基于BD/GPRS高續航能力的遠程放牧監控系統

摘 要： 以草原畜牧業溯源追蹤為背景，設計一套以北斗二代為定位方式，通過GPRS實現定位數據遠程傳輸的系統。為了保證系統的高續航能力，采用低功耗設計方案，并且給出一套智能電源管理策略以增強系統的續航能力。整個系統通過超低功耗芯片MSP430F149進行控制。實驗結果表明，該系統實現了無人監管長時間運行，具有很高的應用價值。

關鍵詞： 北斗二代； GPRS； 低功耗； 智能電源管理

中圖分類號： TN948.64?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0135?04

Abstract： On the background of grassland animal husbandry traceability， a system is designed， in which BD?II is taken as its positioning mode and GPRS is used to achieve remote transmission of positioning data. In order to guarantee high voyage capacity， the design scheme of low power consumption is adopted. Additionally， a set of intelligent power management system is presented to strengthen the system’s voyage capacity. The whole system is controlled via ultralow?power chip MSP430F149. The experimental results show this system has realized long time operation of unmanned monitoring， so it has a very high application value.

Keywords： BD?Ⅱ； GPRS； low power consumption； intelligent power management

0 引 言

目前，內蒙古大草原畜牧業科學化管理水平低，僅僅依靠以人力為牧養方式的單一化養殖方式并不科學合理，為了給牧民在養殖過程中提供合理的手段解放畜牧人力，給消費者在購買畜牧產品中買到優質產品提供溯源信息的依據，給牧養動物安裝定位裝置，在生長周期中把其位置信息發送到指定服務器，既可實時查看，也能調用歷史信息進行大數據挖掘，從而指導草原生態的監管，分析牧養動物的習慣。

隨著北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的快速發展以及日益完善，使其在航空，交通運輸以及生產生活中各個方面的應用越來越廣泛。首先，北斗衛星導航系統是中國自主研發的三維衛星定位與通信系統，是繼美國GPS與俄羅斯GLONASS之后第3個成熟的衛星導航系統。目前已經可以實現在中國以及周邊地區提供全天候全天時定位、導航以及授時服務[1]。隨著2015年3月30日首顆北斗導航全球組網衛星的發射，也標志著我國的北斗導航開啟了全球化的征程。但是截止目前，關于衛星定位系統的應用產品主要在海洋監測、船舶遠洋、森林監管、道路運輸等領域[2]。然而由于這些場景自身能給設備提供電源和足夠的空間，所以不用考慮功耗與體積的制約。

本文在系統的設計上以高續航能力為目標，在器件的選型上不僅選擇低功耗芯片，而且遵循電壓宜低不宜高、時鐘宜慢不宜快、系統宜靜（態）不宜動（態）的“三相宜”[3]原則和硬件軟件化原則，保證硬件的最簡化。在軟件設計時減少CPU的空轉與待機，定時開啟相應的功能，并且結合硬件的設計來合理配置軟件的各寄存器工作狀態。通過智能電源管理算法的監管，合理控制太陽能對鋰電池的充放電。這樣不僅能提高整個系統的續航能力，而且也會大大延長電池的使用壽命。

1 系統總體結構設計

由于需要長時間進行監測控制，需要進行低功耗設計[4]和科學的電源管理[5]。本文的系統主要分為以下三部分：北斗定位信息的采集、GPRS數據的回傳、智能電源管理系統的設計及策略。系統的整體構架圖如圖1 所示。

本文依靠MSP430F149作為系統主控單元，實現系統的低功耗設計以及智能電源的管理。結合所選單片機自身功耗低、處理速度快、自身集成了12位的ADC片內資源等特點，設計一款能獲取、提取、轉化定位信息，并通過合理控制GPRS模塊將轉化的數據以數據流量的方式發送給用戶。本文為了增加整個系統的續航能力，同時提高電池的使用壽命，加裝了小型太陽能極板與電源智能管理系統，這樣為系統在實際應用中長時間、不間斷工作打下了基礎。

2 硬件設計概述

2.1 硬件設計的需求

系統的核心控制單元MSP430F149是美國德州儀器公司（TI）生產的一款16位RISC混合信號處理器，其最為突出的特點是：低電源電壓、超低功耗，他的五種低功耗模式特別適合對功耗消耗要求很低的手持設計[6]。根據在集成電路中系統的功耗由靜態功耗和動態功耗組成，而后者是功耗的主要來源，影響動態功耗的主要因素是電源電壓，其次就是工作頻率[7]，接下來就是負載電容。但是負載電容一般根據各模塊的配置安裝，所以在這里就不做考慮。為了盡可能降低系統功耗，需要降低工作電壓和選用低頻率的工作時鐘。

北斗模塊選用的是和芯星通生產的UM220?Ⅲ?N，工作電壓僅約為2.7～3.3 V，功耗小于120 mW，體積僅為16 mm×12.2 mm。GPRS模塊選用的是SIM900A模塊，內嵌TCP/IP協議，符合本次的數據流量傳輸方式，且具有睡眠模式和最小功能模式，在睡眠模式下最低耗流僅為1 mA。根據對上述模塊的選型，在供電部分設計中選用SPX3819芯片分別為MSP430F149和北斗模塊提供3.3 V的電源電壓，且由單片機控制北斗電源的工作方式。SPX3819芯片是一款低噪聲、低壓差、低靜態電流LDO穩壓器。經過實驗測量，當使能端置位時耗流為70 μA，當使能端清零時無電流消耗。

2.2 低功耗硬件設計方案

根據MSP430F149內部各資源以及時鐘可以獨立于CPU運行，合理地配置單片機內部各模塊的工作狀態，以及根據具體的工作狀態選擇合適的時鐘信號對于系統的低功耗設計十分有利[8]。由實驗測量可知，當單片機的8 MHz晶振開啟時，會產生118.2 μA的電流消耗。甚至由于I/O口的初始化不合理（第二功能模式耗流更大），串口的開啟都會使整個系統產生mA級的大電流損耗；所以根據實際應用情況，合理配置各個資源的工作模式很有必要。根據對以上因素的考慮，系統由定時器進行定時，當不需要工作時，CPU及不需要的模塊進入關閉狀態。當到達定時時間，CPU被定時中斷喚醒，再開啟需要的時鐘以及所需要的模塊。處理器的低功耗工作流程圖如圖2所示。

2.3 BD定位模塊

本文選用的北斗二代模塊是由和芯星通公司生產的UM220?Ⅲ?N，這是一款GPS/BD雙模的芯片，也可設置GPS或者BD單模獨立運行。由于供電電壓低，耗流低、體積小[9]，非常適合本文要求。在北斗模塊設計方面加裝北斗電源控制電路，在需要的時刻再給北斗供電，從而避免了由于長時間待機帶來的電流損耗。由于處理器只需要接收BD模塊數據，所以在串口1的初始化時只需要打開處理器的串口接收端口（RXD）。根據低功耗設計原則，給出北斗模塊部分的運行流程圖如圖3 所示。

2.4 GPRS數據傳輸模塊

GPRS選用上海芯訊通公司生產的SIM900A模塊，根據其自身具有TCP/IP與睡眠功能特點，睡眠功能可以通過發送“AT+CSCLK=1”進行控制，并且通過控制DTR引腳的電平進行模塊的喚醒與睡眠。合理地利用上述功能和分時初始化串口0，有利于進行低功耗方面的設計。經過實驗測試，在沒有指示燈情況下，模塊進入睡眠模式時，耗流僅為1 mA。根據功耗最小化的設計原則，可以得到模塊的低功耗運行流程圖如圖4所示。

3 電源管理系統

為了讓電池最大限度的工作，并延長電池的使用壽命，設計了一套智能化電源管理系統，實時地對太陽能極板和電池電量進行監控，來決定如何合理的對太陽能極板和電池進行控制，合理管理電源管理系統。解決了長時間處于陰雨天氣、長時間陽光暴曬、牛羊長時間呆在棚圈里無法獲取陽光、天氣驟變等各種天氣變化造成的頻繁充斷電現象縮短電池壽命的情況。

智能電源管理系統結構框圖見圖1。系統主芯片監測太陽能電壓和電池電壓，通過檢測對比這兩個電壓信號，并使用概率冗余方法實現電源系統管理，控制BD定位模塊和GPRS模塊的工作狀態。

概率冗余方法具體實現步驟：系統每間隔一定時間測量太陽能板電壓vsun和電池電壓vb，主芯片采集到vsun，vb后，進入電源管理模塊，電源管理模塊進行下一步判斷，當vsun≥X（X是太陽能板的最小充電電壓，單位為V，不同的太陽能充電板X值不同）時，這時累加寄存器acc_reg加1（acc_reg初始值為5），當vsun

4 性能指標

根據設計要求得到的電路板尺寸為7 cm×6 cm，該尺寸適中，適合系統的后期封裝。板上集成有低高頻線路，通過合理的布局避免了之間的相互干擾。

系統整體實物圖長為9 cm，寬為7 cm，高為5～6 cm。系統表面覆蓋有柔性太陽能極板可以供設備充電，并且整個系統尺寸小，適合牛羊的佩戴。北斗天線從底部引出有利于其接收北斗信號。

系統設計完成之后，對單電池供電情況下系統的工作電流進行了實際測試，在系統每半小時工作一次，每天工作12 h其余時間為睡眠狀態的情況下進行測試，得到在各狀態下的電流消耗結果如表2所示。由結果中數據可知在睡眠模式時電流僅消耗1.072 mA，非常符合低功耗要求。

表2 系統耗流結果

以1天為一個完整的工作周期計算系統[10]，其平均功耗為2.280 2 mA。由上述結果可知，在沒有能量補給的情況下以2 800 mA·h的鋰電池供電，系統每30 min進行一次數據的采集與發送，每天只工作12 h，其余時間進入休眠仍然能夠工作25天，完全滿足在放牧過程中的應用。實地測試中選擇在包頭市賽汗塔拉公園進行實地驗證，圖6為設備發回的信息形成的軌跡圖，實際路線為賽汗塔拉的公園路。根據軌跡圖可以看出，在空曠地帶軌跡圖與實際路線基本吻合，誤差在2 m左右；在畜牧過程中這樣的誤差都在允許范圍內。并且在實際測試中，整個系統可保持長時間不間斷工作。

5 結 語

本文的系統可以應用于草原畜牧業的溯源追蹤以及牛羊的定位，系統自身具有長時間工作不需要頻繁充電的優勢。而且智能電源管理系統能合理的對太陽能極板和電池進行控制，使電源系統在各種天氣情況下都能合理工作。系統能智能地判斷目前天氣情況，具有一定的冗余性，使電池系統不會因天氣的突變而不停的在各種狀態間轉換，保證電池極大限度的工作，并延長電池的壽命。因此本裝置具有很好的應用價值。

參考文獻

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