基于能量采集技術的CO2傳感器設計與實現*

張 坤， 高 強, 李大華

(天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室 天津理工大學 電氣電子工程學院，天津 300384)

0 引 言

室內二氧化碳(CO2)體積分數是評價室內空氣質量(indoor air quality,IAQ)的指標，CO2的體積分數高低可以反映室內的通風狀況是否良好[1]，因此，對于測量室內CO2體積分數的傳感器來說，對其持久性供電也提出了新的要求[2]。每個傳感器都需要有自己的電源，目前市面上大部分傳感器是基于有線供電或微型電池供電，但是更換電池需要人工輔助，因此，基于能量采集技術的無線無源傳感器更為適合現在的要求[3]。雖然能量收集并不是一個全新概念，但是射頻(radio frequency,RF)和微控制器(micro controller unit,MCU)器件在性能與能耗方面取得的最新進展[4]，意味著構建一個采用能量收集型傳感器的可能性，基于能量采集供電的傳感器可在數年內完全免維護，解決了電池供電的傳感器在幾個月內就會耗盡電量的缺陷。

為了提高CO2傳感器的使用壽命，本文以太陽能板為供電源,以易能森STM300為無線控制模塊，選擇了GSS-COZIR CO2傳感器，設計實現了基于能量采集技術的新型CO2傳感器[5]，實驗測試結果驗證了傳感器自供電的有效性。

1 系統結構

圖1所示是由電源和無線通信系統組成的自供電無線傳感器系統。這兩個主要子系統又分為4個功能塊：太陽能能量收集器模塊、電源管理模塊、無線通信模塊、無線傳感器模塊。太陽能能量收集器模塊代表電源，其產生的能量直接取決于無線傳感器部署環境內提供的太陽能的能量密度。電源管理模塊提取、轉換和存儲太陽能收集器產生的能量，使其成為穩定的直流電源。無線傳感器模塊從部署環境獲取數據并對其進行處理以便發送到無線通信模塊。無線通信模塊將無線傳感器模塊提供的數據發送到相應的軟件進行可視化管理[6]。

圖1 系統結構

其中太陽能電池提供的能量存儲在超級電容中，為電源以及無線通信系統提供所需的工作電壓。在供給能量的過程中，STM300模塊通過控制WXIDIO引腳來控制接入CO2傳感器的電源，并且允許在休眠時間內關閉CO2傳感器。太陽能電池的另一部分能量通過DC / DC轉換器產生恒定的3.3 V工作電壓，以此提供給CO2傳感器使用。ADIO6，ADI07引腳分別作為發射端與接收端用于發射和接收數據，在整個工作過程中不參與供電。

2 系統硬件設計

2.1 太陽能電池模塊電路設計

太陽能模塊實現光能轉換為電能的功能，為了高效地存儲由太陽能板提供的能量，本模塊選用2塊0.22F的超級電容存儲電路工作所需的電能，如圖2中C1和C7所示。由電路圖可以看出，2塊超級電容與高電容C6結合，以提供給STM300模塊和CO2傳感器所需要的電能，其中二極管隔離來自電路的干擾。太陽能電池參數：尺寸為67.0 mm×28.0 mm×1.1 mm，單元格數量為8，開路電壓(200lux)為4 V,短路電流為25 μA，開路電流為3 V,斷路電壓為15 μA。

圖2 太陽能電池電路設計

2.2 DC/DC模塊電路設計

DC/DC轉換器為轉變輸入電壓后，有效輸出固定電壓的電壓轉換器，本模塊的穩壓調節器選擇得捷電子的MAX1595EUA33產品，如圖3即為DC/DC模塊及其外圍電路設計，MAX1595提供3.3 V或5 V的穩壓輸出，其獨特的控制結構允許穩壓器對輸入電壓進行升壓或降壓轉換，并維持穩定的輸出電壓。其中，IN為輸入電源引腳，其連接1 μF旁路電容至GND。AOUT引腳模擬功率和誤差放大器的檢測輸入，通過濾波電容連接至OUT輸出。OUT輸出連接至傳感器的VDD，為傳感器提供工作所需的電壓。

圖3 DC/DC模塊與外圍電路

2.3 STM300模塊電路設計

如圖4所示即為STM300模塊電路設計。

圖4 STM300模塊設計

在整體的硬件電路設計中，STM300模塊對CO2傳感器起著電源管理與數據傳輸的作用，太陽能板通過VDD引腳可直接給STM300模塊供電。STM300模塊具備傳輸模式、接收模式和深度睡眠模式3種模式，在傳輸模式與接收模式下通過ADIO6與ADIO7引腳與傳感器進行通信，當其處于深度睡眠模式下，使用WXIDIO引腳通過DC/DC轉換器為傳感器提供電源。其他引腳ADIO07，SCSEDIO0，SCLKDIO1，WSDADIO2，RSDADIO3在深度睡眠模式下不供電。在深度睡眠模式下，不允許在ADIO6引腳(二極管D1)施加任何電壓。

3 實驗測試與分析

3.1 實驗測試

GSS-COZIR是一種超低功耗(3.5 mW)，高精度的CO2傳感器，非常適用于電池供電的便攜式儀器和設備。該傳感器針對電池供電應用進行了優化，可使用3.3 V電源供給，本文使用太陽能板取代傳統污染的電池，使得設備具有了長期供電以及免維護的功能，使用STM 300模塊具備無線傳輸和電源管理的理念，如圖5所示即是基于能量采集技術的新型CO2傳感器。

圖5 傳感器實物

對基于能量采集技術的CO2傳感器進行實驗，每10 min測量一次CO2體積分數、環境溫度和存儲電荷水平，并通過無線電傳輸數據，如圖6即為測試數據。如果電量不足(小于20 %)，測量和傳輸將停止，直到達到更高的電量，為應對電量不足無法測量的情況，為傳感器設計了一種基于動態功耗的電源管理方法。此外，針對灰塵或污垢等環境因素對于傳感器長期測量精準度的影響，設計了一種自動校準機制，以避免傳感器的測量誤差。

圖6 CO2體積分數測試數據

3.2 傳感器動態功耗分析

在自供電的應用中，沒有足夠的能量可永久供應給CO2傳感器，CO2傳感器以及STM300模塊需要在工作中盡可能的減少功耗，因此采用一種動態功耗的方法來降低能耗。通過對設備的工作周期以及低功耗關斷模式平衡來實現。CO2傳感器受電后，需要2 s的時間將第一個測量結果發送到串行接口。在這2 s內，傳感器執行了4次內部測量，用于計算第一個結果。在2 s的測量以及計算過程中，為了減少當前的消耗，STM 300進入深度睡眠模式，如圖7中的處理器模式(CPU mode)處以下降沿狀態。

圖7 傳感器動態功耗分析

在一個測量周期中，STM 300模塊經過預設時間后從深度睡眠模式被喚醒(看門狗定時器復位)，將WXIDIO設置為高電平以打開傳感器電源，STM300喚醒傳感器TX線路，并設置看門狗定時器以進行靈敏度測量，然后STM 300無線通信模塊進入深度睡眠模式以等待傳感器結果(或超時)，傳感器執行CO2測量，其結果通過串口TX輸出，TX線上的第一個下降沿在喚醒STM 300模塊的WAKE0引腳上產生下降沿，進入深度睡眠模式，而WAKE0喚醒在睡眠模式下禁止使用。盡管在一個測量周期中，這種方法節約的電能有限，但方法為傳感器在自供電的模式下具備延伸其使用壽命的可能性。

3.3 傳感器自動校準機制

無線CO2傳感器由于受灰塵或污垢影響而需要時常進行重新校準。在基于能量采集模式下的傳感器系統中，STM 300支持自動重新校準這一功能，為了重新校準，STM 300需要監測最低的CO2水平(在給定的時間范圍內)和時間。將重新校準的機制設定在2～3周的時間框架下，在此區間，傳感器至少會測量一次“新鮮空氣”的CO2體積分數。即使在深度睡眠期間，這些數據也會存儲在RAM0中。

計算監測的時間，只需要計算喚醒次數。在一個定義的時間周期之后，重新校準機制將通過STM300模塊發送一個指令給CO2傳感器來完成。把“新鮮空氣”CO2的體積分數設定為450×10-6，經過試驗，傳感器測定的最低的CO2讀數是460×10-6，STM 300模塊只需要發送一個“F”命令“f460 450 ”到傳感器即可完成校準。這種校準方法可防止CO2傳感器在長時間的使用情況下精度降低。

4 結束語

該實驗證明了基于能量采集技術無線CO2傳感器實行的可行性，實現了CO2體積分數的測量，針對太陽能電池不能永久持續性供電的缺陷，通過STM300模塊設計了一種基于動態功耗分析的方法，有效地利用有限的能源并取得了預期效果，針對傳感器的長時間的使用誤差，設計的自動校準機制有效地解決了這一問題，但下一步仍需要對太陽能的能量管理進行優化，合理分配能源的供給，提高太陽能的能量轉化效率將是延長其使用壽命的最佳途徑。