一种超低功耗智能井盖监测系统设计

杨 超 杨 帆 庞佑兵 刘登学

（中国电子科技集团公司第24 研究所，重庆 400060）

0 引言

随着我国城市基础设施建设事业的持续高速发展，城市中给水排水、燃气、热力、电力通信等各类市政公用设施日益增加，城市路面的各类地下管线设施的井盖也相应地不断增多。 近年来，由于城市中井盖管理不善造成全国范围内各类伤人、 损车事件频发，严重影响了市民的出行安全，造成不良的社会影响[1]。

随着网络的普及，尤其是GPRS/3G/4G 基站的普及， 各类基于物联网的城市井盖管理系统相继产生，并小范围布设。 根据前期使用情况，可以大致分为以下两类：

（1）基于ZIGBEE 自组网技术：优点技术难度低，功耗低，缺点是需要自组网，网络铺设和后期维护成本很高[2]。 （2）基于GPRS 的无线传输技术：优点是采用现有的2G/3G 基站，技术成熟，维护成本较低，缺点是GPRS发射功耗很大，电池续航能力不足，后期维护难度较大。

本文根据现有设计的不足， 提出一种基于GPRS网络的低成本、低功耗的设计方法，大大降低了产品的成本和功耗，提高了产品使用寿命。

1 电路设计与分析

1.1 电路原理分析

本电路主要采用ADI 公司的ADXL345 三轴加速度传感器来测量井盖倾角， 一旦倾角大于报警门限，传感器立即触发控制器STM32L051 产生中断，使STM32L051 退出停止模式，启动GPRS 并上报井盖角度和信息； 如果井盖长时间处于正常状态， 控制器STM32L051 每隔1 天， 启动传感器测量井盖的倾角，并将数据和信息通过GPRS 转发给上位机，转发成功后，GPRS 断电，控制器进入停止模式。 电路原理框图如图1 所示。

图1 电路实现框图

1.2 单元电路设计与分析

1.2.1 传感器电路设计

ADXL345 不直接测量角度， 而是利用静态条件下，X、Y、Z 三个方向的加速度值来间接测量角度，如图2 所示，此可得到解算角度的关系式[3]如下：

根据以上测角原理， 可以准确测量井盖的倾角。而且ADXL345 的工作电流极小，为23 μA，待机电流为0.1 μA，最适合低功耗的场合使用。

1.2.2 控制器电路设计

控制器采用意法半导体公司生产的STM32L051型MCU 实现， 该产品主要为低功耗应用环境设计，工作在停止模式时，待机电流为1 μA，可以满足长时间待机需求。 本文设计上，采用该款MCU 控制加速度传感器测量角度之后， 控制开关启动GPRS 工作，将角度等信息上报上位机。 产品工作流程图如图2 所示。

图2 ADXL 测角原理图

图3 MCU 工作流程图

1.2.3 GPRS 接口电路设计

GPRS 采用成熟的模块电路M2110 实现，该模块起到发送数据、接收配置信息的桥梁作用，但由于该产品功耗极大，发射时功耗接近1W，待机时，静态电流也有20 mA 左右， 尤其是网络信号不好的情况下，功耗更大。 而本文方案设计时考虑实际使用情况：只有发送数据时GPRS 模块才工作，工作时间不到半分钟，其余时间都处于不工作状态，因此，为了极大的降低GPRS 模块不工作时的待机电流， 采用了功率开关，通过控制GPRS 模块供电来降低待机状态下该模块的功耗，电路原理图如图4～图6 所示。

2 电路设计结果及分析

通过以上设计，本文单元电路功耗统计如表1 所示。

表1 功耗统计表

由表1 统计可知， 配备一款10 000 mAh 的锂离子电池，正常使用情况下（一天透传一次数据），该产品可持续工作1 799 天（约为5 年）。 由于省去了采用ZIGBEE 方案自组网和后期网络维护的费用， 同时也规避了采用GPRS 网络功耗较大问题，因而，本文电路的生产维护成本较低， 可后期大面积推广使用，电路实物如图7 所示。

3 结语

图4 加速度传感器设计原理图

图5 MCU 部分原理图

图6 GPRS 模块原理图

本文根据智慧城市化进程的需要， 基于现有的GPRS 基站， 开发了一款超低功耗的城市井盖智能检监测系统，可以解决城市井盖监测系统研发遇到的取电难，电池续航不足等问题。 但个别地区GPRS 基站覆盖问题导致个别监控点井盖破损后， 无法及时上报，处理。后期随着3G/4G 基站的普及，这些问题可以得到解决。 后续将通过改进设计，采用电路与电池分体设计，可以解决5 年之后，更换电池的难题，使后期维护更加方便快捷。

图7 产品实物图