CN115253141B - 一种低功耗智能消火栓系统、控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种低功耗智能消火栓系统、控制方法和控制系统，基于本申请的实施方案，本申请从硬件设计软件设计通信算法和器件选型四个方面综合考量常态平均运行功耗，电流小于30uA静态电流小于10uA远远低于市场上物联网设备功耗。硬件方面主要对智能消火栓检测放水的电路和外部传感器的通断控制电路重新设计，软件方面主要对系统运行的逻辑控制进行了编程，使得硬件层的工作状态，跟随流程控制结果进行工作。数据发送成功后，实现快速休眠采用重发退避机制，发送失败不会一直重发即保证数据上报成功率也减低了发送次数减低了功耗。既能保证报警上报的实时性和采集数据上报的完整性，又减少了上报次数降低功耗。

Description

一种低功耗智能消火栓系统、控制方法和控制系统

技术领域

本公开涉及消防技术领域，尤其涉及一种低功耗智能消火栓系统、控制方法和控制系统。

背景技术

智能消火栓，是基于物联网技术实现的智能消防方案，可以通过物联网设备实现消火栓的远程监控和应用，便于消防人员快速响应各种火灾警情的发生。

考虑到智能消火栓的使用环境为了降低后期维护成本需要设计智能消火栓能够长期使用的方案现有技术中一般采用如下几类方案：

1、加太阳能电池：太阳能电池的成本高供电不稳定受环境影响等；

2、加大电池容量：硬件成本增加；

3、低功耗设计不彻底：智能消火栓的电路设计方案，其平均功耗还是比较大做不到5年以上使用寿命。

因此，若是要保证智能消火栓需要在不充电、不换电池的情况下长期使用且在普通工况下能够使用5年以上，这对智能消火栓低功耗设计提出苛刻的要求成为亟需待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题本申请提出一种低功耗智能消火栓系统、控制方法和控制系统。

本申请一方面提出一种低功耗智能消火栓系统，包括：

检测电路，作为所述智能消火栓的放水检测电路：当放水检测时产生小于10uA的静态电流；

开关电路，作为所述智能消火栓的传感器通断控制电路：采样数据时管脚PWR_EN置高电平V_PWR输出电压给传感器保持正常供电；采样结束后管脚PWR_EN置低电平V_PWR未输出电压传感器断电不工作；

所述检测电路和开关电路分别电连接所述智能消火栓的MCU。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地所述检测电路包括：

第一电阻R1、探针、第一电容C1和第二电阻R2，其中，所述第一电阻R1、探针和第二电阻R2依次串联且探针的输出端电连接所述MCU；所述第一电容C1的输入端与探针的输出端电连接、输出端接地；第二电阻R2的输入端与探针的输出端电连接、输出端接地。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地所述第一电阻R1的阻值为1千欧，所述第二电阻R2的阻值为1兆欧。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地所述开关电路包括：

第二电阻R1、三极管Q3、第二电容C1和IC芯片U2，所述第二电阻R1、三极管Q3和IC芯片U2依次串接在管脚PWR_EN和管脚V_PWR之间，所述第二电容C1的输入端与三极管Q3的输出端电连接、输出端接地。

本申请另一方面提出一种基于所述的低功耗智能消火栓系统的控制方法包括如下步骤：

启动检测电路和开关电路开始采集数据并发送；

判断是否需要上报数据：

若需要上报数据则启动NB远传模块进行远程数据发送；

若不需要上报数据则发送快速休眠指令进入PSM休眠状态；待唤醒后重复上述步骤。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地若需要上报数据则启动NB远传模块进行远程数据发送，包括：

判断远程数据是否发送成功：

若远程数据发送成功，则发送快速休眠指令进入PSM休眠状态；

若远程数据未发送成功，则触发退避机制通过退避算法进行重发。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地若远程数据未发送成功，则触发退避机制通过退避算法进行重发包括：

判断远程数据未发送成功次数是否超过预设次数值：

若远程数据未发送成功次数超过预设次数值，则发送断电指令切断NB远传模块电源；

若远程数据未发送成功次数未超过预设次数值，则延时D秒后重新发送远程数据。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地若远程数据未发送成功，则触发退避机制通过退避算法进行重发，还包括：

在发送断电指令切断NB远传模块电源之后，隔R*2ⁿ秒后重新尝试注网，其中，R为基础延时时间，n为重新注网次数；

判断重新注网次数是否超过预设次数值，是则结束远程数据发送程序发送断电指令，切断NB远传模块电源。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地若远程数据未发送成功，则触发退避机制通过退避算法进行重发，还包括：

判断重新注网次数未超过预设次数值，则隔R*2ⁿ秒后重新尝试注网重新发送远程数据，其中，R为基础延时时间，n为重新注网次数。

本申请另一方面还提出一种控制系统包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中所述处理器被配置为执行所述可执行指令时实现所述的控制方法。

本发明的技术效果：

基于本申请的实施方案，本申请从硬件设计，软件设计，通信算法和器件选型四个方面，综合考量常态平均运行功耗，电流小于30uA，静态电流小于10uA，远远低于市场上物联网设备功耗。硬件方面，主要对智能消火栓检测放水的电路和外部传感器的通断控制电路作为重新设计，软件方面主要对系统运行的逻辑控制进行了编程，使得硬件层的工作状态跟随流程控制结果进行工作，数据发送成功后，实现快速休眠；采用重发退避机制，发送失败，不会一直重发，即保证数据上报成功率也减低了发送次数减低了功耗。既能保证报警上报的实时性和采集数据上报的完整性，又减少了上报次数降低功耗。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面并且用于解释本公开的原理。

图1示出为本发明检测电路的电路结构图；

图2示出为本发明开关电路的电路结构图；

图3示出为本发明NB远传模式的发送流程示意图；

图4示出为本发明整个系统的控制流程示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面但是除非特别指出不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外为了更好的说明本公开在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解没有某些具体细节本公开同样可以实施。在一些实例中对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述以便于凸显本公开的主旨。

本申请从硬件设计软件设计通信算法和器件选型四个方面综合考量常态平均运行功耗电流小于30uA静态电流小于10uA远远低于市场上物联网设备功耗。硬件方面主要对智能消火栓检测放水的电路和外部传感器的通断控制电路作为重新设计软件方面主要对系统运行的逻辑控制进行了编程使得硬件层的工作状态跟随流程控制结果进行工作数据发送成功后实现快速休眠采用重发退避机制发送失败不会一直重发即保证数据上报成功率也减低了发送次数减低了功耗。既能保证报警上报的实时性和采集数据上报的完整性又减少了上报次数降低功耗。

首先提出对硬件的设计改进，主要减低设备的静态功耗设备的静态功耗有以下几部分组成：1、常通电路功耗；2、各种传感器的功耗3器件模组功耗。对于这几类问题做了针对性设计。

实施例1

本申请一方面提出包括：

1、检测电路，作为所述智能消火栓的放水检测电路：当放水检测时，产生小于10uA的静态电流；输入检测信号管脚一直保持通路需要减低静态电流。

检测电路作为所述智能消火栓的放水检测电路，当监测时探针导通，检测电路通电。

如图1所示，是智能消火栓检测放水的电路原理。当探针导通(放水)时，产生的电流Ipin＝3.3/(R1+R2)R1+R2越大产生电流越小。

其中R1一般是1K用于限流保护不涉及降功耗。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地所述检测电路包括：

第一电阻R1、探针、第一电容C1和第二电阻R2，其中，所述第一电阻R1、探针和第二电阻R2依次串联且探针的输出端电连接所述MCU；所述第一电容C1的输入端与探针的输出端电连接、输出端接地；第二电阻R2的输入端与探针的输出端电连接、输出端接地。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地所述第一电阻R1的阻值为1千欧，所述第二电阻R2的阻值为1兆欧。

本实施例通过加大电阻R2以此减低导通情况下的电路功耗实际设计中取R2＝1M则Ipin可以等于3.3uA。

本实施例检测电路接入3.3v电压并连接至智能消火栓的物联网系统中检测信号接入MCU通过MCU的GPIO引脚接入。

如图2所示对于外部传感器设计开关电路。

2、开关电路，作为所述智能消火栓的传感器通断控制电路：采样数据时，管脚PWR_EN置高电平V_PWR输出电压给传感器保持正常供电；采样结束后，管脚PWR_EN置低电平，V_PWR未输出电压，传感器断电不工作；

所述检测电路和开关电路分别电连接所述智能消火栓的MCU。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地所述开关电路包括：

第二电阻R1、三极管Q3、第二电容C1和IC芯片U2，所述第二电阻R1、三极管Q3和IC芯片U2依次串接在管脚PWR_EN和管脚V_PWR之间，所述第二电容C1的输入端与三极管Q3的输出端电连接、输出端接地。

需要采样数据时管脚PWR_EN置高电平V_PWR输出电压给传感器保持正常供电。采样结束后管脚PWR_EN置低电平V_PWR未输出电压传感器断电不工作节省功耗。

上述硬件改进方案中涉及到的MCU等电子元件为智能消火栓的物联系统设备本实施例不再限定和赘述MCU等电子元件的组成情况。

本实施例中MCUNB/4G和蓝牙模块均需要1-2uA级超低功耗休眠模式。

在上述基础上本实施例还涉及了系统运行程序方面的改进。本实施例主要对远传策略进行了设计因为数据远传功耗在智能设备的平均功耗所占比重最大影响远传功耗主要有以下几个方面：

单次发送平均功耗需要做专业的天线匹配；

单次发送时长：发完数据后需要快速进入PSM状态；

远传数据发送异常的处理机制；

发送策略。

因为数据发送完成后如果不实现快速休眠NB远传模组则需要22s进入休眠功耗单次发送功耗至少提高一倍。因此本实施例采用重发退避机制发送失败不会一直重发即保证数据上报成功率也减低了发送次数减低了功耗。

如图3所示基于实施例1的实施原理本申请另一方面提出一种基于所述的低功耗智能消火栓系统的控制方法包括如下步骤：

S1、启动检测电路和开关电路开始采集数据并发送；

整个系统运行流程：mcu唤醒后打开外部传感器电源开关(第一方案中提出的开关电路)采集数据(检测电路)采集完后如果需要上报数据则开启NB远传模组开启NB远传模式；不需要进入休眠状态休眠N秒唤醒后继续上一个流程。

NB远传模组为智能消火栓物联网系统的信息发送模块本实施例不限定NB远传模组的具体应用型号和规格。

数据采集后可以根据退避算法进行发送。

S2、判断是否需要上报数据：

若需要上报数据则启动NB远传模块进行远程数据发送；

若不需要上报数据则发送快速休眠指令进入PSM休眠状态；待唤醒后重复上述步骤。

数据采集后不需要上传则关闭外部传感器电源开关进入休眠状态休眠N秒唤醒后继续上一个流程。若需要上报数据则启动NB远传模块进行远程数据发送。

如图3所示本实施例设计的退避算法需要对远传数据是否发送成功、发送失败次数以及重新注网次数进行判断实现各个逻辑上的通电开关控制。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地若需要上报数据则启动NB远传模块进行远程数据发送，包括：

判断远程数据是否发送成功：

若远程数据发送成功，则发送快速休眠指令进入PSM休眠状态；

若远程数据未发送成功，则触发退避机制通过退避算法进行重发。

通过智能消火栓的物联通信模块即NB远传模块信息成功后MCU发送快速休眠指令NB远传模块进入PSM休眠状态以此降低运行功耗。发送不成功触发退避机制进入退避保护流程。在连续发送几次依旧未发送成功的情况下延时重发。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地若远程数据未发送成功，则触发退避机制通过退避算法进行重发包括：

判断远程数据未发送成功次数是否超过预设次数值：

若远程数据未发送成功次数超过预设次数值，则发送断电指令切断NB远传模块电源；

若远程数据未发送成功次数未超过预设次数值，则延时D秒后重新发送远程数据。

本实施例预设次数值优选三次。发送不成功隔D秒后发送数据如果连续发送三次失败切断NB电源隔R*2ⁿ(R为基础延时时间n重新注网次数)后重新尝试注网。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地若远程数据未发送成功，则触发退避机制通过退避算法进行重发，还包括：

在发送断电指令切断NB远传模块电源之后，隔R*2ⁿ秒后重新尝试注网，其中，R为基础延时时间，n为重新注网次数；

判断重新注网次数是否超过预设次数值，是则结束远程数据发送程序发送断电指令，切断NB远传模块电源。

发送不成功隔D秒后重新发送远传数据；如果连续发送三次失败则切断NB电源隔R*2ⁿ(R为基础延时时间n重新注网次数)后重新尝试注网。若是重新尝试注网的次数超过三次则结束发送发送断电指令切断NB远传模块电源。

作为本申请的一种可选实施方案，可选地若远程数据未发送成功，则触发退避机制通过退避算法进行重发，还包括：

判断重新注网次数未超过预设次数值，则隔R*2ⁿ秒后重新尝试注网重新发送远程数据，其中，R为基础延时时间，n为重新注网次数。

在上述实施技术上若是隔R*2ⁿ(R为基础延时时间n重新注网次数)后重新尝试注网后判断发现重新尝试注网的次数大于三次依旧结束发送发送断电指令切断NB远传模块电源。

如图4所示为智能消火栓的系统运行主流程：

1、整个系统运行流程：mcu唤醒后，打开外部传感器电源开关，采集数据，采集完后，如果需要上报数据，则开启NB远传模组，不需要进入休眠状态，休眠N秒唤醒后，继续上一个流程。

在MCU休眠时间N秒内：

(1)MCU和通讯模组都处于休眠状态；

(2)(2)传感器处于断电状态此时静态电流I1很低。

正常情况下，休眠时间为t1电流为I1；mcu唤醒工作时间t2，唤醒工作电流为I2。在不发送数据情况下平均电流为：

当t1>>t2，则I≈I1基本等于休眠的静态电流。实际系统中尽量拉长休眠时间t1(t1＝5s)缩短唤醒时间t2(50ms)。

2、报警数据上报策略

如果设备不产生报警的情况下，默认每24小时发送一包数据，数据中包含系统每隔1小时采集记录的历史数据，减少发送频率的同时(减少发送频率即减低功耗)又能完整的上报历史检测数据。

当产生报警和报警解除，实时上报报警，报警状态不变则不上报数据。

通过以上两个方面的低功耗智能消火栓模块，既能保证报警上报的实时性和采集数据上报的完整性，又减少了上报次数和智能消火栓系统的功耗。

技术效果：

通过以上设计后，如果按每天发送1次远传数据的情况系统的平均运行电流功耗，从原来100uA减低到30uA以下。静态电流减低到10uA。按19600mAh的电池来算使用年限远远大于10年。

显然，本领域的技术人员应该明白实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各控制方法的实施例的流程。上述的本发明的各模块或各步骤，可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中，由计算装置来执行或者将它们分别制作成各个集成电路模块或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的程序，可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各控制方法的实施例的流程。其中存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemoryROM)、随机存储记忆体(RandomAccessMemoryRAM)、快闪存储器(FlashMemory)、硬盘(HardDiskDrive缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDriveSSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

实施例3

更进一步地，本申请另一方面，还提出一种控制系统包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令时实现所述的控制方法。

本公开实施例，来控制系统包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器。其中处理器被配置为执行可执行指令时实现前面任一所述的。

此处应当指出的是处理器的个数可以为一个或多个。同时在本公开实施例的控制系统中还可以包括输入装置和输出装置。其中处理器、存储器、输入装置和输出装置之间可以通过总线连接也可以通过其他方式连接此处不进行具体限定。

存储器作为一计算机可读存储介质可用于存储软件程序、计算机可执行程序和各种模块如：本公开实施例的所对应的程序或模块。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序或模块从而执行控制系统的各种功能应用及数据处理。

输入装置可用于接收输入的数字或信号。其中信号可以为产生与设备/终端/服务器的用户设置以及功能控制有关的键信号。输出装置可以包括显示屏等显示设备。

以上已经描述了本公开的各实施例上述说明是示例性的并非穷尽性的并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (3)

1.一种低功耗智能消火栓系统，其特征在于，包括：

检测电路，作为所述智能消火栓的放水检测电路：当放水检测时，产生小于10uA的静态电流；

开关电路，作为所述智能消火栓的传感器通断控制电路：采样数据时，管脚PWR_EN置高电平V_PWR输出电压给传感器保持正常供电；采样结束后，管脚PWR_EN置低电平，V_PWR未输出电压，传感器断电不工作；

所述检测电路和开关电路分别电连接所述智能消火栓的MCU；

所述检测电路包括：

第一电阻R1、探针、第一电容C1和第二电阻R2，其中，所述第一电阻R1、探针和第二电阻R2依次串联且探针的输出端电连接所述MCU；所述第一电容C1的输入端与探针的输出端电连接、输出端接地；第二电阻R2的输入端与探针的输出端电连接、输出端接地；

所述开关电路包括：

第二电阻R1、三极管Q3、第二电容C1和IC芯片U2，所述第二电阻R1、三极管Q3和IC芯片U2依次串接在管脚PWR_EN和管脚V_PWR之间，所述第二电容C1的输入端与三极管Q3的输出端电连接、输出端接地；

所述低功耗智能消火栓系统的控制方法，包括如下步骤：

启动检测电路和开关电路开始采集数据并发送；

判断是否需要上报数据：

若需要上报数据则启动NB远传模块进行远程数据发送，包括：

判断远程数据是否发送成功：

若远程数据发送成功，则发送快速休眠指令进入PSM休眠状态；

若远程数据未发送成功，则触发退避机制通过退避算法进行重发，包括：

判断远程数据未发送成功次数是否超过预设次数值：

若远程数据未发送成功次数超过预设次数值，则发送断电指令切断NB远传模块电源；若远程数据未发送成功次数未超过预设次数值，则延时D秒后重新发送远程数据；

在发送断电指令切断NB远传模块电源之后，隔R*

秒后重新尝试注网，其中，R为基础延时时间，n为重新注网次数；

判断重新注网次数是否超过预设次数值，是则结束远程数据发送程序发送断电指令，切断NB远传模块电源；

判断重新注网次数未超过预设次数值，则隔R*

秒后重新尝试注网重新发送远程数据，其中，R为基础延时时间，n为重新注网次数；

若不需要上报数据则发送快速休眠指令进入PSM休眠状态；待唤醒后重复上述步骤 。

2.根据权利要求1所述的低功耗智能消火栓系统，其特征在于，所述第一电阻R1的阻值为1千欧，所述第二电阻R2的阻值为1兆欧。

3.一种控制系统，其特征在于，包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令时实现权利要求1中任一项所述低功耗智能消火栓系统的控制方法。

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