劉亞賓　楊軍　常濤　楊泰

摘 要：低功耗環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊可完成對(duì)溫度、濕度、露點(diǎn)等氣象要素以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘、粉塵、噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度、鋰電池電量等物理要素的監(jiān)測(cè)。文章從電路設(shè)計(jì)、機(jī)械機(jī)構(gòu)與軟件編程等方面對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹。該模塊不僅可用于測(cè)試鑄造設(shè)備及廠房環(huán)境參數(shù)，也可用于重要鑄件運(yùn)輸過(guò)程中的環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)與記錄。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測(cè)；低功耗；數(shù)據(jù)處理；電源管理

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）10-00-03

0 引 言

鑄造設(shè)備與廠房環(huán)境以及運(yùn)輸中的重要鑄件都需要在整個(gè)過(guò)程中能了解并記錄其使用情況、環(huán)境狀況、運(yùn)輸情況等，從而分析設(shè)備、鑄件及廠房所經(jīng)歷的環(huán)境條件及其變化情況。利用嵌入式技術(shù)將眾多要素監(jiān)測(cè)集成在一塊電路板上，可提供一種可剪裁、低功耗、全天候、性價(jià)比高的環(huán)境監(jiān)測(cè)解決方案。

1 功能需求

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的基本測(cè)量要素包括溫度、濕度、露點(diǎn)[1]；擴(kuò)展監(jiān)測(cè)要素有粉塵、噪聲、X/Y/Z三軸方向的振動(dòng)（加速度）及磁場(chǎng)強(qiáng)度、鋰電池電量等。同時(shí)具備上電后24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)、工業(yè)Modbus標(biāo)準(zhǔn)通信、人機(jī)交互、循環(huán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、模擬量實(shí)時(shí)輸出與報(bào)警等功能，并易于與PLC系統(tǒng)集成，以滿足海洋運(yùn)輸高溫、高濕、高鹽霧的使用環(huán)境。

2 總體設(shè)計(jì)及其工作原理

2.1 總體設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊主要由大容量鋰電池與PCB組成，單元對(duì)外接口主要為供電、模擬量輸出、報(bào)警輸出及Modbus通信接口，PCB設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，可與鋰電池并置，也可單獨(dú)存在，利用9～36 V電壓供電。為提高模塊的通用性，功能單元采取模塊化設(shè)計(jì)，PCB采用母板加擴(kuò)展板方式[2]，根據(jù)使用需求將相應(yīng)功能模塊插入母板上的接插件即可。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本設(shè)計(jì)重點(diǎn)對(duì)模塊的供電進(jìn)行了濾波、過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)，PCB在外部供電與電池供電之間可進(jìn)行無(wú)擾切換，從而保護(hù)PCB關(guān)鍵功能器件。通過(guò)電源轉(zhuǎn)換器BUCK-BOOST工作原理，在保證電路供電電壓穩(wěn)定的前提下，最大限度地延長(zhǎng)了鋰電池的工作壽命。在功能元器件及結(jié)構(gòu)件的選型上，盡可能地選用寬溫寬壓型的工業(yè)級(jí)型號(hào)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮散熱及抗震因素，以提高對(duì)惡劣環(huán)境和長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)倪m應(yīng)能力。同時(shí)，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及各三防措施性價(jià)比對(duì)比，采用三防漆進(jìn)行涂覆，對(duì)接插件部位以硅膠灌封，實(shí)現(xiàn)防潮濕、防鹽霧、防霉菌的三防設(shè)計(jì)[3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

環(huán)境傳感模塊的功能組成主要可分為以下三部分：電源轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、對(duì)外信息交互。

電源轉(zhuǎn)換將DC 5～28 V外部供電轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的DC 5 V與DC 3.3 V供電電源。DC 5 V使用于粉塵傳感及模擬電路，DC 3.3 V用于其他功能電路供電。

數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)分為兩類，模擬式傳感（噪聲與粉塵）與數(shù)字式傳感（溫度、濕度、露點(diǎn)、X/Y/Z三軸方向振動(dòng)（加速度）及磁場(chǎng)強(qiáng)度、鋰電池電量、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘）。

對(duì)外信息交互主要為工業(yè)Modbus標(biāo)準(zhǔn)通信、液晶顯示、模擬量實(shí)時(shí)輸出與報(bào)警等功能。

3 具體實(shí)現(xiàn)

本文根據(jù)模塊功能組成部分從硬件、軟件角度分別設(shè)計(jì)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 電源轉(zhuǎn)換

電源轉(zhuǎn)換以鋰電池充放電及為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的所需電源為設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)滿足鋰電池?zé)o關(guān)性，即無(wú)論鋰電池具備與否，系統(tǒng)均能平穩(wěn)運(yùn)行，以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

除發(fā)光二極管指示外部電源與否外，本設(shè)計(jì)還利用光耦TLP521-1進(jìn)行外部電源與系統(tǒng)電源進(jìn)行電壓匹配，以將外部電源狀態(tài)輸入至MCU的IO管腳加以判斷。

如圖2所示，寬壓輸入范圍的隔離穩(wěn)壓?jiǎn)屋敵鲭娫茨KZY2405WHBBD-3W可為鋰電池提供DC 5 V的安全充電電壓。后級(jí)電源轉(zhuǎn)換芯片TPS63001DRC與TPS63002DRC采用BUCK-BOOST原理，在鋰電池有效充放電壓范圍內(nèi)，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的DC 3.3 V與DC 5 V供電電源。

圖2 電源轉(zhuǎn)換

3.1.2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

環(huán)境數(shù)據(jù)采集以ARM Cortex-M0（LPC11E67JBD100）為核心處理器[4]，3.3 V單電源供電（1.8～3.6 V），內(nèi)置20 KB SRAM、4 KB E2PROM、5個(gè)UART、2個(gè)I2C、2個(gè)SSP、4個(gè)Timer、12通道AI（12 b）、80個(gè)GPIO等外設(shè)，12 MHz正常工作模式消耗電流3 mA（普通睡眠模式僅2 mA），可滿足功能設(shè)計(jì)及低功耗需求。

所用各傳感模塊的參數(shù)如表1所列。表中露點(diǎn)溫度指空氣在此溫度下能保持最多的水汽，當(dāng)溫度冷卻到露點(diǎn)，空氣變得飽和，就會(huì)出現(xiàn)霧、露或霜。露點(diǎn)根據(jù)溫度與濕度計(jì)算而得[5]：

Log EW= （0.660 77+7.5T /（237.3+T）+（log 10（RH）-2）

（1）

Dp= （（0.660 77 –log EW） × 237.3） / （log EW-8.160 77）

（2）

在公式（1）與公式（2）中，T為測(cè)試溫度，RH為測(cè)試濕度，Dp為露點(diǎn)計(jì)算結(jié)果。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)根據(jù)監(jiān)測(cè)需求，在定時(shí)間隔中斷及振動(dòng)越限發(fā)生時(shí)，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)以SPI通信方式存儲(chǔ)至128 Mb的NOR FLASH（MMX25L12845EZNI-10G）中。其中，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘SD3088AS具備鋰電池電量檢測(cè)功能，其中斷輸出頻率范圍為4 096 Hz～1/16 Hz，可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合靈活設(shè)置對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集頻率。

3.1.3 對(duì)外信息交互

對(duì)外信息交互主要采用以下4種方式：LCD液晶屏顯示、Modbus_RTU/TCP通信、數(shù)字量報(bào)警輸出、模擬量4-20 mA輸出。

（1）LCD液晶屏顯示：LCD12864-ST（3.3 V藍(lán)屏），串行SPI通信方式，分4行兩段實(shí)時(shí)顯示8個(gè)環(huán)境參數(shù)。由外部電源供電情況決定背光功能開啟與否。

（2）Modbus_RTU/TCP通信：分別由SP3485與嵌入式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊IPORT-1提供RS 485與以太網(wǎng)底層通信，高低字節(jié)交換的CRC16檢驗(yàn)方式，保證通信的高可靠性。

（3）數(shù)字量報(bào)警輸出：在外部電源供電情況下，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)的設(shè)定閾值，采用光繼電器TLP3554提供2.5 A的報(bào)警負(fù)載輸出。

（4）模擬量4～20 mA數(shù)據(jù)輸出：在外部電源供電情況下，以SPI通信方式，采用LTC2620CGN#PBF提供8路0～5 V的電壓輸出，分別對(duì)應(yīng)溫度、濕度、露點(diǎn)、噪聲、粉塵濃度及X/Y/Z三軸振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理芯片ZCM436BS將0～5 V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號(hào)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

模塊的軟件設(shè)計(jì)分為初始化、休眠/循環(huán)與中斷（定時(shí)、振動(dòng)越限、串口通信）三類，圖3所示是模塊的主循環(huán)流程圖，圖4所示為其中斷流程圖。

（1）初始化：核心處理器LPC11E67JBD100上電復(fù)位后，進(jìn)行內(nèi)部12 MHz晶振時(shí)鐘配置。延時(shí)穩(wěn)定后，對(duì)芯片引腳功能分配、GPIO輸入輸出特征、IO上升沿中斷、SPI與I2C通信等內(nèi)置外設(shè)功能進(jìn)行配置，此步所有中斷使能需關(guān)閉，以防程序跑飛。之后讀取內(nèi)置E2PROM中存儲(chǔ)的參數(shù)配置數(shù)據(jù)（報(bào)警閾值、串行通信地址、RTC定時(shí)中斷間隔等），根據(jù)功能模塊子板插入母板情況，決定對(duì)應(yīng)參數(shù)是否讀取，以及對(duì)應(yīng)中斷使能是否開啟。

（2）休眠/循環(huán)：初始化后當(dāng)外部電源存在時(shí)，進(jìn)入循環(huán)模式，否則進(jìn)入休眠模式，等待中斷喚醒。在循環(huán)模式下，首先檢測(cè)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊是否在線，在線則讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)。否則檢測(cè)各傳感模塊是否在線，在線則讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)鋰電池電量不足時(shí)，便提示充電。否則檢測(cè)模擬量輸出模塊是否在線，在線則輸出溫度、濕度、露點(diǎn)、噪聲、粉塵、X/Y/Z三軸方向加速度值共8路輸出，無(wú)論模擬量輸出模塊在線與否，均按照參數(shù)配置報(bào)警閾值進(jìn)行判斷，決定報(bào)警輸出使能與否，之后檢測(cè)存儲(chǔ)模塊是否在線，在線則將所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至NOR FLASH中。否則，當(dāng)環(huán)境參數(shù)處于正常值范圍時(shí)，檢測(cè)LCD液晶屏模塊是否在線，在線則進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，不在線則進(jìn)入下一輪循環(huán)。

圖3 主循環(huán)流程圖

（3）中斷：中斷可分為RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)中斷、X/Y/Z三軸加速度振動(dòng)中任一軸向越限中斷及Modbus通信中斷。

①RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)中斷：根據(jù)參數(shù)配置中RTC定時(shí)中斷間隔（決定數(shù)據(jù)采集頻率），利用IO中斷喚醒核心處理器或打斷循環(huán)過(guò)程。類似循環(huán)模式，讀取在線環(huán)境傳感模塊數(shù)據(jù)（除振動(dòng)外）后，根據(jù)存儲(chǔ)模塊在線情況，決定采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還是直接退出中斷，當(dāng)鋰電池電量不足時(shí)，提示充電。具體如圖4（a）所示。

②X/Y/Z三軸加速度振動(dòng)中任一軸向越限中斷：根據(jù)參數(shù)配置中的報(bào)警閾值，利用IO中斷喚醒核心處理器或打斷循環(huán)過(guò)程。讀取振動(dòng)及磁場(chǎng)數(shù)據(jù)后，根據(jù)存儲(chǔ)模塊在線情況，決定采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還是直接退出中斷。如果在單位時(shí)間內(nèi)頻繁觸發(fā)，則置為運(yùn)輸狀態(tài)，計(jì)時(shí)5分鐘后再重新記錄，并直接退出中斷。具體如圖4（b）所示。

③Modbus通信中斷：第一次上電時(shí)，默認(rèn)9 600 b/s，無(wú)校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，通信地址為1，用戶可根據(jù)具體需求進(jìn)行配置，配置的數(shù)據(jù)保存至核心處理器內(nèi)置的E2PROM中，斷電重啟或按下手動(dòng)復(fù)位鍵后配置生效。根據(jù)數(shù)據(jù)寫入或讀取命令進(jìn)行數(shù)據(jù)長(zhǎng)度解析，接收到CRC校驗(yàn)后進(jìn)行判斷，校驗(yàn)正確則給予反饋輸出。Modbus RTU與Modbus TCP分用不同的串口中斷，但同時(shí)僅能一個(gè)進(jìn)行響應(yīng)。具體如圖4（c）所示。

（a）RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)中斷 （b）振動(dòng)越限中斷 （c）Modbus通信中斷

圖4 中斷流程圖

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式與計(jì)算

存儲(chǔ)至NOR FLASH中的數(shù)據(jù)格式如表2及表3所示。除RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘外，所有環(huán)境參數(shù)擴(kuò)大10倍四舍五入后取整存儲(chǔ)，類別值為0x5A5A時(shí)，代表該記錄為RTC、溫度、溫度、露點(diǎn)、噪聲、粉塵、鋰電池電量數(shù)據(jù)，當(dāng)類別值為0xA5A5時(shí)，代表該記錄為X/Y/Z三軸加速度及磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

假設(shè)數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1 Hz，1天24小時(shí)不間斷采集的數(shù)據(jù)量為：

24（h）×60（m）×60（s）×20（Byte） = 1 728 000 Byte

則128 M NOR FLASH能循環(huán)存儲(chǔ)9天的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)使用需求靈活調(diào)整采集頻率。

由于采取循環(huán)與中斷相結(jié)合的方式，既保證了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，又保證了參數(shù)采集與輸出的連續(xù)性，并兼顧存儲(chǔ)空間的需求。

當(dāng)需要更大存儲(chǔ)空間時(shí)，可采用SD卡方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)程序與電路板需做對(duì)應(yīng)微調(diào)。SD卡片插入插座后，采用硅膠彈性固定。

4 結(jié) 語(yǔ)

本模塊借鑒自動(dòng)氣象站的監(jiān)測(cè)要素與技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合鑄造設(shè)備與廠房環(huán)境監(jiān)控以及運(yùn)輸過(guò)程中的重要鑄件需要重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境參數(shù)，利用嵌入式技術(shù)將眾多要素的監(jiān)測(cè)集成在一塊電路板上，采用母板加功能插件方式，提供一種可剪裁、低功耗、全天候、性價(jià)比高的環(huán)境監(jiān)測(cè)解決方案，具備實(shí)時(shí)監(jiān)控與關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)追溯功能。

本模塊對(duì)外交互采用4-20 mA輸出、隔離型光繼電器可接中小功率負(fù)載、標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU與Modbus TCP通信，可方便地與工業(yè)PLC、DCS等系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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