GPRS高续航能力的远程放牧监控系统

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1、基于BD/GPRS高续航能力的远程放牧监控系统摘 要： 以草原畜牧业溯源追踪为背景，设计一套以北斗二代为定位方式，通过GPRS实现定位数据远程传输的系统。为了保证系统的高续航能力，采用低功耗设计方案，并且给出一套智能电源管理策略以增强系统的续航能力。整个系统通过超低功耗芯片MSP430F149进行控制。实验结果表明，该系统实现了无人监管长时间运行，具有很高的应用价值。关键词： 北斗二代； GPRS； 低功耗； 智能电源管理中图分类号： TN948.64?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）12?0135?04Abstract： On the back

2、ground of grassland animal husbandry traceability， a system is designed， in which BD?II is taken as its positioning mode and GPRS is used to achieve remote transmission of positioning data. In order to guarantee high voyage capacity， the design scheme of low power consumption is adopted. Additionall

3、y， a set of intelligent power management system is presented to strengthen the systems voyage capacity. The whole system is controlled via ultralow?power chip MSP430F149. The experimental results show this system has realized long time operation of unmanned monitoring， so it has a very high applicat

4、ion value.Keywords： BD?； GPRS； low power consumption； intelligent power management0 引 言目前，内蒙古大草原畜牧业科学化管理水平低，仅仅依靠以人力为牧养方式的单一化养殖方式并不科学合理，为了给牧民在养殖过程中提供合理的手段解放畜牧人力，给消费者在购买畜牧产品中买到优质产品提供溯源信息的依据，给牧养动物安装定位装置，在生长周期中把其位置信息发送到指定服务器，既可实时查看，也能调用历史信息进行大数据挖掘，从而指导草原生态的监管，分析牧养动物的习惯。随着北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satel

5、lite System，BDS）的快速发展以及日益完善，使其在航空，交通运输以及生产生活中各个方面的应用越来越广泛。首先，北斗卫星导航系统是中国自主研发的三维卫星定位与通信系统，是继美国GPS与俄罗斯GLONASS之后第3个成熟的卫星导航系统。目前已经可以实现在中国以及周边地区提供全天候全天时定位、导航以及授时服务【1】。随着2015年3月30日首颗北斗导航全球组网卫星的发射，也标志着我国的北斗导航开启了全球化的征程。但是截止目前，关于卫星定位系统的应用产品主要在海洋监测、船舶远洋、森林监管、道路运输等领域【2】。然而由于这些场景自身能给设备提供电源和足够的空间，所以不用考虑功耗与体积的制约。

6、本文在系统的设计上以高续航能力为目标，在器件的选型上不仅选择低功耗芯片，而且遵循电压宜低不宜高、时钟宜慢不宜快、系统宜静（态）不宜动（态）的三相宜;【3】原则和硬件软件化原则，保证硬件的最简化。在软件设计时减少CPU的空转与待机，定时开启相应的功能，并且结合硬件的设计来合理配置软件的各寄存器工作状态。通过智能电源管理算法的监管，合理控制太阳能对锂电池的充放电。这样不仅能提高整个系统的续航能力，而且也会大大延长电池的使用寿命。1 系统总体结构设计由于需要长时间进行监测控制，需要进行低功耗设计【4】和科学的电源管理【5】。本文的系统主要分为以下三部分：北斗定位信息的采集、GPRS数据的回传、智能电

7、源管理系统的设计及策略。系统的整体构架图如图1 所示。本文依靠MSP430F149作为系统主控单元，实现系统的低功耗设计以及智能电源的管理。结合所选单片机自身功耗低、处理速度快、自身集成了12位的ADC片内资源等特点，设计一款能获取、提取、转化定位信息，并通过合理控制GPRS模块将转化的数据以数据流量的方式发送给用户。本文为了增加整个系统的续航能力，同时提高电池的使用寿命，加装了小型太阳能极板与电源智能管理系统，这样为系统在实际应用中长时间、不间断工作打下了基础。2 硬件设计概述2.1 硬件设计的需求系统的核心控制单元MSP430F149是美国德州仪器公司（TI）生产的一款16位RISC混合信

8、号处理器，其最为突出的特点是：低电源电压、超低功耗，他的五种低功耗模式特别适合对功耗消耗要求很低的手持设计【6】。根据在集成电路中系统的功耗由静态功耗和动态功耗组成，而后者是功耗的主要来源，影响动态功耗的主要因素是电源电压，其次就是工作频率【7】，接下来就是负载电容。但是负载电容一般根据各模块的配置安装，所以在这里就不做考虑。为了尽可能降低系统功耗，需要降低工作电压和选用低频率的工作时钟。北斗模块选用的是和芯星通生产的UM220?N，工作电压仅约为2.73.3 V，功耗小于120 mW，体积仅为16 mmx12.2 mm。GPRS模块选用的是SIM900A模块，内嵌TCP/IP协议，符合本次的

9、数据流量传输方式，且具有睡眠模式和最小功能模式，在睡眠模式下最低耗流仅为1 mA。根据对上述模块的选型，在供电部分设计中选用SPX3819芯片分别为MSP430F149和北斗模块提供3.3 V的电源电压，且由单片机控制北斗电源的工作方式。SPX3819芯片是一款低噪声、低压差、低静态电流LDO稳压器。经过实验测量，当使能端置位时耗流为70 A，当使能端清零时无电流消耗。2.2 低功耗硬件设计方案根据MSP430F149内部各资源以及时钟可以独立于CPU运行，合理地配置单片机内部各模块的工作状态，以及根据具体的工作状态选择合适的时钟信号对于系统的低功耗设计十分有利。由实验测量可知，当单片机的8

10、MHz晶振开启时，会产生118.2 A的电流消耗。甚至由于I/O口的初始化不合理（第二功能模式耗流更大），串口的开启都会使整个系统产生mA级的大电流损耗；所以根据实际应用情况，合理配置各个资源的工作模式很有必要。根据对以上因素的考虑，系统由定时器进行定时，当不需要工作时，CPU及不需要的模块进入关闭状态。当到达定时时间，CPU被定时中断唤醒，再开启需要的时钟以及所需要的模块。处理器的低功耗工作流程图如图2所示。2.3 BD定位模块本文选用的北斗二代模块是由和芯星通公司生产的UM220?N，这是一款GPS/BD双模的芯片，也可设置GPS或者BD单模独立运行。由于供电电压低，耗流低、体积小，非常适

11、合本文要求。在北斗模块设计方面加装北斗电源控制电路，在需要的时刻再给北斗供电，从而避免了由于长时间待机带来的电流损耗。由于处理器只需要接收BD模块数据，所以在串口1的初始化时只需要打开处理器的串口接收端口（RXD）。根据低功耗设计原则，给出北斗模块部分的运行流程图如图3 所示。2.4 GPRS数据传输模块GPRS选用上海芯讯通公司生产的SIM900A模块，根据其自身具有TCP/IP与睡眠功能特点，睡眠功能可以通过发送AT+CSCLK=1;进行控制，并且通过控制DTR引脚的电平进行模块的唤醒与睡眠。合理地利用上述功能和分时初始化串口0，有利于进行低功耗方面的设计。经过实验测试，在没有指示灯情况下

12、，模块进入睡眠模式时，耗流仅为1 mA。根据功耗最小化的设计原则，可以得到模块的低功耗运行流程图如图4所示。3 电源管理系统为了让电池最大限度的工作，并延长电池的使用寿命，设计了一套智能化电源管理系统，实时地对太阳能极板和电池电量进行监控，来决定如何合理的对太阳能极板和电池进行控制，合理管理电源管理系统。解决了长时间处于阴雨天气、长时间阳光暴晒、牛羊长时间呆在棚圈里无法获取阳光、天气骤变等各种天气变化造成的频繁充断电现象缩短电池寿命的情况。智能电源管理系统结构框图见图1。系统主芯片监测太阳能电压和电池电压，通过检测对比这两个电压信号，并使用概率冗余方法实现电源系统管理，控制BD定位模块和GPR

13、S模块的工作状态。概率冗余方法具体实现步骤：系统每间隔一定时间测量太阳能板电压vsun和电池电压vb，主芯片采集到vsun，vb后，进入电源管理模块，电源管理模块进行下一步判断，当vsun≥X（X是太阳能板的最小充电电压，单位为V，不同的太阳能充电板X值不同）时，这时累加寄存器acc_reg加1（acc_reg初始值为5），当vsun4 性能指标根据设计要求得到的电路板尺寸为7 cmx6 cm，该尺寸适中，适合系统的后期封装。板上集成有低高频线路，通过合理的布局避免了之间的相互干扰。系统整体实物图长为9 cm，宽为7 cm，高为56 cm。系统表面覆盖有柔性太阳能极板可以供设备充电，并且

14、整个系统尺寸小，适合牛羊的佩戴。北斗天线从底部引出有利于其接收北斗信号。系统设计完成之后，对单电池供电情况下系统的工作电流进行了实际测试，在系统每半小时工作一次，每天工作12 h其余时间为睡眠状态的情况下进行测试，得到在各状态下的电流消耗结果如表2所示。由结果中数据可知在睡眠模式时电流仅消耗1.072 mA，非常符合低功耗要求。表2 系统耗流结果以1天为一个完整的工作周期计算系统，其平均功耗为2.280 2 mA。由上述结果可知，在没有能量补给的情况下以2 800 mA-h的锂电池供电，系统每30 min进行一次数据的采集与发送，每天只工作12 h，其余时间进入休眠仍然能够工作25天，完全满足

15、在放牧过程中的应用。实地测试中选择在包头市赛汗塔拉公园进行实地验证，图6为设备发回的信息形成的轨迹图，实际路线为赛汗塔拉的公园路。根据轨迹图可以看出，在空旷地带轨迹图与实际路线基本吻合，误差在2 m左右；在畜牧过程中这样的误差都在允许范围内。并且在实际测试中，整个系统可保持长时间不间断工作。5 结 语本文的系统可以应用于草原畜牧业的溯源追踪以及牛羊的定位，系统自身具有长时间工作不需要频繁充电的优势。而且智能电源管理系统能合理的对太阳能极板和电池进行控制，使电源系统在各种天气情况下都能合理工作。系统能智能地判断目前天气情况，具有一定的冗余性，使电池系统不会因天气的突变而不停的在各种状态间转换，保

16、证电池极大限度的工作，并延长电池的寿命。因此本装置具有很好的应用价值。参考文献【1】 司端国，王海涛，张明哲.北斗导航系统应用现状与发展建议/第三届中国卫星导航学术年会电子文集.北京：中国空间技术研究院总体部，2012.【2】 侯智斌，吕曹芳，宗军君，等.北斗定位通信技术在定向运动中的应用研究.现代电子技术，2014，37（21）：38?40.【3】 徐建平，耿世钧，马廷锋，等.超低功耗电子电路系统设计原则.电子技术应用，2003，29（2）：78?80.【4】 林旭梅.基于MSP430的低功耗煤气表系统设计.测控技术，2014，33（2）：8?10.【5】 秦海涛.一种电池供电的低功耗无人自动监测系统设计.测控技术，2015，34（3）：146?149.