CN105403248B - 一种低功耗环境监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明所述的一种低功耗环境监测系统主要由大容量锂电池与PCB组成，单元对外接口主要为供电、模拟量输出、报警输出及Modbus通信接口，PCB设计相对独立，可与锂电池并置，也可单独存在，利用9～36V供电。为提高模块的通用性，功能单元采取模块化设计，PCB采用母板加扩展板方式，根据使用需求将相应功能模块插入母板上的接插件即可。其有益效果在于：本发明利用嵌入式技术将众多要素监测集成在一块电路板上，提供一种可剪裁、低功耗、全天候、性价比高的环境监测解决方案。另外，本系统的对外交互采用4～20mA输出、隔离型光继电器可接中小功率负载、标准Modbus RTU与Modbus TCP通信，可方便地与工业PLC、DCS等系统进行无缝集成，具有良好的应用推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及监控领域，尤其涉及一种低功耗环境监测系统。
背景技术
部分特殊设备在铸造过程以及使用环境等各项参数进行监控或记录，以便保证产品质量以及便于维护，这些需要监控或记录的信息包括铸造设备与厂房环境状况，运输状况、使用情况、环境状况等。其中环境监测模块的基本测量要素包括：温度、湿度、露点；其他监测要素包括：粉尘、噪声、X/Y/Z三轴方向振动(加速度)及磁场强度、锂电池电量等。
现有技术的监控系统存在较大的缺陷，主要体现各监控系统不是统一集中监控和使用，大部分是单个独立的系统，耗能大、使用成本高。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种低功耗环境监测系统，该系统具有功耗低、集中监控度高、可实行模块化监控，另外其实施成本和管理成本较低。
为解决现有技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种低功耗环境监测系统，包括电源转换模块、中心监控处理单元、环境传感采集单元及信息交互模块；其中，
所述电源转换模块主要完成为锂电池充放电及为环境监测系统提供稳定电源；所述电源转换模块是利用光耦TLP521-1进行外部电源与环境监测系统电源进行电压匹配，然后将外部电源状态输入至MCU的IO管脚并判断电压，三端稳压集成电路LM7805为锂电池提供DC5V的安全充电电压，后级电源转换芯片TPS63001DRC与TPS63002DRC采用BUCK-BOOST方式在锂电池有效充放电压范围内为环境监测系统提供稳定的DC3.3V与DC5V供电电源；
所述中心监控处理单元主要负责数据的采集、存储和处理，所述中心监控处理单元以ARM Cortex-M0为核心处理器，3.3V单电源供电，内置20KB SRAM、4KB EEPROM、5个UART、2个I2C、2个SSP、4个Timer、12通道AI(12bit)、80个GPIO外设组成，设计12MHz为正常工作模式，消耗电流3mA；
所述环境传感采集单元与中心监控处理单元的GPIO连接，主要负责采集需要监控的各项环境数据；
所述信息交互模块主要完成人机信息的交互，其主要包括LCD液晶屏显示模块、Modbus_RTU/TCP通信、数字量报警输出、模拟量4～20mA输出；其中，
所述的LCD液晶屏显示模块工作电压3.3V～5.5V，串行SPI通信，分4行两段实时显示8个环境参数的显示；
所述Modbus_RTU/TCP通信分别由半双工收发器SP3485与嵌入式以太网转串口模块IPORT-1提供RS485与以太网底层通信，高低字节交换的CRC16检验方式，保证通信的高可靠性；
所述数字量报警输出在外部电源供电情况下，根据环境监测参数的设定阈值，采用光继电器TLP3554提供2.5A的报警负载输出；
所述模拟量4～20mA数据输出是在外部电源供电情况下，以SPI通信方式，采用集成电路LTC2620CGN提供8路0～5V的电压输出，分别对应温度、湿度、露点、噪声、粉尘浓度及X/Y/Z三轴振动加速度数据，经信号调理芯片ZCM435BS将0～5V电压信号转换为4～20mA电流信号。
利用所述低功耗环境监测系统实现低功耗环境监测的方法为：
步骤一：中心监控处理单元的核心处理器上电复位后，中心监控处理单元进行初始化，具体包括进行内部12MHz晶振时钟配置，延时稳定后，对芯片引脚功能分配、GPIO输入输出特征、IO上升沿中断、以及SPI与I2C通信内置外设功能进行配置；
步骤二：中心监控处理单元的核心处理器读取内置EEPROM中存储的参数配置数据，根据GPIO端口插入的功能模块子板，决定对应参数是否读取，以及对应中断使能是否开启；
步骤三：中心监控处理单元初始化后，当外部电源对中心处理单元供电时，进入循环模式，否则进入休眠模式，等待中断唤醒；
当中心监控处理单元处于循环模式时，中心监控处理单元检测RTC实时时钟模块是否在线，在线则读取实时时钟数据；检测各传感模块模块是否在线，在线则读取相应数据；检测模拟量输出模块是否在线，在线则输出温度、湿度、露点、噪声、粉尘、X/Y/Z三轴方向加速度值共8路输出，无论模拟量输出模块在线与否，均按照参数配置报警阈值进行判断，决定报警输出使能与否，之后检测存储模块是否在线，在线则将所采集的数据存储至FLASH中；当环境参数处于正常值范围时，检测LCD液晶屏模块是否在线，在线则进行数据更新，不在线则进入下一轮循环；
当中心监控处理单元处于休眠模式时，中心监控处理单元等待中断唤醒；其中所述中断包括RTC实时时钟定时中断、X/Y/Z三轴加速度振动中任一轴向越限中断及Modbus通信中断；
进一步的，所述RTC实时时钟定时中断是根据参数配置中RTC定时中断间隔，利用IO中断唤醒核心处理器或打断循环过程；
所述X/Y/Z三轴加速度振动中任一轴向越限中断是根据参数配置中报警阈值，利用IO中断唤醒核心处理器或打断循环过程，然后读取振动及磁场数据后，根据存储模块在线情况，决定采集数据存储还是直接退出中断，如果在单位时间内频繁触发，则置为运输状态，计时5分钟后再重新记录，并直接退出中断。
所述Modbus通信中断：第一次上电时，默认9600bps，无校验，8位数据位，通信地址为1，用户可根据具体需求进行配置，配置的数据保存至核心处理器内置的EEPROM中，断电重启或按下手动复位键后配置生效；根据数据写入或读取命令进行数据长度解析，接收到CRC校验后进行判断，校验正确则给予反馈输出。
进一步的，所述的信息传感器包括温度、湿度、噪声、粉尘、RTC及磁场传感器等。
本发明所述技术方案的有益效果在于：本发明利用嵌入式技术将众多要素监测集成在一块电路板上，提供一种可剪裁、低功耗、全天候、性价比高的环境监测解决方案。另外，本系统的对外交互采用4～20mA输出、隔离型光继电器可接中小功率负载、标准ModbusRTU与Modbus TCP通信，可方便地与工业PLC、DCS等系统进行无缝集成，具有良好的应用推广价值。
附图说明
图1为本发明所述一种低功耗环境监测系统整体结构示意图；
图2为本发明所述一种低功耗环境监测系统的监控示意图；
图3为本发明所述一种低功耗环境监测系统监控中断示意图。
具体实施方式
为更详细的描述本发明所述的技术方案，通过如下实施例对本发明所述技术方案进行进一步描述。
本发明所述的技术方案主要由大容量锂电池与PCB组成，单元对外接口主要为供电、模拟量输出、报警输出及Modbus通信接口，PCB设计相对独立，可与锂电池并置，也可单独存在，利用9～36V供电。为提高模块的通用性，功能单元采取模块化设计，PCB采用母板加扩展板方式，根据使用需求将相应功能模块插入母板上的接插件即可。
在设计中重点对模块的供电进行了滤波、过流、过压保护设计，PCB在外部供电与电池供电之间可进行无扰切换，从而保护PCB关键功能器件。通过电源转换器BUCK-BOOST工作原理，在保证电路供电电压稳定的前提下，最大限度地延长了锂电池的工作寿命。在功能元器件及结构件的选型上，尽可能地选用宽温宽压型的工业级型号，在结构设计上充分考虑散热及抗震因素，提高对恶劣环境和长途运输的适应能力。同时，依据工程经验及各三防措施性价比对比，采用三防漆进行涂覆，对接插件部位以硅胶灌封，以实现防潮湿、防盐雾、防霉菌的三防设计。
本发明所述一种低功耗环境监测系统包括电源转换模块、中心监控处理单元、环境传感采集单元及信息交互模块；其中，
(1)对于电源转换模块
电源转换以锂电池充放电及为系统提供稳定的所需电源为设计要点，同时满足锂电池无关性，即无论锂电池具备与否，系统均能平稳运行，以满足不同的应用场合。
除发光二极管指示外部电源与否外，利用光耦TLP521-1进行外部电源与系统电源进行电压匹配，将外部电源状态输入至MCU的IO管脚加以判断。
三端稳压集成电路LM7805为锂电池提供DC5V的安全充电电压。后级电源转换芯片TPS63001DRC与TPS63002DRC采用BUCK-BOOST原理，在锂电池有效充放电压范围内，为系统提供稳定的DC3.3V与DC5V供电电源。
(2)对于中心监控处理单元
中心监控处理单元以ARM Cortex-M0(LPC11E67JBD100)为核心处理器，3.3V单电源供电(1.8Vˉ3.6V)，内置20KB SRAM、4KB EEPROM、5个UART、2个I2C、2个SSP、4个Timer、12通道AI(12bit)、80个GPIO等外设，以12MHz正常工作模式时，消耗电流3mA(普通睡眠模式仅2mA)，满足功能设计及低功耗需求。
根据所用各传感模块参数，确定露点，露点温度指空气在此温度下能保持最多的水汽，当温度冷却到露点，空气变得饱和，就会出现雾、露或霜。露点根据温度与湿度计算而得：
LogEW＝(0.66077+7.5*T/(237.3+T)+(log10(RH)－2)-------------------(1)
Dp＝((0.66077-logEW)*237.3)/(logEW－8.16077)------------------------(2)
公式(1)与公式(2)中，T为测试温度，RH为测试湿度，Dp为露点计算结果。
数据存储根据监测需求，在定时间隔中断及振动越限发生时，将采集到的环境数据以SPI通信方式存储至128Mb的FLASH(MMX25L12845EZNI-10G)中。其中，RTC实时时钟SD3088AS具备锂电池电量检测功能，其中断输出频率范围为4096Hz—1/16Hz，可根据不同应用场合灵活设置对应的数据采集频率。
(3)对于环境传感采集单元
所述环境传感采集单元与中心监控处理单元的GPIO连接，主要负责采集需要监控的各项环境数据。
(4)对于信息交互模块
对外信息交互主要为以下4种方式：LCD液晶屏显示、Modbus_RTU/TCP通信、数字量报警输出、模拟量4～20mA输出。
LCD液晶屏显示：液晶模块工作电压3.3V～5.5V，串行SPI通信方式，分4行两段实时显示8个环境参数。由外部电源供电情况，决定背光功能开启与否。
Modbus_RTU/TCP通信：分别由半双工收发器SP3485与嵌入式以太网转串口模块IPORT-1提供RS485与以太网底层通信，高低字节交换的CRC16检验方式，保证通信的高可靠性。
数字量报警输出：在外部电源供电情况下，根据环境监测参数的设定阈值，采用光继电器TLP3554提供高达2.5A的报警负载输出。
模拟量4～20mA数据输出：在外部电源供电情况下，以SPI通信方式，采用LTC2620CGN#PBF提供8路0～5V的电压输出，分别对应温度、湿度、露点、噪声、粉尘浓度及X/Y/Z三轴振动加速度数据，经信号调理芯片ZCM435BS将0～5V电压信号转换为4～20mA电流信号。
如图2所示，利用本发明所述的低功耗环境监测系统实现环境监测的方法为：
步骤一：中心监控处理单元的核心处理器上电复位后，中心监控处理单元进行初始化，具体包括进行内部12MHz晶振时钟配置，延时稳定后，对芯片引脚功能分配、GPIO输入输出特征、IO上升沿中断、以及SPI与I2C通信内置外设功能进行配置；
步骤二：中心监控处理单元的核心处理器读取内置EEPROM中存储的参数配置数据，根据GPIO端口插入的功能模块子板，决定对应参数是否读取，以及对应中断使能是否开启；
步骤三：中心监控处理单元初始化后，当外部电源对中心处理单元供电时，进入循环模式，否则进入休眠模式，等待中断唤醒；
当中心监控处理单元处于循环模式时，中心监控处理单元检测RTC实时时钟模块是否在线，在线则读取实时时钟数据；检测各传感模块模块是否在线，在线则读取相应数据；检测模拟量输出模块是否在线，在线则输出温度、湿度、露点、噪声、粉尘、X/Y/Z三轴方向加速度值共8路输出，无论模拟量输出模块在线与否，均按照参数配置报警阈值进行判断，决定报警输出使能与否，之后检测存储模块是否在线，在线则将所采集的数据存储至FLASH中；当环境参数处于正常值范围时，检测LCD液晶屏模块是否在线，在线则进行数据更新，不在线则进入下一轮循环；
如图3所示，当中心监控处理单元处于休眠模式时，中心监控处理单元等待中断唤醒；其中所述中断包括RTC实时时钟定时中断、X/Y/Z三轴加速度振动中任一轴向越限中断及Modbus通信中断；其中，
所述RTC实时时钟定时中断是根据参数配置中RTC定时中断间隔，利用IO中断唤醒核心处理器或打断循环过程；
所述X/Y/Z三轴加速度振动中任一轴向越限中断是根据参数配置中报警阈值，利用IO中断唤醒核心处理器或打断循环过程，然后读取振动及磁场数据后，根据存储模块在线情况，决定采集数据存储还是直接退出中断，如果在单位时间内频繁触发，则置为运输状态，计时5分钟后再重新记录，并直接退出中断。
所述Modbus通信中断：第一次上电时，默认9600bps，无校验，8位数据位，通信地址为1，用户可根据具体需求进行配置，配置的数据保存至核心处理器内置的EEPROM中，断电重启或按下手动复位键后配置生效；根据数据写入或读取命令进行数据长度解析，接收到CRC校验后进行判断，校验正确则给予反馈输出。
本发明主要利用嵌入式技术将众多要素监测集成在一块电路板上，采用母板加功能插件方式，提供一种可剪裁、低功耗、全天候、性价比高的环境监测解决方案，具备实时监控与关键历史数据追溯功能。另外交互采用4～20mA输出、其可接中小功率负载、标准Modbus RTU与Modbus TCP通信，可方便地与工业PLC、DCS等系统进行无缝集成，具有良好的应用推广价值。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (3)
1.一种低功耗环境监测系统，所述低功耗环境监测系统包括电源转换模块、中心监控处理单元、环境传感采集单元及信息交互模块；其中，
所述电源转换模块主要完成为锂电池充放电及为环境监测系统提供稳定电源；所述中心监控处理单元主要负责数据的采集、存储和处理；
其特征在于：
所述电源转换模块是利用光耦TLP521-1进行外部电源与环境监测系统电源进行电压匹配，然后将外部电源状态输入至MCU的IO管脚并判断电压，三端稳压集成电路LM7805为锂电池提供DC5V的安全充电电压，后级电源转换芯片TPS63001DRC与TPS63002DRC采用BUCK-BOOST方式在锂电池有效充放电压范围内为环境监测系统提供稳定的DC3.3V与DC5V供电电源；
所述中心监控处理单元以ARM Cortex-M0为核心处理器，3.3V单电源供电，内置20KBSRAM、4KB EEPROM、5个UART、2个I2C、2个SSP、4个Timer、12通道AI、80个GPIO外设组成，设计12MHz为正常工作模式，消耗电流3mA；
所述环境传感采集单元与中心监控处理单元的GPIO连接，主要负责采集需要监控的各项环境数据；
所述信息交互模块主要完成人机信息的交互，其主要包括LCD液晶屏显示模块、Modbus_RTU/TCP通信、数字量报警输出、模拟量4～20mA输出；其中，
所述的LCD液晶屏显示模块工作电压3.3V～5.5V，串行SPI通信，分4行两段实时显示8个环境参数的显示；
所述Modbus_RTU/TCP通信分别由半双工收发器SP3485与嵌入式以太网转串口模块IPORT-1提供RS485与以太网底层通信，高低字节交换的CRC16检验方式，保证通信的高可靠性；
所述数字量报警输出在外部电源供电情况下，根据环境监测参数的设定阈值，采用光继电器TLP3554提供2.5A的报警负载输出；
所述模拟量4～20mA数据输出是在外部电源供电情况下，以SPI通信方式，采用集成电路LTC2620CGN提供8路0～5V的电压输出，分别对应温度、湿度、露点、噪声、粉尘浓度及X/Y/Z三轴振动加速度数据，经信号调理芯片ZCM435BS将0～5V电压信号转换为4～20mA电流信号；
利用所述低功耗环境监测系统实现环境监控的方法为：
步骤一：中心监控处理单元的核心处理器上电复位后，中心监控处理单元进行初始化，具体包括进行内部12MHz晶振时钟配置，延时稳定后，对芯片引脚功能分配、GPIO输入输出特征、IO上升沿中断、以及SPI与I2C通信内置外设功能进行配置；
步骤二：中心监控处理单元的核心处理器读取内置EEPROM中存储的参数配置数据，根据GPIO端口插入的功能模块子板，决定对应参数是否读取，以及对应中断使能是否开启；
步骤三：中心监控处理单元初始化后，当外部电源对中心处理单元供电时，进入循环模式，否则进入休眠模式，等待中断唤醒；
当中心监控处理单元处于循环模式时，中心监控处理单元检测RTC实时时钟模块是否在线，在线则读取实时时钟数据；检测各传感模块模块是否在线，在线则读取相应数据；检测模拟量输出模块是否在线，在线则输出温度、湿度、露点、噪声、粉尘、X/Y/Z三轴方向加速度值共8路输出，无论模拟量输出模块在线与否，均按照参数配置报警阈值进行判断，决定报警输出使能与否，之后检测存储模块是否在线，在线则将所采集的数据存储至FLASH中；当环境参数处于正常值范围时，检测LCD液晶屏模块是否在线，在线则进行数据更新，不在线则进入下一轮循环；
当中心监控处理单元处于休眠模式时，中心监控处理单元等待中断唤醒。
2.如权利要求1所述的一种低功耗环境监测系统，其特征在于：所述中断包括RTC实时时钟定时中断、X/Y/Z三轴加速度振动中任一轴向越限中断及Modbus通信中断；其中，
所述RTC实时时钟定时中断是根据参数配置中RTC定时中断间隔，利用IO中断唤醒核心处理器或打断循环过程；
所述X/Y/Z三轴加速度振动中任一轴向越限中断是根据参数配置中报警阈值，利用IO中断唤醒核心处理器或打断循环过程，然后读取振动及磁场数据后，根据存储模块在线情况，决定采集数据存储还是直接退出中断，如果在单位时间内频繁触发，则置为运输状态，计时5分钟后再重新记录，并直接退出中断；
所述Modbus通信中断：第一次上电时，默认9600bps，无校验，8位数据位，通信地址为1，用户可根据具体需求进行配置，配置的数据保存至核心处理器内置的EEPROM中，断电重启或按下手动复位键后配置生效；根据数据写入或读取命令进行数据长度解析，接收到CRC校验后进行判断，校验正确则给予反馈输出。
3.如权利要求1所述的一种低功耗环境监测系统，其特征在于：所述的环境传感采集单元包括温度、湿度、噪声、粉尘、RTC实时时钟及磁场传感器。
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