通用型野外数据监测模块的设计

一 课程设计目标

1.1 监测模块的功能与要求

1）信号采样功能，能够采集电压信号(0-3.0V 或 0-5.0V)；
2) 同步采样功能，能够实现不同地点数据采集模块的同步采样；
3) 具有远距离数据传输功能，能够实现上百上千公里的数据远传；
4) 太阳能（结合锂电池或铅酸电池）供电；
5）模块每小时采集一次数据；
6）根据环境特点设计太阳能-电池混合供电系统。

1.2 模块设计的最优准则
1）功耗越低越好；
2）成本越低越好；
3）工作越可靠越好；
4）采样越准确越好。

二 总体设计方案

．
　　为实现电压信号采样功能，可选用内部含有ADC的主控芯片，从而简化节点的结构；为实现各个节点同步采集信号，可利用GPS模块辅助主控制器“动作”，因为GPS信号包含精确的时间信息，且GPS模块能输出精确的PPS（秒脉冲）信号，各个节点的主控制器结合PPS（秒脉冲）在统一的“GPS时间”下采集信息，从而达到同步的目的。
　　对于“上百、上千公里数据远传”的要求，应考虑采用“远距离无线传输方式”实现。因为对于单个野外监测模块，采用有线传输方式将大大增加成本。常用的远距离无线通讯技术有：GPRS、数传电台、扩频微波、无线网桥、卫星通信以及短波通信技术等，其优缺点对比如表1所示。

表1 常用远距离无线通讯方式对比
　　
　　　

　　 从通讯成本、通讯距离、传输数据量以及结构的简洁性考虑，本课题拟采用GPRS实现远距离通讯。GPRS通讯利用现有的网络资源，发挥了网络覆盖率高、永远在线等优势。此外GPRS传输按流量计费，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。在本课题中，每小时传输一次数据，数据量非常小，正好符合GPRS间断地、少量数据传输的特点。在本课题中，直接采用现成的GPRS模块实现远传功能，利用单片机控制GPRS模块收发数据。
　　 监测模块用于野外监测，因此还需要解决自主供电问题。整个模块利用12V的锂电池供电，此外，利用太阳能电池板和充电接口为电池充电。因为整个模块大部分时间处于低功耗模式，所以不需要切换“电池/太阳能”供电模式，从而简化模块结构。
　　 综上所述，总体框图如图1所示，GPS模块辅助主控芯片实现同步采样功能。GPRS模块通过串口与主控芯片进行数据通讯，实现数据远传功能。此外，主控芯片能够控制GPRS模块的供电接口，在闲时关闭该模块，达到节省能源的效果。
　　

图1 监测节点总体设计框图

三 器件选型

3.1 主控芯片的选型
　　选用ARM公司的STM32F103RCT6作为主控芯片，如图2所示。STM32F103RCT6有64个引脚，其具有价格便宜（10元左右）、适用温度范围宽（-40~85℃）、主频高（72M）等特点。该芯片带有三个USART和两个UART，便于与GPS、GPRS模块进行数据通信。此外，该芯片能工作在“运行”、“睡眠”、“停止”和“待机”四种工作模式，能够有效地管理电能。此外，STM32F103RCT6内部集成有3个精度为12位的AD，当采集5V电压时，分辨率约1.22mV；采集3V电压时，分辨率约为0.73mV。该芯片主要特性如表2所示。

　　
图2 STM32F103RCT6
表2 STM32F103RCT6主要特性

芯片型号	STM32F103RCT6
单价	10元左右
休眠模式功耗	8mA（0.4V）
正常工作功耗	50mA（3.5V）
温度范围	-40~85℃
串口个数	三个USART和两个UART
电源电压	2V～3.6V
模块尺寸	10×10mm

3.2 GPS模块选型

．
　　选用u-box公司的NEO-6M模组方案(如图3所示) 。NEO-6M 是由u-blox公司设计的 GPS定位方案。它有高达50个的并行通道，具有快速搜星的能力，精准的定位效果，非常适合符合高性能、低功耗的应用场合。此外，其价格便宜（约15元），设计电路简单，只需引出必要的接口即可。

　　
图3 NEO-6M芯片

　　GPS模块设计框图如图4所示，利用无源陶瓷天线匹配 NEO-6M 模块内部自带的 LNA(低噪声放大器)，即无需外接有源天线，即可达到良好的信号接收效果。NEO-6M串口输出信号为TTL信号，可与主控芯片直接连接（串行通信）。

　　
　　图4 GPS模块设计框图

表3 NEO-6M主要特性

芯片型号	NEO-6M
单价	12元左右
串口类型	1个UART（TTL电平）
正常工作功耗	< 80mW
温度范围	-40~85℃
工作模式功耗	50mA（3.3V）
省电模式功耗	30mA（3.3V）
电源电压	2.7V～5V
模块尺寸	16.012.2mm2.4mm

3.3 GPRS模块
　　本课题拟购买现成的GPRS模块——SIM800C_mini板，来满足远距离数据远传功能，该模块如图5所示。其价格便宜（约45元），功能齐全，且其输出接口为串口（TTL电平），可与单片机直接相连。
　　

图5 GPRS模块——SIM800板

　　SIM800C板采用了MP1482设计供电电路（如图6所示），输入电压范围为4.75V~18V，输出电压范围为3.4V~4.4V，在突发模式下，模块的电流高达2A，该电源电路很好地稳定了供电电压，防止了因为电压跌落较大而使模块关机的情况。

　图6 GPRS模块供电电路

　　此外，该模块将电平转换芯片MP1482的使能端（EN）以插针的形式引出，因此可用STM32的普通I/O口控制该管脚，从而控制GPRS模块的电源。当不需要发送数据时，可将其使能端关闭（即将整个GPRS模块断电），从而达到节能的目的。

　　GPRS模块参数如表4所示。 　　

表4 GPRS模块主要特性

型号	SIM800C
单价	45元
接口类型	UART（TTL电平）
休眠模式功耗	0.9mA
GPRS数传功耗	146mA(4V)
关机模式功耗	130uA
输入电压	4.75V~18V
工作电压	3.4V~4.4V
温度范围	-40~85℃
模块尺寸	54*44mm

3.4 系统耗能估算
　　主控芯片每小时开机2分钟，每天开机48分钟（2/3小时），其余的时间（23小时12分钟）为睡眠状态（睡眠状态下：内核停止，所有外设包括M3核心的外设，如NVIC、系统时钟(Sys Tick)等仍在运行）；GPRS模块每小时开机2分钟，每天开机48分钟（2/3小时），其余的时间（23小时12分钟）为关机状态；GPS模块连续工作（不休眠）；主控板上的电平转换芯片MP1593连续工作（不休眠）。
　　综上所述，列出整个模块消耗的功率（每天），如下表5所示。
　　

表5 监测模块主要功率消耗统计

　　每日功耗：5.437Wh。

将上述功耗转换成电流为：0.453Ah/12V－－＞ 0.604Ah/12V（75%的转换率）
　　综上可知，按照蓄电池至负载以75%的转化效率传输时，每天整个系统约需要消耗0.604Ah的蓄电池电量。
　　研究地点为河南省北部，常年日照充足，没有连续降雨情况，近年来统计最多连续阴雨天数不到7天，以下为了保证系统的可靠性与稳定性，均按照最大自给天数（即连续没有日照，主要发生在冬天）为12天计算。
　　3.5 电池的选择
　　电池的选择包括电池容量的计算和电池组的串并联设计。首先计算电池容量要求，由公式：
　

　　 电池容量=(自给天数×日平均负载)/(最大允许放电深度×温度修正因子)
　　可知，根据实际情况，最大自给天数为12天，日平均负载为0.604Ah，最大允许放电深度和温度修正因子应根据所选择的电池型号确定。本项目中拟选择以18650锂电池芯构成的电池组为系统供电，如图6所示。

图6 锂电池组

　　此型号的锂电池组循环寿命可以达到1000次左右，超出铅酸蓄电池2～3倍，这大大降低了锂电池的使用成本，适合野外监测模块供电。此外，该电池具有较宽的充电功效范围（9～12.6V）。电池组经过匹配，一致性非常好，稳定性好。电池带有PTC（热敏温控保护）与防爆阀（防爆保护）双重保护装置，可有效防止电池因意外短路造成起火，或内部压力过大而发生爆炸。可将电池安装在地下2m左右，常年温度在20°C左右，在电池的使用温度（0-60℃）范围内，故其几乎不受温度影响，设温度影响因子为90%。循环800次后容量下降15%，故设80%放电深度即可满足电池要求。综合上述条件，计算电池容量，如下式：
　　

电池容量=(12×0.6Ah)/(0.8×0.9)=10Ah

　　因此可选购10Ah的电池组，即对18650锂电池芯采用“3串4并”的封装方式，尺寸为70 12037mm，价格约110元。综上，电池组特性参数如表6所示。
　

　表6 电池组特性参数
　

3.6 太阳能控制器的选型
　　为了能通过太阳能电池板稳定地为蓄电池充电，还需为太阳能电池板接入充电管理电路。本项目拟采用以CN3722为核心的太阳能充电控制器模块，如图7所示。

　　
　　图7 太阳能充电管理模块

　　CN3722具有太阳能电池最大功率点跟踪MPPT (Maximum Power Point Tracking)功能，即自动将太阳能电池板的输出电压调整到合适的值，让太阳能电池板的输出功率保持最大值，理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%。该模块用2个电流检测电阻并联，增强了散热能力和通过电流的能力，提高了系统的稳定性，在充电板背面预留电阻连接第8引脚，以解决涓流充电电流小的问题；且具有电池端过压保护。该模块价格具有价格低（整板价格约为20元）、性能高等特点。
　　太阳能充电管理模块特性参数如表7所示。

表7 太阳能充电管理模块特性参数
　　

3.7 太阳能电池板的选型
　　系统的供电电池容量为10Ah，据统计1961～2007年河南北部平均年日照量超过2300小时，即平均每天日照量约为6.3小时，结合该地区连续降雨少的情况，预设利用三个晴天充满10Ah的锂电池，计算太阳能充电控制器输出电流：

　　 太阳能控制器输出电流=(充满电池电量+三天系统所需电量)/三天的日照数=(10Ah+0.6Ah×3)/(6.3h×3)=0.62A

　　太阳能充电控制器最大输出电流为2A，满足需要的电流0.62A。按照太阳能板80%的发电效率。计算太阳能板的型号：

　　 太阳能板功率=太阳能控制器需要功率/太阳能板发电效率=(0.62A×12V)/(80%)=9.37W

　　综上可知，根据太阳能充电控制器的输入电压，需要选择输出最少为18V的太阳能板；根据锂电池的容量，应选择功率最少为9.37W的太阳能板，为了适应部分恶劣环境，选择10W的太阳能板。
　　综上所述，所选太阳能电池板的特性参数如表8所示。

表8 太阳能电池板特性参数

四 电路设计

4.1 主控板电路设计及其接口
　　该监测模块的主控芯片为STM32F103RC6，其最小系统包含CPU、电源、复位电路、晶振电路等。复位电路如图8所示，其包含上电自动复位和按键手动复位功能。

　　
　　

图8 STM32芯片复位电路

　　为使芯片的时钟系统能正常工作，还需为芯片接入外部晶振，晶振电路如图9所示。其中8M晶振为外部高速时钟，其作为系统时钟和PLL锁相环的输入。32.768KHz的晶振为外部低速时钟，其输入供RTC使用。

　　
　　图9 STM32晶振电路
　　

　　为使单片机能控制GPS模块、GPRS模块且与之进行数据通讯，引出了STM32的两路串口（USART2、USART3）以及少量控制管脚（PC0-PC3），如图10所示。

　　
　　图10 STM32外部接口
　　

　　STM32芯片采用3.3V供电，而本系统采用12V电池作为电源，因此还需设计电平转换电路。GPS模块需要5V电源，可将12V电平转换为5V和3.3V电平供各部分选用。电平转换电路如图11所示。该电平转换电路采用MP1593和SC1117-3.3V芯片完成。

　　
　　图11 电平转换电路

　　MP1593是美国MPS公司生产的一款降压型DC-DC器件，其允许输入电压范围为4.75~28V，最高工作效率可达95%。当输入为12V、输出为5V且电流达到2.5A时，其工作效率为90%。在高压差下，该芯片可以连续工作而无需加散热片，其供电电流为1.2mA，因此可以有效节省电能，且当电池电压波动较大时，该芯片仍能可靠工作。
　　为利用STM32内部的12位ADC采集0～3V和0～5V电压信号，还需要设计阻抗匹配电路，电路如图12所示。加入电容可滤除高频噪声信号，电压跟随器起到阻抗变换的作用：电压跟随器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，以减小对输入信号的影响。电阻起到分压的作用，以实现利用单片机内部基准电压（3.3V）采集0～５Ｖ信号或更大采集范围。其中对于0~5V信号，输入与输出的关系为：

V_ADC1=3.3/(1.78+3.3)×V_ADC5V

图12 AD采集阻抗匹配电路

　　 最后，为了使主控电路板能方便地烧写程序，利用CH340芯片设计了USB转串口的电路，通过STM32的USART1将程序写入内部存储器。STM32的BOOT0和BOOT1引脚默认接GND，即采用内部flash存储的启动文件启动芯片。下载电路如图13所示。

图13 STM32芯片程序下载电路

4.2 GPS模块电路设计及其接口
　　GPS模块采用NEO-6M芯片自行设计，该芯片价格便宜，功能强大。它有50个并行通道，具有快速的搜星能力、精准的定位效果，非常适合符合高性能、低功耗的场合。利用该芯片设计GPS模块可大大简化电路，只需引出必要的接口即可。主要电路如图14所示。

　　图14 GPS模块主电路

　　NEO-6M的串口输出为TTL电平，可直接引出与单片机相连。通过调整电阻大小，将其传输的波特率设置为9600。无源陶瓷天线接收GPS信号，通过MAX2659放大后接入NEO-6M的信号引脚。此外，为主芯片接入XH414法拉电容（参数为：3.3V /0.07F）当主电源掉电的时可为 GPS模块的RTC部分供电，以使 GPS 模块在下次启动时能快速搜索到卫星（持续时间约1小时）。图15为GPS模块的外部接口（与单片机进行数据交换），输出均为TTL电平，可直接与单片机相连。

　　
　　图15 GPS模块外部接口

　　 4.3 太阳能——蓄电池供电模块
　　本系统拟采用12V蓄电池直接供电，而太阳能电池板和太阳能充电控制器负责为蓄电池充电，不再增加“太阳能/蓄电池”供电方式切换电路，从而简化整体结构。因为整个监测模块大部分时间处于低功耗模式下，耗能非常少，若利用太阳能直接供电，可能导致多余的能量流失。太阳能——蓄电池供电模块如图16所示。

　　
　　图16 太阳能——蓄电池供电模块

五 监测模块总体结构和程序流程

5.1 监测模块总体结构
　　综上所述，监测模块的总体结构如图17所示。GPS模块和GPRS模块分别通过STM32的USART2、USART3与单片机进行串行通讯。GPS模块输出的PPS秒脉冲接入STM32的“外部中断”，从而使STM32在精准的节拍下采集数据。当各个监测模块获取的GPS秒级时间一致，且在PPS触发的中断中采集一次数据，即可保证各个监测模块采集的时间点一致，从而达到同步采集的目的。
　　由于系统大部分时间处于空闲状态（不需要采集、发送数据），因此空闲时可将STM32置于睡眠模式，将GPRS模块的电源关闭（通过控制GPS模块的电源使能端——EN）。为保证GPS模块能持续接收到信号，系统将持续为GPS模块供电。
　　如前所述，主控板输入电压范围为4.75～28V，GPRS模块输入电压范围为4.75～18V，GPS模块输入电压范围为3.3V~5V。因此，主控板和GPRS模块由12V电池直接供电，而GPS模块由主控板供电（5V）（各模块原理图及PCB图见附件）。

　　图17 检测模块总体结构

　　 5.2 程序设计流程
　　设T时刻为所有监测模块的起始采集点，所有模块应在T时刻之前开机。当T时刻到来时，在PPS触发的外部中断中将变量N置为1，此后在PPS脉冲触发下N“自加”，当N=3600时采集一次数据，当60
　　
　　图18 主程序流程

　　
　　将系统“唤醒”的程序流程如图19所示，该流程应在中断中完成。

　　
　　图19 系统“唤醒”程序流程

　　为了保证能尽量采集同步，将采集电压的函数放在由PPS触发的外部中断中，因为该外部中断每秒触发一次，可以保证程序执行完成。由PPS触发的外部中断程序如图20所示。

　
　图20 PPS触发的外部中断程序流程

　　正常情况下，变量N在PPS脉冲触发下自加1，当N=3600时，采集电压，并将N置1。GPRS发送数据时，可将电压值和时间信息一并远传,以便后期处理。因为数据是在中断触发时采集的，而和数据配对的时间也是中断触发的那一刻，因此，只要PPS脉冲精准，同步误差大多由单片机处理数据时引起。如果各个监测模块处理速度相差不大，同步误差会很小，应该是几十毫秒以内（若想获取微秒级的时间戳，还需利用精确晶振计数统计）。
　　上述中断服务程序中，有一个“N初始化函数”，其作用是保证各个监测模块有一个统一的时间基准点，在该基准点的基础上，监测模块每隔一小时采集并发送一次数据。该函数“完成任务后”将自动关闭，之后将不再执行。其流程图如图21所示。

　　
　　图21 给定基准时刻的函数流程

　　标志变量“Flag”初始值为1，当时间未到达约定的基准时刻时，N值不会自加，而“Flag”也保持数值1。当时间到达约定时刻时，N被赋置1，之后将在PPS脉冲触发下“自加”，而“Flag=0”，此后该函数将被关闭。
综上所述，各监测模块从开机到进入“采集流程”的过程如图22所示。

图22 数据采集流程

六 设计总结

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　　本文在深入分析课题要求的基础上，结合了嵌入式技术和网络通讯技术，设计了基于GPS信号的野外同步采集模块。本文主要从系统的功耗、成本、接口以及可靠性等方面进行了研究，主要的内容包括以下几个方面：
　（1）分析了目前数据传输的几种方式，通过比较分析，确定了以GPRS技术进行数据远传。
　（2）为保证采集同步，为系统接入GPS模块，从而利用其精确的时间信息和PPS秒脉冲。
　（3）以STM32F103RCT6为主控芯片，设计通讯和控制接口，GPS模块和GPRS模块通过串口与STM32进行通讯（输出为TTL电平，可直接连接）。
　（4）详细分析了整个系统的功耗，在此基础上设计了太阳能——蓄电池供电模块，能保证该监测模块长期在野外工作。各个模块的电压输入范围宽，从而使模块工作更可靠。
　（5）设计了系统工作的程序流程，在保证同步采集数据的前提下，有效地节省电能。
　　本设计的特色之处在于使用了GPS信号进行同步采集，若在模块的本地时钟的调度下进行采集，将会有很大的累积误差，而本设计不会有累计误差，结合程序设计，可将时间误差控制在几十毫秒内。综上，本设计具有价格低（约300元）、低功耗（约0.6Ah/天）、可靠性高以及精确同步等特点。

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