一種超低功耗智能井蓋監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 超 楊 帆 龐佑兵 劉登學(xué)

（中國電子科技集團(tuán)公司第24 研究所，重慶 400060）

0 引言

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，城市中給水排水、燃?xì)狻崃Α㈦娏νㄐ诺雀黝愂姓迷O(shè)施日益增加，城市路面的各類地下管線設(shè)施的井蓋也相應(yīng)地不斷增多。 近年來，由于城市中井蓋管理不善造成全國范圍內(nèi)各類傷人、 損車事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響了市民的出行安全，造成不良的社會(huì)影響[1]。

隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，尤其是GPRS/3G/4G 基站的普及， 各類基于物聯(lián)網(wǎng)的城市井蓋管理系統(tǒng)相繼產(chǎn)生，并小范圍布設(shè)。 根據(jù)前期使用情況，可以大致分為以下兩類：

（1）基于ZIGBEE 自組網(wǎng)技術(shù)：優(yōu)點(diǎn)技術(shù)難度低，功耗低，缺點(diǎn)是需要自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)和后期維護(hù)成本很高[2]。 （2）基于GPRS 的無線傳輸技術(shù)：優(yōu)點(diǎn)是采用現(xiàn)有的2G/3G 基站，技術(shù)成熟，維護(hù)成本較低，缺點(diǎn)是GPRS發(fā)射功耗很大，電池續(xù)航能力不足，后期維護(hù)難度較大。

本文根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的不足， 提出一種基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的低成本、低功耗的設(shè)計(jì)方法，大大降低了產(chǎn)品的成本和功耗，提高了產(chǎn)品使用壽命。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

1.1 電路原理分析

本電路主要采用ADI 公司的ADXL345 三軸加速度傳感器來測量井蓋傾角， 一旦傾角大于報(bào)警門限，傳感器立即觸發(fā)控制器STM32L051 產(chǎn)生中斷，使STM32L051 退出停止模式，啟動(dòng)GPRS 并上報(bào)井蓋角度和信息； 如果井蓋長時(shí)間處于正常狀態(tài)， 控制器STM32L051 每隔1 天， 啟動(dòng)傳感器測量井蓋的傾角，并將數(shù)據(jù)和信息通過GPRS 轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，轉(zhuǎn)發(fā)成功后，GPRS 斷電，控制器進(jìn)入停止模式。 電路原理框圖如圖1 所示。

圖1 電路實(shí)現(xiàn)框圖

1.2 單元電路設(shè)計(jì)與分析

1.2.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

ADXL345 不直接測量角度， 而是利用靜態(tài)條件下，X、Y、Z 三個(gè)方向的加速度值來間接測量角度，如圖2 所示，此可得到解算角度的關(guān)系式[3]如下：

根據(jù)以上測角原理， 可以準(zhǔn)確測量井蓋的傾角。而且ADXL345 的工作電流極小，為23 μA，待機(jī)電流為0.1 μA，最適合低功耗的場合使用。

1.2.2 控制器電路設(shè)計(jì)

控制器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32L051型MCU 實(shí)現(xiàn)， 該產(chǎn)品主要為低功耗應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)，工作在停止模式時(shí)，待機(jī)電流為1 μA，可以滿足長時(shí)間待機(jī)需求。 本文設(shè)計(jì)上，采用該款MCU 控制加速度傳感器測量角度之后， 控制開關(guān)啟動(dòng)GPRS 工作，將角度等信息上報(bào)上位機(jī)。 產(chǎn)品工作流程圖如圖2 所示。

圖2 ADXL 測角原理圖

圖3 MCU 工作流程圖

1.2.3 GPRS 接口電路設(shè)計(jì)

GPRS 采用成熟的模塊電路M2110 實(shí)現(xiàn)，該模塊起到發(fā)送數(shù)據(jù)、接收配置信息的橋梁作用，但由于該產(chǎn)品功耗極大，發(fā)射時(shí)功耗接近1W，待機(jī)時(shí)，靜態(tài)電流也有20 mA 左右， 尤其是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好的情況下，功耗更大。 而本文方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮實(shí)際使用情況：只有發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)GPRS 模塊才工作，工作時(shí)間不到半分鐘，其余時(shí)間都處于不工作狀態(tài)，因此，為了極大的降低GPRS 模塊不工作時(shí)的待機(jī)電流， 采用了功率開關(guān)，通過控制GPRS 模塊供電來降低待機(jī)狀態(tài)下該模塊的功耗，電路原理圖如圖4～圖6 所示。

2 電路設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

通過以上設(shè)計(jì)，本文單元電路功耗統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 功耗統(tǒng)計(jì)表

由表1 統(tǒng)計(jì)可知， 配備一款10 000 mAh 的鋰離子電池，正常使用情況下（一天透傳一次數(shù)據(jù)），該產(chǎn)品可持續(xù)工作1 799 天（約為5 年）。 由于省去了采用ZIGBEE 方案自組網(wǎng)和后期網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的費(fèi)用， 同時(shí)也規(guī)避了采用GPRS 網(wǎng)絡(luò)功耗較大問題，因而，本文電路的生產(chǎn)維護(hù)成本較低， 可后期大面積推廣使用，電路實(shí)物如圖7 所示。

3 結(jié)語

圖4 加速度傳感器設(shè)計(jì)原理圖

圖5 MCU 部分原理圖

圖6 GPRS 模塊原理圖

本文根據(jù)智慧城市化進(jìn)程的需要， 基于現(xiàn)有的GPRS 基站， 開發(fā)了一款超低功耗的城市井蓋智能檢監(jiān)測系統(tǒng)，可以解決城市井蓋監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)遇到的取電難，電池續(xù)航不足等問題。 但個(gè)別地區(qū)GPRS 基站覆蓋問題導(dǎo)致個(gè)別監(jiān)控點(diǎn)井蓋破損后， 無法及時(shí)上報(bào)，處理。后期隨著3G/4G 基站的普及，這些問題可以得到解決。 后續(xù)將通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用電路與電池分體設(shè)計(jì)，可以解決5 年之后，更換電池的難題，使后期維護(hù)更加方便快捷。

圖7 產(chǎn)品實(shí)物圖