CN208888611U - 一种基于无线双向通讯的超低功耗控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无线双向通讯的超低功耗控制系统，该系统包括多个基于无线双向通讯的装置；所述装置块包括中央处理器MCU、由所述MCU控制的且用于发送和接收无线数据的射频收发电路、与所述射频收发电路相连接的且用于控制所述射频收发电路功耗的功耗控制电路，以及由所述MCU控制的且用于采集数据并将所述采集数据输送至所述MCU的传感采集电路。本实用新型的系统采用MCU、射频收发电路、功耗控制电路以及特定的控制、通讯方法，使通讯装置实现超低功耗的同时保障了系统无线的双向通讯。

Description

一种基于无线双向通讯的超低功耗控制系统

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，具体地涉及一种基于无线双向通讯的超低功耗控制系统。

背景技术

无线通讯技术广泛应用于工业和民用各个领域，伴随无线应用的需求不断扩展，人们对此项技术的低功耗性能要求也越来越高，比如环境感知、工业测控、电力系统、可穿戴产品、定位产品等。

对于电池供电设备，特别是无法安装大容量电池的嵌入式电路，无线模块的功耗高低往往是困扰长期供电运行的最大问题，目前市场上的无线模块都集成了MCU与射频芯片或射频电路，仅仅射频芯片的接收电流最低就已经达到10mA(433MHz)甚至数百mA(手机射频网络)，这还没有包含MCU的电流消耗。

再者，目前已经存在一些超低功耗的无线设备(如无线自动抄表仪、无线烟感报警器等)，但这些低功耗设备均是采用大部分时间休眠(或关断电源)定时启动单向通讯的方案，这种无线通讯方式只能由监测设备主动定时上传数据，而上位机无法按需要实时读取或控制监测设备(监测设备是休眠或断电状态，无法接收上位机的无线指令)。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种超低功耗控制系统，该系统采用MCU、射频收发电路、功耗控制电路以及特定的控制、通讯方法，使通讯装置实现超低功耗的同时保障了无线的双向通讯。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种超低功耗控制系统，该系统包括多个基于无线双向通讯的装置；所述装置块包括中央处理器MCU、由所述MCU控制的且用于发送和接收无线数据的射频收发电路、与所述射频收发电路相连接的且用于控制所述射频收发电路功耗的功耗控制电路，以及由所述MCU控制的且用于采集数据并将所述采集数据输送至所述MCU的传感采集电路。

优选地，所述中央处理器MCU上设有用于侦听所述MCU电压并输出电平信号至所述MCU的电压比较器、存储所述装置工作参数数据的存储器，以及由所述MCU根据工作参数设置定时时长并在定时时间达到时通过所述电压比较器输出的电平信号唤醒所述MCU的定时器。

优选地，所述射频收发电路包括通过MCU控制其由停机模式快速切换至接收模式的射频芯片SI4463，以及射频调理外围电路。

优选地，所述传感采集电路包括与所述MCU连接的且用于测量温度和湿度的传感采集器SHT20。

优选地，所述装置工作参数包括装置ID值、目标ID值、时钟频率、唤醒时间间隔、工作时隙长度、自动存储时间间隔、主动发送时间间隔、侦测信号探测时长、侦测信号监听时长、多级传感器预警值、射频频率、固定发射功率、智能发射功率、期望接收信号强度、空中通讯速率和数字接口通讯速率。

优选地，所述射频芯片SI4463还具有发射功率调整功能和信号强度检测功能。

优选地，所述系统某一装置的MCU接收到其射频收发电路的无线数据后解析出数据帧中包含的目标ID值与自身ID值，若所述目标ID值与自身ID值相同时则向另一装置的MCU返回应答帧并解析数据帧的内容。

优选地，每个装置具有相同射频频率和空中通讯速率；每个装置中的ID值可以是不同的。

优选地，所述装置包括对外接口；所述对外接口包括电源接口、数字通讯接口、信号感测接口和按键接口。

优选地，所述功耗控制电路中蓄电池采用的是超级电容。

本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型的系统采用MCU、射频收发电路、功耗控制电路以及特定的控制、通讯方法，使通讯装置实现超低功耗的同时保障了系统无线的双向通讯。

2、本实用新型的系统采用超级电容代替蓄电池，超级电容不具有限制的充放电寿命的特点，因此本系统可实现真正的绿色能源消耗，永久无人干预条件下工作。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出了本实用新型基于无线双向通讯装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型的一种实施方式中，如图1所示，一种基于无线双向通讯的超低功耗控制系统，该系统包括多个基于无线双向通讯的装置；装置包括中央处理器MCU、由MCU控制的且用于发送和接收无线数据的射频收发电路、与射频收发电路相连接的且用于控制射频收发电路功耗的功耗控制电路，以及由MCU控制的且用于采集数据并将采集数据输送至MCU的传感采集电路。

中央处理器MCU负责协调装置内各电路工作，实现超低功耗工作逻辑。

在本实施方式中，装置还包括对外接口；对外接口包括电源接口、数字通讯接口、信号感测接口和按键接口。

在本实施方式中，中央处理器MCU上设有用于侦听MCU电压并输出电平信号至MCU的电压比较器、存储装置工作参数数据的存储器，以及由MCU根据工作参数设置定时时长并在定时时间达到时通过电压比较器输出的电平信号唤醒MCU的定时器。存储器分别与MCU和功耗控制电路连接，在MCU控制下存储工作参数数据。

装置在一系列预设参数下展开工作，工作参数存储于存储器内，可通过数字接口访问、修改并永久存储；主要工作参数包括装置ID值、目标ID值、时钟频率、唤醒时间间隔、工作时隙长度、自动存储时间间隔、主动发送时间间隔、侦测信号探测时长、侦测信号监听时长、多级传感器预警值、射频频率、固定发射功率、智能发射功率、期望接收信号强度、空中通讯速率和数字接口通讯速率。因此，本装置的MCU不仅具备调整时钟频率的功能，还具有休眠和停机工作模式。

在本实施方式中，传感采集电路与MCU和对外接口连接，在MCU控制下实时采集传感采集器值并传输给MCU。传感采集器可以是模拟信号并经ADC转换为数字信号，也可直接是数字接口与MCU连接。传感采集电路包括与MCU连接的且用于测量温度和湿度的传感采集器SHT20。

在本实施方式中，射频收发电路包括通过MCU控制其由停机模式快速切换至接收模式的射频芯片SI4463，以及射频调理外围电路。射频芯片SI4463不仅具有停机工作模式(不断开电源，保持已有工作状态，停止所有内部电路，消耗极低的电流)，而且还具有发射功率调整功能和信号强度检测功能。

在本实施方式中，装置的电源有两种方式:一是使用不可充电电池供电，二是采用太阳能+蓄电池的方案。特别的，当使用第二种供电方案时，因装置功耗极低，功耗控制电路中蓄电池可使用超级电容代替，超级电容具有几乎没有限制的充放电寿命，因此本装置可实现真正的绿色能源消耗，永久无人干预条件下工作。

本系统包括多个基于无线双向通讯的装置，每个装置具有相同射频频率和空中通讯速率；每个装置中的ID值可以是不同的(由用户设置)。装置的电源通电，MCU读取工作参数后控制射频芯片SI4463进入停机模式；设置定时器的定时时间，设置MCU进入停机工作模式。定时器的时间到后定时器输出电平信号将MCU唤醒。在此期间打开传感采集电路和存储器功率控制开关；MCU读取用于测量温度和湿度的传感采集器，以及对外接口的状态数据；若达到自动存储时间间隔状态，MCU将状态数据存储到存储器；同时MCU唤醒后控制射频芯片SI4463由停机模式进入接收模式，并根据工作时隙长度监听是否接收数据；若在此期间MCU接收到射频芯片SI4463的数据则进一步解析数据并根据数据内容做相应操作，若未收到数据则检查是否达到数据主动发送时间间隔，达到数据主动发送时间间隔时，MCU将射频芯片SI4463切换到发送状态发送一组数据；然后MCU控制射频芯片进入停机模式，关断功率开关，设置定时器定时时间，设置MCU进入停机工作模式。MCU接收到射频芯片SI4463的数据后解析出数据帧中包含的目标ID值并与自身ID值进行比较，若目标ID值与自身ID值相同时则向另一装置的MCU返回应答帧并解析数据帧的内容。装置间交互的数据帧包括以下几种：侦测帧、侦测应答帧、数据帧、数据应答帧，四种数据帧内均包含数据的发送方ID值、接收方ID值(目标ID)，对于数据发送方，数据帧内还包含有自身发送数据时使用的发射功率值和接收灵敏度值，对于接收方，其发送的应答帧内包含有自身实时信号接收强度和期望接收信号强度值。目标ID可以是特定的某个ID值，也可以是通用的ID值，当是通用ID值时，发射装置的数据发送等同于广播，所有其他装置在接收到含有通用ID的数据帧时均会认为数据合法。

在本实施方式中，对外接口或电压比较器的电平信号均能将停机模式的MCU唤醒，MCU被唤醒后MCU会判断是何种方式的唤醒，若是对外接口的电平信号唤醒时，则MCU主动进行一次数据发送。

在本实施方式中，用户可通过数字通讯接口发送指令，每个装置自动完成侦测和数据发送交互过程。数据发送交互过程如下：用户通过数字通讯接口向装置发送数据帧，MCU被数字接口数据唤醒；MCU解析用户数据，当数据内包含有目标ID时解析出目标模块地址，当数据内不包含目标ID时使用自身预设的“目标ID”参数作为目标ID值；高频次切换射频芯片为发送模式发送包含有目标ID的侦测数据帧，发送完成后立即切换为接收模式，直到目标装置返回侦测应答帧，或超时；接收到应答帧后，继续发送用户数据，并等待目标装置返回数据应答帧或超时；MCU控制射频芯片进入停机模式，关断功率开关，设置定时器定时时间，设置自身进入停机模式；至此，一个由用户主动发起的无线交互过程结束。

在本实施方式中，系统可工作于固定发射功率和智能发射功率两种模式下。当设置为固定发射功率时，每次发射均使用预设的功率值进行数据发射。当设置为智能发射功率时，每个装置都存储有若干组相同通讯组内其它装置之间进行通讯的发射功率值(数组)，此数组由模块自动、动态维护。在数据交互的过程中，主动发送方使用最近一次存储的与接收方ID对应的一组发射功率发送数据，并从收到的应答帧内解析出对方的实时接收信号强度和期望接收信号强度值，并立即调整发射功率，继续发射后续数据，并修改(无此模块数据时增加)此接收装置所需要的发射功率(存储到存储器)。当数据交互失败时，发送方自动加大发射功率，重复本次数据通讯，直到调整为最大发射功率为止，若仍通讯失败则进入停机模式，等待下次通讯。

上述智能、自动调节发射功率的方法，可实现每个装置以最低的发射功率与同通讯组其它装置进行数据交互，即可最大程度的降低模块功耗，也可实现自动动态调整发射功率，以适应发送装置与每一个接收装置之间传输介质各种因素影响导致的信号传输能力变化(如空气温度、大气压力、物体遮挡等影响因素)。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于无线双向通讯的超低功耗控制系统，其特征在于，该系统包括多个基于无线双向通讯的装置；所述装置包括中央处理器MCU、由所述MCU控制的且用于发送和接收无线数据的射频收发电路、与所述射频收发电路相连接的且用于控制所述射频收发电路功耗的功耗控制电路，以及由所述MCU控制的且用于采集数据并将所述采集数据输送至所述MCU的传感采集电路。

2.根据权利要求1所述超低功耗控制系统，其特征在于，所述中央处理器MCU上设有用于侦听所述MCU电压并输出电平信号至所述MCU的电压比较器、存储所述装置工作参数数据的存储器，以及由所述MCU根据工作参数设置定时时长并在定时时间达到时通过所述电压比较器输出的电平信号唤醒所述MCU的定时器。

3.根据权利要求1所述超低功耗控制系统，其特征在于，所述射频收发电路包括通过MCU控制其由停机模式快速切换至接收模式的射频芯片SI4463，以及射频调理外围电路。

4.根据权利要求1所述超低功耗控制系统，其特征在于，所述传感采集电路包括与所述MCU连接的且用于测量温度和湿度的传感采集器SHT20。

5.根据权利要求2所述超低功耗控制系统，其特征在于，所述装置工作参数包括装置ID值、目标ID值、时钟频率、唤醒时间间隔、工作时隙长度、自动存储时间间隔、主动发送时间间隔、侦测信号探测时长、侦测信号监听时长、多级传感器预警值、射频频率、固定发射功率、智能发射功率、期望接收信号强度、空中通讯速率和数字接口通讯速率。

6.根据权利要求3所述超低功耗控制系统，其特征在于，所述射频芯片SI4463还具有发射功率调整功能和信号强度检测功能。

7.根据权利要求1所述超低功耗控制系统，其特征在于，所述系统某一装置的MCU接收到其射频收发电路的无线数据后解析出数据帧中包含的目标ID值与自身ID值，若所述目标ID值与自身ID值相同时则向另一装置的MCU返回应答帧并解析数据帧的内容。

8.根据权利要求1所述超低功耗控制系统，其特征在于，每个装置具有相同射频频率和空中通讯速率；每个装置中的ID值可以是不同的。

9.根据权利要求1所述超低功耗控制系统，其特征在于，所述装置包括对外接口；所述对外接口包括电源接口、数字通讯接口、信号感测接口和按键接口。

10.根据权利要求1所述超低功耗控制系统，其特征在于，所述功耗控制电路中蓄电池采用的是超级电容。