CN106793043A - 一种用于监测无线终端的唤醒电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于监测无线终端的唤醒电路和方法，该电路中设置有控制模块、振弦信号拾取模块、433M无线模块、外部低频晶振和电源，所述控制模块包括有处理芯片、看门狗电路、切换开关、供电开关模块和内部高频晶振。本发明通过看门狗电路配合内部高频晶振和外部低频晶振的切换，实现在未采集数据的工作状态时减少外围设备供电，保证高频采样的情况下实现超低功耗休眠，尤其是其中的处理芯片可采用普通芯片实现，极大地降低硬件成本；同时，采样频率可自行调节，使用不同的采集要求。本发明作为一种用于监测无线终端的唤醒电路和方法可广泛应用于工程监测领域。

Description

一种用于监测无线终端的唤醒电路和方法

技术领域

本发明涉及工程监测领域，尤其是一种用于监测无线终端的唤醒电路和方法。

背景技术

工程监测领域中，传感器应用非常广泛，涉及到轴力监测、内力监测、应变监测、水位监测、土压力监测及位移等监测参数。而该部分项目，广泛存在与基坑开挖、隧道施工、高边坡监测、房屋健康监测、高支模、塔吊、起重设备等各种工程监测项目。而传统监测中，该类项目需人工现场测量，随着监测成本的日益增加及自动化技术的成熟，自动化监测逐步应用，而与该类传感器配套使用的自动读数模块开始越来越广泛使用。

由于监测布点往往设置在工程关键部位，点多位置复杂，现有解决方案待机功耗高，导致需人工频繁更换电池，从而会对监测数据稳定性及及时性造成一定影响，造成操作繁复、效率低下以及不环保等系列问题。现有技术中往往只能通过低功耗单片机实现功耗的降低，但是该方法实现功耗降低的效果并不明显，而且成本高，不利于大规模使用和推广。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种用于监测无线终端的超低功耗唤醒电路。

为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：提供一种用于监测无线终端的超低功耗唤醒方法。

本发明所采用的技术方案是：一种用于监测无线终端的唤醒电路，包括有电路保护壳以及设置于保护壳内的电路板，所述电路板上设置有控制模块、振弦信号拾取模块、433M无线模块、外部低频晶振和电源，所述控制模块包括有处理芯片、看门狗电路、切换开关、供电开关模块和内部高频晶振，所述电源连接至控制模块的供电端，所述振弦信号拾取模块的输出端通过处理芯片连接至433M无线模块的输入端，所述处理芯片的输出端连接至供电开关模块，所述供电开关模块分别连接至振弦信号拾取模块的控制端和433M无线模块的控制端，所述处理芯片还与切换开关连接，所述内部高频晶振和外部低频晶振均连接至切换开关，所述切换开关的输出端连接至看门狗电路，所述看门狗电路的输出端连接至处理芯片的输入端。

进一步，所述振弦信号拾取模块包括有电源升压子模块和振弦信号获取子模块。

进一步，所述电路保护壳为密封盒，所述密封盒两端分别设置有金属密封头，其中一个金属密封头用于接入振弦信号拾取模块的待测信号，另一个金属密封头用于引出433M无线模块的天线。

进一步，所述密封盒为铝制全密封结构的密封盒。

本发明所采用的另一技术方案是：一种用于监测无线终端的唤醒方法，包括有以下步骤：

A、根据看门狗电路的复位周期和唤醒时间设置看门狗电路内部的间歇缓存计数器阈值；

B、初始化间歇缓存计数器，由处理芯片控制外围设备的供电电路断开，并通过切换开关切换为外部低频晶振工作；

C、当处理芯片检测到看门狗电路复位信号时，检测间歇缓存计数器内的数值是否超过间歇缓存计数器阈值：

C1、若否，则立即进入待机状态并等待下一个看门狗电路的复位信号；

C2、若是，则控制外围设备中无线通讯模块的供电电路连通，并通过切换开关切换为内部高频晶振工作，持续检测无线通讯模块：

C21、若接收到有效通讯信号，则控制外围设备中振弦信号拾取电路的供电电路连通，读取振弦信号拾取电路获取的振弦信号并通过无线通讯模块发送至服务器，然后重置间歇缓存计数器、控制外围设备的供电电路断开，然后进入待机状态等待下一个看门狗电路的复位信号；

C22、否则重置间歇缓存计数器、控制外围设备的供电电路断开，然后进入待机状态等待下一个看门狗电路的复位信号。

进一步，所述外部低频晶振的工作频率为32kHz。

进一步，所述内部高频晶振的工作频率为24.5MHz。

进一步，所述处理芯片通过切换开关切换为内部高频晶振工作后，持续检测无线通讯模块的时间为3秒。

进一步，所述步骤A中间歇缓存计数器阈值Time_IDN的计算公式为：

其中t为设定的唤醒时间，T为设定的看门狗电路的复位周期。

本发明的有益效果是：本发明电路通过看门狗电路配合内部高频晶振和外部低频晶振的切换，实现在未采集数据的工作状态时减少外围设备供电，保证高频采样的情况下实现超低功耗休眠，尤其是其中的处理芯片可采用普通芯片实现，极大地降低硬件成本；同时，采样频率可自行调节，使用不同的采集要求。

本发明的另一有益效果是：本发明方法通过看门狗电路配合内部高频晶振和外部低频晶振的切换，实现在未采集数据的工作状态时减少外围设备供电，保证高频采样的情况下实现超低功耗休眠；同时，采样频率可自行调节，使用不同的采集要求。

附图说明

图1为本发明电路的结构框图；

图2为本发明电路的振弦信号拾取模块的电路原理图；

图3为本发明方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

一种用于监测无线终端的唤醒电路，包括有电路保护壳以及设置于保护壳内的电路板，参照图1，所述电路板上设置有控制模块、振弦信号拾取模块、433M无线模块、外部低频晶振和电源，所述控制模块包括有处理芯片、看门狗电路、切换开关、供电开关模块和内部高频晶振，所述电源连接至控制模块的供电端，所述振弦信号拾取模块的输出端通过处理芯片连接至433M无线模块的输入端，所述处理芯片的输出端连接至供电开关模块，所述供电开关模块分别连接至振弦信号拾取模块的控制端和433M无线模块的控制端，所述处理芯片还与切换开关连接，所述内部高频晶振和外部低频晶振均连接至切换开关，所述切换开关的输出端连接至看门狗电路，所述看门狗电路的输出端连接至处理芯片的输入端。

进一步作为优选的实施方式，所述振弦信号拾取模块包括有电源升压子模块和振弦信号获取子模块。

参照图2，本发明一具体实施例的振弦信号拾取模块具体电路原理图，该电路主要包括芯片U1、芯片U2，芯片U5，以及电容C14、电感L1和电阻R22。U1和U2为芯片ST1026，芯片U5为UL7439芯片，处理芯片可采用STM5449芯片。电路的芯片U5通过电容C14电感L1和电阻R22升压产生+9V电压，9V电压给振弦波形成电路的芯片U1和U2的8脚供电；处理芯片引脚Mag给芯片U1的3脚一个脉冲，再通过芯片U1的U1A部分进行1级放大，放大后的振弦波激励传感器，传感器返回的振弦波再通过芯片U2进行1级放大，通过芯片U1的U1B部分进行2级放大，放大后的波形通过芯片U1的7脚发送给处理芯片进行处理。

振弦信号拾取电路包含电源升压部分和振弦信号形成和获取部分，具体结构如下：电源升压部分为电阻R18一端接CPU的PWR-M脚一端接芯片U5的3脚，芯片U5的1脚和4脚地之间串入电阻R17和电容C11，芯片U5的6、7脚相连并与5脚之间串入电感L1，电容C12和C13的一端接芯片U5的6脚，另一端接地，芯片U5的2脚接R11的一端，R11的另一端与R12的一端相连，相连处为产生的9V电压，R12的另一端接地，芯片U5的5脚也与+V相连；产生的9V分别送至芯片U1和芯片U2的8脚，振弦信号形成为CPU的Mag脚接电容C1的一端，另一端接芯片U1的3脚和电阻R1的一端，R1的另一端接地，电阻Rf1的两端分别接C1的一端和芯片U1的2脚，芯片U1的1脚通过电容Cf1反馈给芯片U1的2脚，C2一端接地一端接芯片U1的4脚，C3一端接+V一端接地，芯片U1的1脚接R2一端，R2的另一端接继电器Relay1的6脚，Cf1的一端接Relay1的8脚，继电器的1脚和3脚与工作电压3V之间分别串入电阻R9和R10，CPU的LoadON脚电阻R8的一端，R8的另一端接TR3的基极，TR3的发射极接地，TR3的集电极接继电器的2、4脚，传感器的频率输入端接继电器的5脚和7脚，形成的振弦信号通过继电器切换至激励传感器；振弦信号获取为传感器频率线，一根接电阻R26的一端，另一根接R29的一端，R28的一端接R29,一端接地，R26的另一端接芯片U2的2脚，R29的另一端接芯片U2的3脚，+V与地之间串入C19，芯片U2的1脚和2脚之间串入电阻R27和电容C16，芯片U2的1脚与芯片U1的6脚之间串入电容C18和电阻R30，芯片U1的7脚和6脚之间串入R31和C20，芯片U1的7脚出来的信号经过C21和R34到CPU的P_CLK脚，CPU进行信号分析。

进一步作为优选的实施方式，所述电路保护壳为密封盒，所述密封盒两端分别设置有金属密封头，其中一个金属密封头用于接入振弦信号拾取模块的待测信号，另一个金属密封头用于引出433M无线模块的天线；铸铝密封盒机械强度较高，可承受工地上一般性的撞击或跌落。

进一步作为优选的实施方式，所述密封盒底部留有挂腿，可安装于墙上或地面，也可能挂在立杆上，方便工地上各种工况的安装。

进一步作为优选的实施方式，所述密封盒为铝制全密封结构的密封盒，密封盖盖紧后允许可浸入水中，可在室外环境下使用，无需另加防护。

参照图3，一种用于监测无线终端的唤醒方法，包括有以下步骤：

A、根据看门狗电路的复位周期和唤醒时间设置看门狗电路内部的间歇缓存计数器阈值；

B、初始化间歇缓存计数器，由处理芯片控制外围设备的供电电路断开，并通过切换开关切换为外部低频晶振工作；

C、当处理芯片检测到看门狗电路复位信号时，检测间歇缓存计数器内的数值是否超过间歇缓存计数器阈值：

C1、若否，则立即进入待机状态并等待下一个看门狗电路的复位信号；

C2、若是，则控制外围设备中无线通讯模块的供电电路连通，并通过切换开关切换为内部高频晶振工作，持续检测无线通讯模块：

C21、若接收到有效通讯信号，则控制外围设备中振弦信号拾取电路的供电电路连通，读取振弦信号拾取电路获取的振弦信号并通过无线通讯模块发送至服务器，然后重置间歇缓存计数器、控制外围设备的供电电路断开，然后进入待机状态等待下一个看门狗电路的复位信号；

C22、否则重置间歇缓存计数器、控制外围设备的供电电路断开，然后进入待机状态等待下一个看门狗电路的复位信号。

进一步作为优选的实施方式，所述外部低频晶振的工作频率为32kHz。

进一步作为优选的实施方式，所述内部高频晶振的工作频率为24.5MHz。

进一步作为优选的实施方式，所述处理芯片通过切换开关切换为内部高频晶振工作后，持续检测无线通讯模块的时间为3秒。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中间歇缓存计数器阈值Time_IDN的计算公式为：

其中t为设定的唤醒时间，T为设定的看门狗电路的复位周期。

以下以唤醒时间t＝10分钟为例，说明本发明方法的具体工作流程：

首先，根据看门狗电路的复位周期和唤醒时间设置看门狗电路内部的间歇缓存计数器阈值；

看门狗的最大复位周期为10秒,因此我们将系统的间歇复位设置为10秒,并且在内部设置了一个间歇缓存计数器；当唤醒时间为10分钟时，间歇缓存计数器阈值Time_IDN＝10min/10s＝60。

然后，初始化间歇缓存计数器的值为0，由处理芯片控制外围设备的供电电路断开，即无线模块、位移传感器和压力传感器等各种外设的供电部分完全切断,然后处理芯片通过切换开关切换为外部低频晶振工作，并关掉除外部低频晶振外的所有内部设备，包括定时器、AD转换器、内部基准、内部晶振等，此时电路只需要电源提供2μA左右的电流便可以维持32kHz晶振频率进行工作，等待看门狗的唤醒工作。

处理芯片可通过复位源的状态判断系统复位方式，当处理芯片检测到看门狗电路复位信号时，检测间歇缓存计数器内的数值是否超过间歇缓存计数器阈值Time_IDN：

若没有超过60，则立即进入待机状态并等待下一个看门狗电路的复位信号；此时系统的间歇的复位启动的电流在20μA左右,持续时间在20mS左右。

若检测间歇缓存计数器内的数值超过60，则控制外围设备中无线通讯模块的供电电路连通，并通过切换开关切换为24.5MHz内部高频晶振工作，持续检测无线通讯模块，持续时间为3秒：

若3秒内接收到有效通讯信号，则控制外围设备中振弦信号拾取电路的供电电路连通，同时还连通其他外设的供电电路；读取振弦信号拾取电路获取的振弦信号并通过无线通讯模块发送至服务器，此时正常工作，工作电流约为45mA；然后重置间歇缓存计数器、控制外围设备的供电电路断开，然后进入待机状态等待下一个看门狗电路的复位信号；

若3秒内没有接收到有效通讯信号，重置间歇缓存计数器为0、控制外围设备的供电电路断开，然后进入待机状态等待下一个看门狗电路的复位信号；在唤醒通讯模块工作的3秒内,系统的总体耗电流在15mA左右。

经过实际测算,在未唤醒时的平均电流约为72μA,一块容量为5000mAh的锂电池，按照有效容量为3000mAh计算,可以待机1736天,时间超过4.5年；有效减少在低频率或间歇性监测采样过程中的终端待机时间和采样时间，极大的减少了监测人员的工作量，也减少了物理开关故障问题。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种用于监测无线终端的唤醒电路，其特征在于：包括有电路保护壳以及设置于保护壳内的电路板，所述电路板上设置有控制模块、振弦信号拾取模块、433M无线模块、外部低频晶振和电源，所述控制模块包括有处理芯片、看门狗电路、切换开关、供电开关模块和内部高频晶振，所述电源连接至控制模块的供电端，所述振弦信号拾取模块的输出端通过处理芯片连接至433M无线模块的输入端，所述处理芯片的输出端连接至供电开关模块，所述供电开关模块分别连接至振弦信号拾取模块的控制端和433M无线模块的控制端，所述处理芯片还与切换开关连接，所述内部高频晶振和外部低频晶振均连接至切换开关，所述切换开关的输出端连接至看门狗电路，所述看门狗电路的输出端连接至处理芯片的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种用于监测无线终端的唤醒电路，其特征在于：所述振弦信号拾取模块包括有电源升压子模块和振弦信号获取子模块。

3.根据权利要求1所述的一种用于监测无线终端的唤醒电路，其特征在于：所述电路保护壳为密封盒，所述密封盒两端分别设置有金属密封头，其中一个金属密封头用于接入振弦信号拾取模块的待测信号，另一个金属密封头用于引出433M无线模块的天线。

4.根据权利要求3所述的一种用于监测无线终端的唤醒电路，其特征在于：所述密封盒为铝制全密封结构的密封盒。

5.一种用于监测无线终端的唤醒方法，其特征在于，包括有以下步骤：

A、根据看门狗电路的复位周期和唤醒时间设置看门狗电路内部的间歇缓存计数器阈值；

B、初始化间歇缓存计数器，由处理芯片控制外围设备的供电电路断开，并通过切换开关切换为外部低频晶振工作；

C、当处理芯片检测到看门狗电路复位信号时，检测间歇缓存计数器内的数值是否超过间歇缓存计数器阈值：

C1、若否，则立即进入待机状态并等待下一个看门狗电路的复位信号；

C2、若是，则控制外围设备中无线通讯模块的供电电路连通，并通过切换开关切换为内部高频晶振工作，持续检测无线通讯模块：

C21、若接收到有效通讯信号，则控制外围设备中振弦信号拾取电路的供电电路连通，读取振弦信号拾取电路获取的振弦信号并通过无线通讯模块发送至服务器，然后重置间歇缓存计数器、控制外围设备的供电电路断开，然后进入待机状态等待下一个看门狗电路的复位信号；

C22、否则重置间歇缓存计数器、控制外围设备的供电电路断开，然后进入待机状态等待下一个看门狗电路的复位信号。

6.根据权利要求5所述的一种用于监测无线终端的唤醒方法，其特征在于：所述外部低频晶振的工作频率为32kHz。

7.根据权利要求5所述的一种用于监测无线终端的唤醒方法，其特征在于：所述内部高频晶振的工作频率为24.5MHz。

8.根据权利要求5所述的一种用于监测无线终端的唤醒方法，其特征在于：所述处理芯片通过切换开关切换为内部高频晶振工作后，持续检测无线通讯模块的时间为3秒。

9.根据权利要求5所述的一种用于监测无线终端的唤醒方法，其特征在于：所述步骤A中间歇缓存计数器阈值Time_IDN的计算公式为：

，

其中t为设定的唤醒时间，T为设定的看门狗电路的复位周期。