CN111458473A - 一种用于降低大型水域水质监测传感节点功耗的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于降低大型水域水质监测传感节点功耗的方法，属于水质监测领域，本发明整合了微处理器单元、供电方式及通信模块之间的控制，分别提出了有效的降低功耗的技术方案，对于水质监测传感节点密集的大型水域，在保证各个节点能够实时监测水体参数并在远程对数据进行监控和分析的同时，并将其整体功耗降到最低，解决了由功耗带来的远程分布式节点成本高、工作不稳定等问题，同时降低了设备更换与维护的成本，消除了管理人员定期更换电池设备的麻烦。

Description

一种用于降低大型水域水质监测传感节点功耗的方法
技术领域
本发明属于水质监测领域，涉及一种低功耗水质监测传感节点的方法，具体的说是涉及一种用于降低大型水域水质监测传感节点功耗的方法。
背景技术
随着世界人口数量不断增加，人们对水的需求也越来越大。而由于人类的生产生活，导致地表、地下水体被污染，水质恶化，使有限的水资源更加的紧张。为了更多的了解水体状况，国家环境保护部门、各地水产养殖企业都采用了各种不同的方法进行水质监测。其中一部分采用实地检测的方式对水进行采样，然后将样本带到实验室分析；另一部分采用实时在线监测的方法对水体的典型参数进行测量并进行远程监控和分析。虽然当前集水体参数采集、云服务器存储、远程监控为一体的大型水域水质在线监测系统日益增多，但是对于众多大型水域，水域面积大，水质监测传感节点分布广，传感节点网络密集，采用传统的供电方式功耗较大，续航能力差，甚至需要定时定点更换各个传感节点的电池，耗费人力物力，给长久的水质监测带来了极大不便。
发明内容
本发明的目的是针对当前大型水域水质在线监测系统，水质监测传感节点分布广，传感节点网络密集，采用传统的供电方式功耗较大，续航能力差，甚至需要定时定点更换各个传感节点的电池，耗费人力物力，给水质监测带来了极大不便等不足，提出一种用于降低大型水域水质监测传感节点功耗的方法，通过在微控制器单元、供电方式和通信模块三个方面进行改进，实现对水泵机组全方面的综合评价，可在保证各个节点能够实时监测水体参数并在远程对数据进行监控和分析的同时，并将其整体功耗降到最低，可解决由功耗带来的远程分布式节点成本高、工作不稳定等问题，可降低设备更换与维护的成本，消除了管理人员定期更换电池设备的麻烦。
本发明的技术方案：一种用于降低大型水域水质监测传感节点功耗的方法，其特征在于，所述降低功耗的方法主要包括微控制单元、供电方式和通信方式三个方面，具体方法如下：
(1)微控制器单元：
采用STM32L4系列单片机，L系列提供了五种低功耗模式，分别为：低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式和待机模式，其中待机模式电流最低，但是在待机模式下，MCU不受控制，RAM中的数据全部丢失，传感节点监测的历史参数无法存储，并且每次唤醒相当于系统复位，器件引脚会吸收大量的电流，反而达不到低功耗的要求，因此，采用停止模式，利用WFE指令使其进入停止模式，在停止模式下，所有时钟都停止，保留寄存器和内部SRAM中的内容，当水质监测传感节点设置的测量间隔时间到时，RTC时钟使其从停止模式重新进入工作状态，上传一次数据后再次立刻进入停止模式，等待下次被唤醒；
(2)供电方式：
利用12V太阳能板及其充电电路进行供电，同时包含继电器、稳压电路、升压电路，太阳能板充电后，利用稳压电路稳压3.3V输出给微控制器供电；对于大型水域水体参数的采集，采集模块包含温度传感器、电导率传感探头、酸碱度传感探头传感器及各自调理电路，由于小电压给调理电路各级运放供电时电流较大，故另一路利用稳压电路稳压5V后通过升压电路升压12V给各级运放供电，同时考虑到升压所产生的功耗，故采用继电器控制升压；
(3)通信方式：
选用具有低功耗、低成本、广覆盖特点的NB-IoT通信模块，对于NB-IoT的两种低功耗技术：节电模式和非连续接收，这两种都是通过提升深度睡眠时间来降低消耗，对于大型水域水质监测的远程分布式节点，不需要每分每秒下达指令和上报数据，具有低速率、低频率的特点，只需每隔一段时间监测上报一次数据，所以采用符合水质监测应用场景的PSM节电模式，传感节点中NB-IoT通信模块在与网络端建立连接时会在请求消息中申请进入PSM模式，与此同时，网络端配置T3324定时器并返回给通信模块，当T3324定时器定时时间到时，整个传感节点进入PSM节电模式，远程无法寻呼到水质监测节点，监测节点也无法上传数据，从而减少射频、和信令处理等功耗，在T3324定时器启动时，T3412定时器同时启动，当T3412定时器定时时间到时，NB-IoT通信模块被唤醒，开始上传数据。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种用于降低大型水域水质监测传感节点功耗的方法，整合了微处理器单元、供电方式及通信模块之间的控制，分别提出了有效的降低功耗的技术方案，对于水质监测传感节点密集的大型水域，在保证各个节点能够实时监测水体参数并在远程对数据进行监控和分析的同时，并将其整体功耗降到最低，解决了由功耗带来的远程分布式节点成本高、工作不稳定等问题，同时降低了设备更换与维护的成本，消除了管理人员定期更换电池设备的麻烦。
附图说明
图1 是本发明中低功耗大型水域水质监测传感节点的整体工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种用于降低大型水域水质监测传感节点功耗的方法，主要包括微控制单元、供电方式和通信方式三个方面，具体方法如下：
(1)微控制器单元：
采用STM32L4系列单片机，L系列提供了五种低功耗模式，分别为：低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式和待机模式，其中待机模式电流最低，但是在待机模式下，MCU不受控制，RAM中的数据全部丢失，传感节点监测的历史参数无法存储，并且每次唤醒相当于系统复位，器件引脚会吸收大量的电流，反而达不到低功耗的要求，因此，采用停止模式，利用WFE指令使其进入停止模式，在停止模式下，所有时钟都停止，保留寄存器和内部SRAM中的内容，当水质监测传感节点设置的测量间隔时间到时，RTC时钟使其从停止模式重新进入工作状态，上传一次数据后再次立刻进入停止模式，等待下次被唤醒；
(2)供电方式：
利用12V太阳能板及其充电电路进行供电，同时包含继电器、稳压电路、升压电路，太阳能板充电后，利用稳压电路稳压3.3V输出给微控制器供电；对于大型水域水体参数的采集，采集模块包含温度传感器、电导率传感探头、酸碱度传感探头传感器及各自调理电路，由于小电压给调理电路各级运放供电时电流较大，故另一路利用稳压电路稳压5V后通过升压电路升压12V给各级运放供电，同时考虑到升压所产生的功耗，故采用继电器控制升压；
(3)通信方式：
选用具有低功耗、低成本、广覆盖特点的NB-IoT通信模块，对于NB-IoT的两种低功耗技术：节电模式和非连续接收，这两种都是通过提升深度睡眠时间来降低消耗，对于大型水域水质监测的远程分布式节点，不需要每分每秒下达指令和上报数据，具有低速率、低频率的特点，只需每隔一段时间监测上报一次数据，所以采用符合水质监测应用场景的PSM节电模式，传感节点中NB-IoT通信模块在与网络端建立连接时会在请求消息中申请进入PSM模式，与此同时，网络端配置T3324定时器并返回给通信模块，当T3324定时器定时时间到时，整个传感节点进入PSM节电模式，远程无法寻呼到水质监测节点，监测节点也无法上传数据，从而减少射频、和信令处理等功耗，在T3324定时器启动时，T3412定时器同时启动，当T3412定时器定时时间到时，NB-IoT通信模块被唤醒，开始上传数据。
如图1所示，设备上电后，各个水质监测传感节点上的12V太阳能电池板对整个电路进行供电，一方面稳压3.3V送到单片机，另一方面稳压至5V后再升压至12V送到各级运放，用继电器控制每一次的升压以降低功耗。随后各个节点的水体参数传感器进行采样，经NB-IoT通信模块送到监测控制台。微控制器处理完采集的数据后立刻进入停止模式，CPU时钟关闭，全部时间寄存器停止工作，不能控制继电器使5V升压12V，调理电路各级运放不再工作，水质参数采样停止；同时，NB-IoT通信模块上传一次数据之后，T3324定时器和T3412定时器开始计时，其中T3324定时器用于计算上传数据后多久进入PSM节电模式，T3412定时器用于计算从上传完数据后多久再次上传数据，T3324定时时间到后，NB-IoT通信模块进入节电模式。至此，整个节点都处于断开连接状态，不接受下行数据，关闭收发信号机，与服务器断开连接。当微控制器RTC闹钟定时时间到时，微控制器从停止模式中被唤醒，此时T3412定时器定时时间到，NB-IoT通信模块从PSM节点模式中被唤醒，整个水质监测传感节点重新开始工作，再一次采集数据并上传。

Claims (1)

1.一种用于降低大型水域水质监测传感节点功耗的方法，其特征在于，所述降低功耗的方法主要包括微控制单元、供电方式和通信方式三个方面，具体方法如下：
(1)微控制器单元：
采用STM32L4系列单片机，L系列提供了五种低功耗模式，分别为：低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式和待机模式，其中待机模式电流最低，但是在待机模式下，MCU不受控制，RAM中的数据全部丢失，传感节点监测的历史参数无法存储，并且每次唤醒相当于系统复位，器件引脚会吸收大量的电流，反而达不到低功耗的要求，因此，采用停止模式，利用WFE指令使其进入停止模式，在停止模式下，所有时钟都停止，保留寄存器和内部SRAM中的内容，当水质监测传感节点设置的测量间隔时间到时，RTC时钟使其从停止模式重新进入工作状态，上传一次数据后再次立刻进入停止模式，等待下次被唤醒；
(2)供电方式：
利用12V太阳能板及其充电电路进行供电，同时包含继电器、稳压电路、升压电路，太阳能板充电后，利用稳压电路稳压3.3V输出给微控制器供电；对于大型水域水体参数的采集，采集模块包含温度传感器、电导率传感探头、酸碱度传感探头传感器及各自调理电路，由于小电压给调理电路各级运放供电时电流较大，故另一路利用稳压电路稳压5V后通过升压电路升压12V给各级运放供电，同时考虑到升压所产生的功耗，故采用继电器控制升压；
(3)通信方式：
选用具有低功耗、低成本、广覆盖特点的NB-IoT通信模块，对于NB-IoT的两种低功耗技术：节电模式和非连续接收，这两种都是通过提升深度睡眠时间来降低消耗，对于大型水域水质监测的远程分布式节点，不需要每分每秒下达指令和上报数据，具有低速率、低频率的特点，只需每隔一段时间监测上报一次数据，所以采用符合水质监测应用场景的PSM节电模式，传感节点中NB-IoT通信模块在与网络端建立连接时会在请求消息中申请进入PSM模式，与此同时，网络端配置T3324定时器并返回给通信模块，当T3324定时器定时时间到时，整个传感节点进入PSM节电模式，远程无法寻呼到水质监测节点，监测节点也无法上传数据，从而减少射频、和信令处理等功耗，在T3324定时器启动时，T3412定时器同时启动，当T3412定时器定时时间到时，NB-IoT通信模块被唤醒，开始上传数据。
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