張 坤， 高 強(qiáng), 李大華

(天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院，天津 300384)

0 引 言

室內(nèi)二氧化碳(CO2)體積分?jǐn)?shù)是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量(indoor air quality,IAQ)的指標(biāo)，CO2的體積分?jǐn)?shù)高低可以反映室內(nèi)的通風(fēng)狀況是否良好[1]，因此，對(duì)于測量室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的傳感器來說，對(duì)其持久性供電也提出了新的要求[2]。每個(gè)傳感器都需要有自己的電源，目前市面上大部分傳感器是基于有線供電或微型電池供電，但是更換電池需要人工輔助，因此，基于能量采集技術(shù)的無線無源傳感器更為適合現(xiàn)在的要求[3]。雖然能量收集并不是一個(gè)全新概念，但是射頻(radio frequency,RF)和微控制器(micro controller unit,MCU)器件在性能與能耗方面取得的最新進(jìn)展[4]，意味著構(gòu)建一個(gè)采用能量收集型傳感器的可能性，基于能量采集供電的傳感器可在數(shù)年內(nèi)完全免維護(hù)，解決了電池供電的傳感器在幾個(gè)月內(nèi)就會(huì)耗盡電量的缺陷。

為了提高CO2傳感器的使用壽命，本文以太陽能板為供電源,以易能森STM300為無線控制模塊，選擇了GSS-COZIR CO2傳感器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于能量采集技術(shù)的新型CO2傳感器[5]，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果驗(yàn)證了傳感器自供電的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示是由電源和無線通信系統(tǒng)組成的自供電無線傳感器系統(tǒng)。這兩個(gè)主要子系統(tǒng)又分為4個(gè)功能塊：太陽能能量收集器模塊、電源管理模塊、無線通信模塊、無線傳感器模塊。太陽能能量收集器模塊代表電源，其產(chǎn)生的能量直接取決于無線傳感器部署環(huán)境內(nèi)提供的太陽能的能量密度。電源管理模塊提取、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)太陽能收集器產(chǎn)生的能量，使其成為穩(wěn)定的直流電源。無線傳感器模塊從部署環(huán)境獲取數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理以便發(fā)送到無線通信模塊。無線通信模塊將無線傳感器模塊提供的數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的軟件進(jìn)行可視化管理[6]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中太陽能電池提供的能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容中，為電源以及無線通信系統(tǒng)提供所需的工作電壓。在供給能量的過程中，STM300模塊通過控制WXIDIO引腳來控制接入CO2傳感器的電源，并且允許在休眠時(shí)間內(nèi)關(guān)閉CO2傳感器。太陽能電池的另一部分能量通過DC / DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生恒定的3.3 V工作電壓，以此提供給CO2傳感器使用。ADIO6，ADI07引腳分別作為發(fā)射端與接收端用于發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，在整個(gè)工作過程中不參與供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 太陽能電池模塊電路設(shè)計(jì)

太陽能模塊實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換為電能的功能，為了高效地存儲(chǔ)由太陽能板提供的能量，本模塊選用2塊0.22F的超級(jí)電容存儲(chǔ)電路工作所需的電能，如圖2中C1和C7所示。由電路圖可以看出，2塊超級(jí)電容與高電容C6結(jié)合，以提供給STM300模塊和CO2傳感器所需要的電能，其中二極管隔離來自電路的干擾。太陽能電池參數(shù)：尺寸為67.0 mm×28.0 mm×1.1 mm，單元格數(shù)量為8，開路電壓(200lux)為4 V,短路電流為25 μA，開路電流為3 V,斷路電壓為15 μA。

圖2 太陽能電池電路設(shè)計(jì)

2.2 DC/DC模塊電路設(shè)計(jì)

DC/DC轉(zhuǎn)換器為轉(zhuǎn)變輸入電壓后，有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，本模塊的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器選擇得捷電子的MAX1595EUA33產(chǎn)品，如圖3即為DC/DC模塊及其外圍電路設(shè)計(jì)，MAX1595提供3.3 V或5 V的穩(wěn)壓輸出，其獨(dú)特的控制結(jié)構(gòu)允許穩(wěn)壓器對(duì)輸入電壓進(jìn)行升壓或降壓轉(zhuǎn)換，并維持穩(wěn)定的輸出電壓。其中，IN為輸入電源引腳，其連接1 μF旁路電容至GND。AOUT引腳模擬功率和誤差放大器的檢測輸入，通過濾波電容連接至OUT輸出。OUT輸出連接至傳感器的VDD，為傳感器提供工作所需的電壓。

圖3 DC/DC模塊與外圍電路

2.3 STM300模塊電路設(shè)計(jì)

如圖4所示即為STM300模塊電路設(shè)計(jì)。

圖4 STM300模塊設(shè)計(jì)

在整體的硬件電路設(shè)計(jì)中，STM300模塊對(duì)CO2傳感器起著電源管理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?，太陽能板通過VDD引腳可直接給STM300模塊供電。STM300模塊具備傳輸模式、接收模式和深度睡眠模式3種模式，在傳輸模式與接收模式下通過ADIO6與ADIO7引腳與傳感器進(jìn)行通信，當(dāng)其處于深度睡眠模式下，使用WXIDIO引腳通過DC/DC轉(zhuǎn)換器為傳感器提供電源。其他引腳ADIO07，SCSEDIO0，SCLKDIO1，WSDADIO2，RSDADIO3在深度睡眠模式下不供電。在深度睡眠模式下，不允許在ADIO6引腳(二極管D1)施加任何電壓。

3 實(shí)驗(yàn)測試與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測試

GSS-COZIR是一種超低功耗(3.5 mW)，高精度的CO2傳感器，非常適用于電池供電的便攜式儀器和設(shè)備。該傳感器針對(duì)電池供電應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可使用3.3 V電源供給，本文使用太陽能板取代傳統(tǒng)污染的電池，使得設(shè)備具有了長期供電以及免維護(hù)的功能，使用STM 300模塊具備無線傳輸和電源管理的理念，如圖5所示即是基于能量采集技術(shù)的新型CO2傳感器。

圖5 傳感器實(shí)物

對(duì)基于能量采集技術(shù)的CO2傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每10 min測量一次CO2體積分?jǐn)?shù)、環(huán)境溫度和存儲(chǔ)電荷水平，并通過無線電傳輸數(shù)據(jù)，如圖6即為測試數(shù)據(jù)。如果電量不足(小于20 %)，測量和傳輸將停止，直到達(dá)到更高的電量，為應(yīng)對(duì)電量不足無法測量的情況，為傳感器設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)功耗的電源管理方法。此外，針對(duì)灰塵或污垢等環(huán)境因素對(duì)于傳感器長期測量精準(zhǔn)度的影響，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制，以避免傳感器的測量誤差。

圖6 CO2體積分?jǐn)?shù)測試數(shù)據(jù)

3.2 傳感器動(dòng)態(tài)功耗分析

在自供電的應(yīng)用中，沒有足夠的能量可永久供應(yīng)給CO2傳感器，CO2傳感器以及STM300模塊需要在工作中盡可能的減少功耗，因此采用一種動(dòng)態(tài)功耗的方法來降低能耗。通過對(duì)設(shè)備的工作周期以及低功耗關(guān)斷模式平衡來實(shí)現(xiàn)。CO2傳感器受電后，需要2 s的時(shí)間將第一個(gè)測量結(jié)果發(fā)送到串行接口。在這2 s內(nèi)，傳感器執(zhí)行了4次內(nèi)部測量，用于計(jì)算第一個(gè)結(jié)果。在2 s的測量以及計(jì)算過程中，為了減少當(dāng)前的消耗，STM 300進(jìn)入深度睡眠模式，如圖7中的處理器模式(CPU mode)處以下降沿狀態(tài)。

圖7 傳感器動(dòng)態(tài)功耗分析

在一個(gè)測量周期中，STM 300模塊經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間后從深度睡眠模式被喚醒(看門狗定時(shí)器復(fù)位)，將WXIDIO設(shè)置為高電平以打開傳感器電源，STM300喚醒傳感器TX線路，并設(shè)置看門狗定時(shí)器以進(jìn)行靈敏度測量，然后STM 300無線通信模塊進(jìn)入深度睡眠模式以等待傳感器結(jié)果(或超時(shí))，傳感器執(zhí)行CO2測量，其結(jié)果通過串口TX輸出，TX線上的第一個(gè)下降沿在喚醒STM 300模塊的WAKE0引腳上產(chǎn)生下降沿，進(jìn)入深度睡眠模式，而WAKE0喚醒在睡眠模式下禁止使用。盡管在一個(gè)測量周期中，這種方法節(jié)約的電能有限，但方法為傳感器在自供電的模式下具備延伸其使用壽命的可能性。

3.3 傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制

無線CO2傳感器由于受灰塵或污垢影響而需要時(shí)常進(jìn)行重新校準(zhǔn)。在基于能量采集模式下的傳感器系統(tǒng)中，STM 300支持自動(dòng)重新校準(zhǔn)這一功能，為了重新校準(zhǔn)，STM 300需要監(jiān)測最低的CO2水平(在給定的時(shí)間范圍內(nèi))和時(shí)間。將重新校準(zhǔn)的機(jī)制設(shè)定在2～3周的時(shí)間框架下，在此區(qū)間，傳感器至少會(huì)測量一次“新鮮空氣”的CO2體積分?jǐn)?shù)。即使在深度睡眠期間，這些數(shù)據(jù)也會(huì)存儲(chǔ)在RAM0中。

計(jì)算監(jiān)測的時(shí)間，只需要計(jì)算喚醒次數(shù)。在一個(gè)定義的時(shí)間周期之后，重新校準(zhǔn)機(jī)制將通過STM300模塊發(fā)送一個(gè)指令給CO2傳感器來完成。把“新鮮空氣”CO2的體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為450×10-6，經(jīng)過試驗(yàn)，傳感器測定的最低的CO2讀數(shù)是460×10-6，STM 300模塊只需要發(fā)送一個(gè)“F”命令“f460 450 ”到傳感器即可完成校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)方法可防止CO2傳感器在長時(shí)間的使用情況下精度降低。

4 結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)證明了基于能量采集技術(shù)無線CO2傳感器實(shí)行的可行性，實(shí)現(xiàn)了CO2體積分?jǐn)?shù)的測量，針對(duì)太陽能電池不能永久持續(xù)性供電的缺陷，通過STM300模塊設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)功耗分析的方法，有效地利用有限的能源并取得了預(yù)期效果，針對(duì)傳感器的長時(shí)間的使用誤差，設(shè)計(jì)的自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制有效地解決了這一問題，但下一步仍需要對(duì)太陽能的能量管理進(jìn)行優(yōu)化，合理分配能源的供給，提高太陽能的能量轉(zhuǎn)化效率將是延長其使用壽命的最佳途徑。