[发明专利]一种低功耗环境监测系统

摘要

本发明所述的一种低功耗环境监测系统主要由大容量锂电池与PCB组成，单元对外接口主要为供电、模拟量输出、报警输出及Modbus通信接口，PCB设计相对独立，可与锂电池并置，也可单独存在，利用9～36V供电。为提高模块的通用性，功能单元采取模块化设计，PCB采用母板加扩展板方式，根据使用需求将相应功能模块插入母板上的接插件即可。其有益效果在于：本发明利用嵌入式技术将众多要素监测集成在一块电路板上，提供一种可剪裁、低功耗、全天候、性价比高的环境监测解决方案。另外，本系统的对外交互采用4～20mA输出、隔离型光继电器可接中小功率负载、标准Modbus RTU与Modbus TCP通信，可方便地与工业PLC、DCS等系统进行无缝集成，具有良好的应用推广价值。

主权项

1.一种低功耗环境监测系统，所述低功耗环境监测系统包括电源转换模块、中心监控处理单元、环境传感采集单元及信息交互模块；其中，所述电源转换模块主要完成为锂电池充放电及为环境监测系统提供稳定电源；所述中心监控处理单元主要负责数据的采集、存储和处理；其特征在于：所述电源转换模块是利用光耦TLP521‑1进行外部电源与环境监测系统电源进行电压匹配，然后将外部电源状态输入至MCU的IO管脚并判断电压，三端稳压集成电路LM7805为锂电池提供DC5V的安全充电电压，后级电源转换芯片TPS63001DRC与TPS63002DRC采用BUCK‑BOOST方式在锂电池有效充放电压范围内为环境监测系统提供稳定的DC3.3V与DC5V供电电源；所述中心监控处理单元以ARM Cortex‑M0为核心处理器，3.3V单电源供电，内置20KB SRAM、4KB EEPROM、5个UART、2个I2C、2个SSP、4个Timer、12通道AI、80个GPIO外设组成，设计12MHz为正常工作模式，消耗电流3mA；所述环境传感采集单元与中心监控处理单元的GPIO连接，主要负责采集需要监控的各项环境数据；所述信息交互模块主要完成人机信息的交互，其主要包括LCD液晶屏显示模块、Modbus_RTU/TCP通信、数字量报警输出、模拟量4～20mA输出；其中，所述的LCD液晶屏显示模块工作电压3.3V～5.5V，串行SPI通信，分4行两段实时显示8个环境参数的显示；所述Modbus_RTU/TCP通信分别由半双工收发器SP3485与嵌入式以太网转串口模块IPORT‑1提供RS485与以太网底层通信，高低字节交换的CRC16检验方式，保证通信的高可靠性；所述数字量报警输出在外部电源供电情况下，根据环境监测参数的设定阈值，采用光继电器TLP3554提供2.5A的报警负载输出；所述模拟量4～20mA数据输出是在外部电源供电情况下，以SPI通信方式，采用集成电路LTC2620CGN提供8路0～5V的电压输出，分别对应温度、湿度、露点、噪声、粉尘浓度及X/Y/Z三轴振动加速度数据，经信号调理芯片ZCM435BS将0～5V电压信号转换为4～20mA电流信号；利用所述低功耗环境监测系统实现环境监控的方法为：步骤一：中心监控处理单元的核心处理器上电复位后，中心监控处理单元进行初始化，具体包括进行内部12MHz晶振时钟配置，延时稳定后，对芯片引脚功能分配、GPIO输入输出特征、IO上升沿中断、以及SPI与I2C通信内置外设功能进行配置；步骤二：中心监控处理单元的核心处理器读取内置EEPROM中存储的参数配置数据，根据GPIO端口插入的功能模块子板，决定对应参数是否读取，以及对应中断使能是否开启；步骤三：中心监控处理单元初始化后，当外部电源对中心处理单元供电时，进入循环模式，否则进入休眠模式，等待中断唤醒；当中心监控处理单元处于循环模式时，中心监控处理单元检测RTC实时时钟模块是否在线，在线则读取实时时钟数据；检测各传感模块模块是否在线，在线则读取相应数据；检测模拟量输出模块是否在线，在线则输出温度、湿度、露点、噪声、粉尘、X/Y/Z三轴方向加速度值共8路输出，无论模拟量输出模块在线与否，均按照参数配置报警阈值进行判断，决定报警输出使能与否，之后检测存储模块是否在线，在线则将所采集的数据存储至FLASH中；当环境参数处于正常值范围时，检测LCD液晶屏模块是否在线，在线则进行数据更新，不在线则进入下一轮循环；当中心监控处理单元处于休眠模式时，中心监控处理单元等待中断唤醒。