CN114545817A - 一种低功耗自守时环境监测装置 - Google Patents

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李祺
程晓光
郑维宁
朱婕
杨宪铭
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Abstract

本发明公开了一种低功耗自守时环境监测装置，包括传感器模块、授时模块、主控模块、存储模块和电源模块，主控模块在对传感器模块进行控制时，为传感器模块设置多个工作模式，将每个工作模式涉及的环境监测传感器划分为主要传感器和辅助传感器，根据需要自适应地控制能源模块向相应环境监测传感器进行供电，以启动环境监测传感器进行数据采集。本发明从控制模式和电源模块设置两个方面进行改进，从而降低环境监测的功耗。

Description

一种低功耗自守时环境监测装置
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，更为具体地讲，涉及一种低功耗自守时环境监测装置。
背景技术
装备全寿命周期健康管理是装备综合保障工程的一项主要工作，可以有效提高装备的可靠性、维修性和保障性。装备在使用、运输和贮存条件下所处的环境对装备的健康状态有直接且关键的影响，这些环境因素主要包括：温度、湿度、大气压力、振动等。为更加准确的研究环境因素对装备寿命的影响，必须积累原始的环境参数数据以支撑装备全寿命周期健康模型中环境参数因子的建立研究工作。但是目前许多装备工作在野外或极端环境中，需要在长时间无人值守状态下自主对装备的环境参数进行采集和存储，因此研制一种能够全天候、不间断、超长续航、可守时的环境监测装置非常必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低功耗自守时环境监测装置，从控制模式和电源模块设置两个方面进行改进，从而降低环境监测的功耗。
为了实现上述发明目的，本发明低功耗自守时环境监测装置包括传感器模块、授时模块、主控模块、存储模块和电源模块，其中：
传感器模块包括N个环境监测传感器，用于在主控模块的控制下采集不同的环境参数，将采集得到的环境参数数据发送至主控模块；
授时模块用于在主控模块的控制下通过卫星获取授时和定位信息，并发送至主控模块；
主控模块用于控制传感器模块采集环境参数数据，从授时模块接收授时和定位信息，按照预设算法进行处理，得到处理后的环境参数数据、授时数据和定位数据并发送至存储模块进行存储，同时控制电源模块的供电模式；其中对传感器模块的控制方法如下：
为传感器模块设置M个工作模式，记每个工作模式所涉及的环境监测传感器数量为Km，m＝1,2,…,M，对于每个工作模式，将其涉及的Km个环境监测传感器划分为主要传感器和辅助传感器；当主控模块设置传感器模块工作于某个工作模式下时，主控模块首先设置主要传感器的采集参数，根据采集参数确定主要传感器的供电模式，向电源模块发送主要传感器的供电控制信号，再向主要传感器发送工作信号，然后对主要传感器上传的环境参数数据进行监测，当达到预设条件时，设置辅助传感器的采集参数，根据采集参数确定辅助传感器的供电模式，向电源模块发送辅助传感器的供电控制信号，再向辅助传感器发送工作信号；
存储模块用于对环境参数数据、授时数据和定位数据进行本地存储；
电源模块用于在主控模块的控制下，向各模块进行供电，其中传感器模块中环境监测传感器的供电根据主控模块发送的供电控制信号进行。
本发明低功耗自守时环境监测装置，包括传感器模块、授时模块、主控模块、存储模块和电源模块，主控模块在对传感器模块进行控制时，为传感器模块设置多个工作模式，将每个工作模式涉及的环境监测传感器划分为主要传感器和辅助传感器，根据需要自适应地控制能源模块向相应环境监测传感器进行供电，以启动环境监测传感器进行数据采集。
本发明具有以下有益效果：
1)通过传感器模块工作模式的设置，自适应地实现环境监测传感器的供电，关闭非必要传感器，以实现降低功耗的目的；
2)进一步对电源模块进行改进，将电源模块划分为微电源单元，实现对各个模块的分别供电，实现供电细分，进一步降低功耗。
附图说明
图1是本发明低功耗自守时环境监测装置的具体实施方式结构图；
图2是本实施例中电源模块的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明低功耗自守时环境监测装置的具体实施方式结构图。如图1所示，本发明低功耗自守时环境监测装置包括传感器模块1、授时模块2、主控模块3、存储模块4和电源模块5，接下来分别对各个模块进行详细说明。
传感器模块1包括N个环境监测传感器，用于在主控模块3的控制下采集不同的环境参数，将采集得到的环境参数数据发送至主控模块3。本实施例中环境监测传感器包括温湿度传感器、气压传感器、加速度传感器，分别用于采集环境中的温湿度、气压和设备振动数据。
授时模块2用于在主控模块3的控制下通过卫星获取授时和定位信息，并发送至主控模块3。本实施例中采用的授时电路具有灵活的模式选择，可以工作在GPS、BD和GPS/BD联合授时三种模式下，同时该电路不仅具有优异的PPS波动指标，可达到<10ns的量级，而且可输出专用闰秒，时时刻刻关注闰秒的变化情况，在刚开机时刻可用来判断初始化时间的有效性。在硬件设计上采用TTL电平的UART通讯模式，可直接与主控模块3的UART接口相连，一定程度上简化了硬件设计上的复杂度。
主控模块3用于控制传感器模块1采集环境参数数据，从授时模块2接收授时和定位信息，按照预设算法进行处理，得到处理后的环境参数数据、授时数据和定位数据并发送至存储模块4进行存储，同时控制电源模块5的供电模式。为了实现低功耗，本发明中对环境监测装置中主控模块3对传感器模块1的控制方法进行了改进，其具体方法如下：
为传感器模块1设置M个工作模式，记每个工作模式所涉及的环境监测传感器数量为Km，m＝1,2,…,M，对于每个工作模式，将其涉及的Km个环境监测传感器划分为主要传感器和辅助传感器。当主控模块3设置传感器模块1工作于某个工作模式下时，主控模块3首先设置主要传感器的采集参数，然后向主要传感器发送工作信号，同时根据采集参数确定主要传感器的供电模式(连续供电或周期性供电)，向电源模块5发送主要传感器的供电控制信号，然后对主要传感器上传的环境参数数据进行监测，当达到预设条件时，再设置辅助传感器的采集参数，辅助传感器发送工作信号，同时根据采集参数确定辅助传感器的供电模式，向电源模块5发送辅助传感器的供电控制信号。
例如，设置一个工作模式为振动监测模式，设置加速度传感器为主要传感器，温湿度传感器、气压传感器为辅助传感器，由加速度传感器持续监测装备的振动信号，当振动信号幅值大于预设阈值时，再启动温湿度传感器、气压传感器。可见，本发明通过设置工作模式中的主要传感器和辅助传感器，从而通过监测某个环境参数的变化，来自适应环境需要，关闭不必要传感器，以降低功耗。
主控模块3作为环境监测装置的控制中枢，不仅需要快速、高效的数据处理能力，而且应该具有丰富的外设接口满足同时挂载众多不同的传感器以及其他功能电路。因此本实施例中采用大华HC32L196系列中的主控芯片，其基于ARM 32-bit Cortex-M0+嵌入式内核，时钟速率高达48MHz，并且拥有4路UART标准通讯接口、可工作于深度休眠模式下的2路LPUART低功耗通讯接口、2路SPI标准通讯接口以及2路I2C标准通讯接口。除此之外，该控制芯片内部集成高精度的SARADC，工作时可确保对装备所处环境中振动信号的精确采集，同时其具有灵活的功耗管理能力。
存储模块4用于对环境参数数据、授时数据和定位数据进行本地存储。本实施例选用SPI接口闪存(Flash)芯片作为存储模块4。为了实现低功能，环境参数数据采用连续滚动方式写入存储模块4。本实施例中Flash芯片容量为512Mbits，共计可存储64MByte数据。由于本实施例中配置了环境监测传感器包括温湿度传感器、气压传感器、加速度传感器，针对每种环境参数数据的特点，在Flash芯片中分配24Mbyte空间用于存储温度、湿度和气压监测数据，24Mbyte空间用于存储电源参数，8Mbyte空间用于存储电源超限事件，6MByte空间用于存储振动监测数据，2MByte空间用于存储通电时长记录数据。
电源模块5用于在主控模块3的控制下，向各模块进行供电，其中传感器模块1中环境监测传感器的供电根据主控模块3发送的供电控制信号进行。为了能够更加精确地供电，降低功耗，一种优选方式是将电源模块5划分为若干微电源单元，每个微电源单元分别向一个模块进行供电，每个微电源单元设置一个开关芯片用于对对应模块的供电进行控制。
图2是本实施例中电源模块的结构图。如图2所示，本实施例中电源模块5可以采用外部供电(28V直流电源)和电池供电，28V直流供电时需要将其转换为5V中间电源电压，再由5V转换成设备所需的3.3V直流电源。设置专用的锂电池充放IC实现对锂电池的充放电管理，在5V输入条件下达到约90％的转换效率，芯片自带电源管理功能，输出的3.5V-4.6V直流电源通过DC/DC电源芯片转换为稳定的3.3V直流电源为传感器模块1中的各个环境监测传感器、授时模块2、主控模块3、存储模块4供电。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种低功耗自守时环境监测装置，其特征在于，包括传感器模块、授时模块、主控模块、存储模块和电源模块，其中：
传感器模块包括N个环境监测传感器，用于在主控模块的控制下采集不同的环境参数，将采集得到的环境参数数据发送至主控模块；
授时模块用于在主控模块的控制下通过卫星获取授时和定位信息，并发送至主控模块；
主控模块用于控制传感器模块采集环境参数数据，从授时模块接收授时和定位信息，按照预设算法进行处理，得到处理后的环境参数数据、授时数据和定位数据并发送至存储模块进行存储，同时控制电源模块的供电模式；其中对传感器模块的控制方法如下：
为传感器模块设置M个工作模式，记每个工作模式所涉及的环境监测传感器数量为Km，m＝1,2,…,M，对于每个工作模式，将其涉及的Km个环境监测传感器划分为主要传感器和辅助传感器。当主控模块设置传感器模块工作于某个工作模式下时，主控模块首先设置主要传感器的采集参数，根据采集参数确定主要传感器的供电模式，向电源模块发送主要传感器的供电控制信号，再向主要传感器发送工作信号，然后对主要传感器上传的环境参数数据进行监测，当达到预设条件时，设置辅助传感器的采集参数，根据采集参数确定辅助传感器的供电模式，向电源模块发送辅助传感器的供电控制信号，再向辅助传感器发送工作信号；
存储模块用于对环境参数数据、授时数据和定位数据进行本地存储；
电源模块用于在主控模块的控制下，向各模块进行供电，其中传感器模块中环境监测传感器的供电根据主控模块发送的供电控制信号进行。
2.根据权利要求1所述的低功耗自守时环境监测装置，其特征在于，所述电源模块划分为若干微电源单元，每个微电源单元分别向一个模块进行供电，每个微电源单元设置一个开关芯片用于对对应模块的供电进行控制。
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