MI模块最大电流可达250mA，摄像头模块带上红外灯时可达300mA，绝不能让这两个最大电流同时出现。特别是当电池用过一段时间后，大电流会造成电池电压下降过多，容易造成整个装置不能正常工作或低电压关机。设计中采用的方法是：先拍摄照片，然后立即关断摄像头模块的电源，再打开WIFI模块的电源。

（4） 固定长度JPEG图片。一般来说，拍摄的JPEG图片文件的长度跟现场环境有关。如果每次只传送从文件头部算起的固定长度的数据，很可能后面一部分数据就丢了，远方看到的是一幅不完整图像[2]。但是，这样做有利于以定时方式进行编程，并且主控单片机的片内存储器足以储存。再说，不完整图像也能反映被监测现场的大部分信息。

3 邮件传输流程

每次主控单片机唤醒并初始化后，打开摄像头模块的电源，花数秒拍照并存入内存，然后切断该模块电源，再打开GS1011MI的电源，连接WIFI路由器，通过邮件协议发出内存中的图片。一定时间后，主控单片机切断GS1011MI的电源，自己也进入Standby状态，整个装置入睡。程序用C语言编写。其中，邮件发送过程如下：

发出命令EHLO x；

发出命令AUTH LOGIN；

用base64编码发出username：如monitor；

用base64编码发出password：如888888；

发出命令MAIL FROM： 如monitor@xxxxxx.com；

发出命令RCPT TO： 如monitor@xxxxxx.com；

发出命令DATA；

发出邮件数据帧（其中有的要以base64编码发）；

以base64编码发出邮件附件图片文件的前n-1个等长包；

以base64编码发出邮件附件图片文件的最后一个小包；

发出命令endwithIMF；

发出命令QUIT。

4 结束语

图片以邮件附件的形式发出。实验中一个图片附件分15个包发出，前14个包长度均为1050个字节，最后一个小包为30个字节长。该装置实验了约两年的时间。在一次较长的实验中，一天四次唤醒，发四个邮件，每次唤醒时间不超过一分钟，一组新的品牌电池使用了约10个月后（其中有两次断电检查但总共不超过1天时间）仍然有不错的剩余电能，这组电池接着用于做其它相关实验，还正常使用了一段时间。经过估计，三节新的品牌电池可以连续使用一年以上。如果一天唤醒的次数小于四次，则可以更长。在这约10个月的实验中，WIFI路由器与本装置相距不超过10米，中间门窗不完全密封，邮件丢失总数不超过10%。

如果WIFI路由器距离较远信号较弱，为了保证邮件发送的成功率，可以采用加大WIFI模块的发射功率等措施，但这样会加大唤醒期间的耗电。因此，今后应该对程序、对硬件设计进行不断的改进，尽量降低整个装置的工作电流和睡眠电流。例如，如果采用超低功耗单片机STM32L162，其Standby状态时电流可低至1.15μA，而实验所用的STM32F103RC单片机Standby电流约为3.8μA。又如，如果切断nRF24L01模块电源，装置睡眠电流只有9μA左右（偶尔有几十μA），不切断的话（上述10个月的实验就是如此），多次测量都有几十μA。

参考文献：

[1] http：//tv.cntv.cn/video，《走进科学》20150722，废旧电池换新说.

[2] 钱光明. 一种室内自动拍摄图片网传方案[J]. 电脑知识与技术，2015， 11（23）：159-161.

[3] 钱光明. sleep+run周期模式下的低能耗估算[J]. 电脑知识与技术，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.

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