摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和智能設(shè)備的快速發(fā)展，圖像采集在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中變得越來越重要。然而，現(xiàn)有系統(tǒng)在高功耗與穩(wěn)定電源供電之間存在矛盾。為解決該問題，文章提出一種基于ESP32S3主控芯片、ESP32NOW無線通信技術(shù)、TP4057充放電管理芯片和OV2640圖像傳感器的低功耗數(shù)據(jù)采集裝置。系統(tǒng)通過OV2640采集圖像數(shù)據(jù)，利用ESP32S3進行處理，并通過ESP32NOW實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。與此同時，TP4057負(fù)責(zé)蓄電池的充放電管理，確保系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行。該方案特別適用于智能監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ESP32S3；低功耗；數(shù)據(jù)采集；ESP32NOW；蓄電池管理；節(jié)能設(shè)計

中圖分類號：TP311文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）15-0072-04

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在智能監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用，如何在無穩(wěn)定外部電源條件下實現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)穩(wěn)定運行，成為當(dāng)前面臨的重要問題。傳統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)采集裝置通常依賴外部電源或需要頻繁更換電池，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或難以頻繁維護的應(yīng)用場景中顯得不切實際。因此，如何在低功耗條件下實現(xiàn)高效的圖像數(shù)據(jù)采集與傳輸，并保障長時間穩(wěn)定運行，已成為一項關(guān)鍵技術(shù)難題。

1系統(tǒng)目標(biāo)

本系統(tǒng)的目標(biāo)是設(shè)計一款低功耗的圖像數(shù)據(jù)采集裝置，系統(tǒng)集成了OV2640圖像傳感器、ESP32S3主控芯片、ESP32NOW無線通信技術(shù)以及TP4057電池管理芯片。具體內(nèi)容包括：

設(shè)計基于ESP32S3的低功耗圖像采集方案，采用ESP32S3作為主控芯片，提供強大的計算和處理能力。使用OV2640圖像傳感器，支持圖像采集與壓縮，并通過深度睡眠模式顯著降低系統(tǒng)整體功耗；

設(shè)計基于ESP32NOW協(xié)議的低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸，利用ESP32S3內(nèi)置的ESP32NOW協(xié)議，實現(xiàn)低延遲、低功耗的無線數(shù)據(jù)傳輸。通過ESP32NOW協(xié)議點對點傳輸圖像數(shù)據(jù)，避免傳統(tǒng)Wi-Fi和藍(lán)牙帶來的高功耗，同時采用自適應(yīng)傳輸速率，根據(jù)環(huán)境和數(shù)據(jù)大小自動調(diào)整傳輸功率，進一步優(yōu)化能效；

設(shè)計基于TP4057的電池充放電管理，采用TP4057充電管理芯片，對鋰電池進行高效充電與保護。利用芯片集成的過充、過放、短路保護等功能，確保電池安全使用；

設(shè)計功耗優(yōu)化策略，通過硬件與軟件協(xié)同優(yōu)化，確保系統(tǒng)在低負(fù)載情況下進入深度睡眠模式。采用按需喚醒機制，圖像采集等模塊僅在必要時激活，最大化節(jié)能，保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

2相關(guān)技術(shù)與現(xiàn)狀

2.1物聯(lián)網(wǎng)（IoT）基本定義與應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是指通過互聯(lián)網(wǎng)將物理設(shè)備、傳感器和其他智能設(shè)備互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常具備感知、處理、通信等能力，能夠?qū)崟r采集并傳輸數(shù)據(jù)。

在本系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于數(shù)據(jù)采集和傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)對圖像數(shù)據(jù)的實時采集和發(fā)送。

2.2ESP32S3主控芯片及其特點

ESP32-S3搭載雙核處理器，主頻高達(dá)240MHz，內(nèi)置512KBSRAM，具有豐富的通信接口和多種低功耗模式，支持Wi-Fi和藍(lán)牙等無線通信[1]，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

在本系統(tǒng)中，ESP32S3負(fù)責(zé)處理傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行圖像采集與圖像數(shù)據(jù)傳輸，并通過低功耗模式延長設(shè)備使用時間。

2.3ESP32NOW無線通信技術(shù)對點無線通信技術(shù)ESP32NOW是。ESP該技術(shù)不依賴32系列芯片的一項低功耗Wi-Fi路由器支持設(shè)備之間的直接數(shù)據(jù)傳輸，特別適合低功耗、短距離通信應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，ESP32NOW用于圖像數(shù)據(jù)傳輸，確保低功耗且高效的無線通信。

2.4TP4057電池管理芯片

TP4057用于鋰電池充電管理[2]，具備過充和溫度保護功能，適合低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池管理。通過TP4057，系統(tǒng)實現(xiàn)對蓄電池的高效且安全管理，確保設(shè)備長時間穩(wěn)定運行。

在本系統(tǒng)中，TP4057負(fù)責(zé)管理設(shè)備的電池充電過程，保證電池長期穩(wěn)定運行，同時防止過充或過放導(dǎo)致電池?fù)p壞。

2.5OV2640圖像傳感器

OV2640是一款具有200萬像素的低功耗高性能CMOS圖像傳感器[3-5]，支持JPEG格式壓縮，能夠直接將圖像數(shù)據(jù)通過I/O接口傳輸至處理器。OV2640非常適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的圖像采集，尤其適合低功耗運行環(huán)境。

在本系統(tǒng)中，OV2640用于捕捉圖像數(shù)據(jù)，并通過壓縮后數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效傳輸。

3系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包括五個主要模塊：圖像數(shù)據(jù)采集模塊、具有無線通信功能的主控模塊、電源管理模塊、蓄電池和RTC模塊，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

3.1.1主控模塊（ESP32S3）功能

圖像數(shù)據(jù)處理：ESP32S3負(fù)責(zé)接收OV2640圖像傳感器傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)并進行處理。處理后的數(shù)據(jù)通過ESP32NOW協(xié)議與其他設(shè)備實現(xiàn)點對點數(shù)據(jù)傳輸。

功耗管理：主控模塊等待RTC模塊的中斷信號，喚醒后執(zhí)行圖像采集和數(shù)據(jù)發(fā)送流程。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，主控模塊進入深度休眠模式以減少能耗。與其他模塊的關(guān)系如下：通過I/O接口與OV2640連接，接收圖像數(shù)據(jù)；通過ESP32NOW協(xié)議與其他設(shè)備通信；通過IIC接口與PCF8563RTC模塊通信，等待中斷信號觸發(fā)喚醒；通過TP4057電源管理模塊獲取電源。

3.1.2ESP32NOW協(xié)議

功能：ESP32NOW是ESP32系列芯片的低功耗通信協(xié)議，支持設(shè)備間點對點數(shù)據(jù)傳輸。相比Wi-Fi，ESP32NOW通信功耗更低，有助于延長系統(tǒng)電池續(xù)航。

與其他模塊的關(guān)系如下，ESP32S3主控模塊通過ESP32NOW協(xié)議發(fā)送圖像數(shù)據(jù)至目標(biāo)設(shè)備，減少對Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的依賴；與主控模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)設(shè)備間通信與數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.3圖像數(shù)據(jù)采集模塊（OV2640）

功能：OV2640為圖像傳感器，用于采集目標(biāo)物體圖像數(shù)據(jù)，并通過I/O接口傳輸至主控模塊（ESP32S3）進行處理。OV2640具有較高圖像采集精度，為后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸和處理提供高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)。

與其他模塊的關(guān)系：通過I/O接口與主控模塊連接，將圖像數(shù)據(jù)傳輸至主控模塊進行處理。

3.1.4RTC模塊（PCF8563）

功能：PCF8563為低功耗實時時鐘芯片，提供精準(zhǔn)時間信息（年、月、日、時、分、秒等），支持定時和鬧鐘功能，能向主控模塊發(fā)送中斷信號。由此實現(xiàn)精確控制主控模塊喚醒和執(zhí)行圖像采集任務(wù)。

與其他模塊的關(guān)系：通過IIC接口與主控模塊通信，提供時間信息并在定時器觸發(fā)時發(fā)送中斷信號喚醒主控模塊。

3.1.5電源管理模塊（TP4057）

功能：TP4057是專為鋰離子電池設(shè)計的充電芯片，負(fù)責(zé)為電池提供恒流/恒壓充電。充電電流由外部電阻設(shè)置，最大充電電流為500mA。TP4057具備充電狀態(tài)指示和電池充滿指示功能，確保電池充電過程穩(wěn)定安全。

與其他模塊的關(guān)系如下，為主控模塊及其他模塊提供電源；充電時監(jiān)控電池電量，確保電池在安全溫度范圍內(nèi)充電，避免過熱等問題。

3.1.6蓄電池

功能：蓄電池儲存電能，為系統(tǒng)提供長時間電力供應(yīng)，特別是在移動設(shè)備中保證系統(tǒng)持續(xù)運行。

與其他模塊的關(guān)系：為主控模塊（ESP32S3）、RTC模塊（PCF8563）、圖像采集模塊（OV2640）提供穩(wěn)定電源，確保其正常工作。

系統(tǒng)模塊之間的協(xié)同工作流程如下。

RTC中斷：當(dāng)設(shè)定定時器觸發(fā)時，PCF8563向主控模塊發(fā)送中斷信號；

圖像采集：主控模塊喚醒后執(zhí)行圖像采集與數(shù)據(jù)發(fā)送，OV2640采集圖像數(shù)據(jù)后通過I/O接口傳輸至ESP32S3；

數(shù)據(jù)傳輸：ESP32S3通過ESP32NOW協(xié)議將處理后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)設(shè)備；

深度休眠：數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，主控模塊進入深度睡眠模式以降低功耗；

電源管理：TP4057為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電力供應(yīng)，并對蓄電池進行充電，確保系統(tǒng)長期運行。

3.2硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊：采用OV2640圖像傳感器采集圖像數(shù)據(jù)，通過配置ESP32S3的I/O接口與傳感器通信。在I/O引腳處配備濾波電容和限流電阻。主控模塊控制8號引腳為高電平，使傳感器進入低功耗工作模式，從而降低OV2640模塊功耗。3號與5號引腳為IIC接口，通過4.7kΩ上拉電阻，將IIC接口電壓提升至3.3V，以防止通信異常。原理圖如圖2所示：

主控模塊（ESP32S3）：ESP32S3負(fù)責(zé)接收圖像數(shù)據(jù)，并通過ESP32NOW無線通信協(xié)議進行傳輸。為了進一步降低功耗，ESP32S3芯片在完成數(shù)據(jù)采集程序后將進入深度睡眠模式。原理圖如圖3所示：

電源管理模塊（TP4057）：TP4057芯片負(fù)責(zé)管理電池的充放電，確保系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行。當(dāng)5V電源接入VCC端時，TP4057開始對電池充電。若電池電壓低于2.9V，充電器以小電流進行預(yù)充電；當(dāng)電池電壓超過2.9V時，充電器采用恒流模式充電，充電電流由PROG端與GND端之間的電阻決定。當(dāng)電池電壓接近4.2V時，充電電流逐漸減小，TP4057進入恒壓充電模式。充電電流減至結(jié)束閾值時，充電周期結(jié)束。電池狀態(tài)指示輸出：充電時，1號引腳LED點亮；

非充電狀態(tài)時，1號引腳LED熄滅；充電完成后，5號引腳LED點亮；非充電完成狀態(tài)時，5號引腳LED熄滅。當(dāng)未安裝電池時，1號引腳LED閃爍提示。電池電壓達(dá)到浮充電壓，充電循環(huán)終止后，TP4057立即監(jiān)控BAT端電壓；當(dāng)BAT端電壓低于4.1V時，充電循環(huán)重新開始。該機制確保電池維持在接近滿電狀態(tài)，避免頻繁啟動周期性充電循環(huán)。

如圖4所示原理圖中，R1、R2電阻用于主控模塊12位精度ADC進行電池電壓采樣。當(dāng)采集到電池電壓過低時，系統(tǒng)及時關(guān)機，避免電池?fù)p壞。

RTC模塊（PCF8563）：PCF8563芯片通過5、6引腳的IIC接口與主控模塊通信，主控模塊可通過該接口配置定時時間等參數(shù)。1、2引腳連接外置32.768kHz晶振，以提高時間精度。RTC模塊支持定時中斷功能，通過3號引腳輸出中斷信號。系統(tǒng)進入休眠模式后，PCF8563持續(xù)跟蹤時間，只有在設(shè)定時間到達(dá)時觸發(fā)中斷，喚醒主控模塊。

該高效喚醒機制保證系統(tǒng)長時間低功耗運行，同時在關(guān)鍵時刻執(zhí)行任務(wù)。通過精準(zhǔn)的定時中斷，主控模塊能在關(guān)閉其他系統(tǒng)模塊的情況下定時喚醒，靈活管理周期性任務(wù)和數(shù)據(jù)采集，顯著延長電池續(xù)航時間。原理圖如圖5所示：

3.3軟件設(shè)計

當(dāng)電池接入電路時，主控模塊開始初始化各個模塊。初始化完成后，進入休眠模式，等待RTC模塊的中斷信號。收到中斷信號后，立即喚醒系統(tǒng)，采集電池電壓；當(dāng)電池電壓大于2.9V時，開始采集圖像數(shù)據(jù)并發(fā)送采集到的圖像數(shù)據(jù)，否則立即關(guān)機。

圖像采集與壓縮：使用ESP32S3上的驅(qū)動程序控制OV2640傳感器進行圖像采集，并采用JPEG壓縮算法減少數(shù)據(jù)量，在保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低傳輸功耗。

功耗管理策略：控制圖像采集與傳輸周期，確保系統(tǒng)在不需要實時傳輸圖像時及時進入深度睡眠模式。

數(shù)據(jù)傳輸與通信協(xié)議：采用ESP32NOW協(xié)議進行低功耗、點對點無線數(shù)據(jù)傳輸。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后，通過ESP32NOW協(xié)議發(fā)送給接收設(shè)備，避免了高功耗協(xié)議的使用。

電池保護功能：當(dāng)采集到電池電壓低于2.9V時，軟件直接關(guān)機，避免對電池造成損傷，延長電池壽命。流程圖如圖6所示。

4研究總結(jié)與展望

4.1研究總結(jié)

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低功耗數(shù)據(jù)采集裝置，集成了ESP32S3主控芯片、OV2640圖像傳感器、ESP32NOW無線通信技術(shù)以及TP4057電池管理芯片。系統(tǒng)通過結(jié)合低功耗設(shè)計、圖像采集和無線數(shù)據(jù)傳輸，能夠在蓄電池供電條件下實現(xiàn)長時間穩(wěn)定運行，具備較強的實際應(yīng)用潛力。

首先，在硬件方面，選擇ESP32S3主控芯片作為系統(tǒng)核心，具有強大的計算能力、低功耗特性和豐富的外設(shè)接口。其內(nèi)置的低功耗工作模式（如深度睡眠模式）在系統(tǒng)長時間運行過程中能有效減少功耗，延長電池使用時間。OV2640圖像傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊，具備JPEG壓縮功能，在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下大幅減小數(shù)據(jù)量，從而降低了圖像傳輸過程中的功耗（功耗數(shù)據(jù)如表1所示）。

在軟件設(shè)計方面，本文設(shè)計了適應(yīng)低功耗需求的控制策略。通過靈活的功耗管理，系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的工作狀態(tài)（如圖像采集、圖像傳輸、待機等）智能調(diào)節(jié)功耗，使系統(tǒng)在不需要實時傳輸圖像數(shù)據(jù)時進入低功耗模式，進一步延長電池使用壽命。圖像數(shù)據(jù)壓縮的應(yīng)用也有效減少了數(shù)據(jù)傳輸量，在保證圖像質(zhì)量的同時降低了通信功耗，優(yōu)化了整體能效。

通過實驗驗證，系統(tǒng)在低功耗模式下表現(xiàn)出較高的能效和穩(wěn)定性。在圖像采集精度、數(shù)據(jù)傳輸可靠性和功耗控制方面均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。功耗測試結(jié)果表明，在鋰電池供電情況下，系統(tǒng)可在不依賴外部電源的條件下長時間穩(wěn)定運行，適應(yīng)不同場景下的遠(yuǎn)程監(jiān)測需求。

4.2研究不足與改進

然而，本研究仍存在一些不足。首先，盡管系統(tǒng)在低功耗模式下能夠長時間工作，但在金屬物品遮擋情況下，傳輸速率會受到影響，存在一定延遲，后續(xù)將采用外置天線以解決遮擋問題。其次，TP4057芯片對電池充放電控制較為基礎(chǔ)，在一些高精度電池管理應(yīng)用中需要進一步優(yōu)化，后續(xù)將采用更高精度的芯片方案。最后，OV2640圖像傳感器的分辨率限制了系統(tǒng)在高精度圖像采集方面的能力，未來可升級為分辨率更高的圖像傳感器，以適應(yīng)更復(fù)雜的應(yīng)用場景。

4.3未來發(fā)展方向

總體而言，本研究通過集成低功耗技術(shù)、無線通信和圖像采集能力，設(shè)計了一種適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集裝置，具有較強的實用性和拓展性。隨著硬件技術(shù)和通信協(xié)議的不斷發(fā)展，未來該系統(tǒng)將采用更高分辨率的圖像傳感器和優(yōu)化圖像處理算法，提升圖像清晰度和監(jiān)控精度。集成智能電池管理系統(tǒng)，優(yōu)化充電、健康監(jiān)測與能效調(diào)節(jié)，延長電池使用時間。應(yīng)用人工智能和機器學(xué)習(xí)，自動優(yōu)化系統(tǒng)運行和響應(yīng)，減少人工干預(yù)。該系統(tǒng)的性能與應(yīng)用場景有望進一步拓展，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在低功耗條件下的遠(yuǎn)程監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集提供更多創(chuàng)新的解決方案。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】