可能量回收的超低功耗物联网井盖监控装置的制作方法

1.本发明涉及低功耗物联网研究领域，尤其涉及一种可能量回收的超低功耗物联网井盖监控装置。


背景技术：

2.物联网井盖监控终端大都采用电池供电，如何降低终端的功耗对于电池续航能力的提升起到十分重要的作用。除了主控芯片运行能量损耗外，终端中耗电大户就是传感器及无线通信模块，在固定的电池供电能力的前提下，传感器及无线通信模式的工作电流的大小及工作窗口的长短将密切影响着终端的电池续航能力。
3.现有技术通常采用固定采样速率采集传感器输出信号或数据，固定采样率适用于变化缓慢的监测对象的感知场合，对于特定突发事件的捕获存在较大时延，而采用较高采样频率则需要模数转换器及主控模块高频介入处理，缩短主控模块及模数转换器的休眠时间，提高终端的平均功耗，进而影响电池的续航能力。
4.无线模块采用固定通信速率、功率将应用数据传输到特定的平台或设备上，对于大规模部署的物联网应用场景，不变的通信速率、类同的发射功率及固定的无线信道，将会增加无线信道的拥挤度，降低数据交互的成功率，提高终端的整体功耗，缩短电池的使用年限。


技术实现要素：

5.为克服现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种可能量回收的超低功耗物联网井盖监控装置，降低嵌入式系统的功耗，同时新增了能量回收系统，大大延长了物联网井盖监控装置的电池供电时间。
6.本发明通过以下技术方案来实现：
7.一种可能量回收的超低功耗物联网井盖监控装置，其包括能量回收系统、电源模块和用电部件，所述能量回收系统包括感应模块、储能模块和蓄电模块；
8.所述感应模块埋设于井盖下方，用于感应车辆通过井盖时产生的感应电流；
9.所述储能模块与所述感应模块及所述电源模块连接，用于对产生的感应电流进行收集，达到预定电量后传递给电源模块，以供所述电源模块对所述用电部件进行放电；
10.所述蓄电模块连接于所述电源模块和所述用电部件之间，对休眠中的用电部件进行蓄电并通过所述储能模块进行能量回收；
11.所述用电部件包括主控模块、通信模块和传感器模块，分别与所述蓄电模块连接；
12.所述传感器模块还与所述主控模块连接，所述传感器模块按设定周期间隔启动进行采样，连续采样n次经滑动滤波后输出至主控模块进行本地计算；
13.所述主控模块与所述通信模块连接，所述主控模块将计算结果按设定规则确定是否启动通信模块，不启动则进入休眠，启动则待通信模块与后台以自适应信号增益进行数据上传与收取下行配置包，完成与本地参数比对处理后进入休眠。
14.进一步的，所述传感器模块包括传感器电源开关，设置于各类传感器的电源输入端，并且与所述蓄电模块及所述主控模块的输出口相连。
15.进一步的，所述传感器电源开关的电路中包含有nmos与pmos，选取的nmos开启电压vgs不大于2.5v，且nmos的栅极g与主控模块的输出口相连并受其控制；pmos的栅极g与nmos的漏极d相连，在pmos 的源极s与栅极g之间接入电阻，确保接入pmos源极s的电源与接入漏极d的传感器供电端之间的电气连接启闭可靠，传感器处于间歇式工作模式。
16.进一步的，传感器模块的传感器按接口类型分为数字接口传感器、模拟接口传感器和开关量接口传感器。
17.进一步的，在所述模拟接口传感器的输出口设置由低功耗比较器或运放搭建的比较电路，并由所述主控模块通过数字接口获取及控制低功耗数字电位器或数模转换器实现比较电路参考电位的动态调整与快速修正，实现感知对象特定事件的快速监测及主控模块的唤醒功能。
18.进一步的，所述主控模块采用事件触发及tickless机制控制系统。
19.进一步的，所述通信模块为无线通信模块，所述主控包括通过数字接口获取及设置无线通信模块的信道、发射功率、通信速率、接收信号强度及信噪比参数，根据所述参数加载特定算法协议实现无线信道及通信链路的忙闲感知及切换，发射功率及速率自适应调整，确保无线通信数据交互的成功率，降低功耗。
20.进一步的，所述主控模块对于传感器感知的特定事件进行识别后，通过无线模块将数据发送到用户指定装置或平台，或根据用户需求，定时将数据进行压缩并打包，再进行数据传输；在没有数据发送请求的时间点内，所述无线通信模块将进入休眠状态。
21.由于采用上述技术方案，使得本发明取得的有益效果是：
22.本发明的井盖监控装置利用多种创新的方法降低嵌入式系统的功耗，同时新增了能量回收系统，大大延长了物联网井盖监控装置的电池供电时间。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例提供的可能量回收的超低功耗物联网井盖监控装置的模块图。
25.图2为本发明实施例提供的低功耗系统原理图。
26.图3为本发明实施例提供的开关电路的原理图。
27.图4为本发明实施例提供的比较电路的原理图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.本发明提出一种可能量回收的超低功耗物联网井盖监控装置的实现方法，如图1所示，图2给出低功耗系统原理，涉及到的传感器控制原理，重点在对传感器电源开关、控制电路及触发电路进行了低功耗方案设计，并成功用于井盖传感器设计与实现中，下面对实现方法进行详细阐述。
30.在降低功耗方面，利用低泄漏的纳安级低电流电路自主学习休眠策略，降低整体功耗。主要技术路线如下：采样按设定周期间隔启动，连续采样n(n表示正整数)次经滑动滤波后输出至主控模块(mcu)进行本地计算，计算结果按设定规则确定是否启动通信模块，不启动则整体进入休眠，启动则待通信部分与后台以自适应信号增益进行数据上传与收取下行配置包，完成与本地参数比对处理后整体进入休眠，主控模块采用事件触发及tickless机制调度各子任务，保证尽可能处于休眠以降低功耗。
31.在控制功耗的同时，本发明还新增了能量回收系统，可为电源模块 (如电池)进行充电，由电源模块为主控模块、通信模块及传感器模块进行供电。能量回收系统由感应模块、储能模块以及蓄电模块组成。感应模块由感应线圈和相关电子线路组成，通常埋设于井盖下方，与储能模块连接。当行驶中的车辆通过井盖时，持续产生的微弱感应电流经储能模块进行收集，达到预定电量后给电池进行放电实现电能回收。能量回收系统在电池与用电部件(即上述主控模块、通信模块及传感器模块)之间还增加了蓄电模块，当用电部件休眠时，起到蓄电的作用并通过储能模块进行回收。
32.由此，本发明的井盖监控装置利用多种创新的方法降低嵌入式系统的功耗，同时新增了能量回收系统，大大延长了物联网井盖监控装置的电池供电时间。
33.具体地，参阅图1所示，本发明实施例提供了一种实现上述低功耗设计方案的可能量回收的超低功耗物联网井盖监控装置，其主要包括能量回收系统、电源模块和用电部件，能量回收系统进一步包括感应模块、储能模块和蓄电模块。
34.其中，感应模块埋设于井盖下方，用于感应车辆通过井盖时产生的感应电流。
35.储能模块与感应模块及电源模块连接，用于对产生的感应电流进行收集，达到预定电量后传递给电源模块，以供电源模块对用电部件进行放电。
36.蓄电模块连接于电源模块和用电部件之间，对休眠中的用电部件进行蓄电并通过所述储能模块进行能量回收。
37.用电部件包括主控模块、通信模块和传感器模块，分别与所述蓄电模块连接。
38.传感器模块还与主控模块连接，传感器模块按设定周期间隔启动进行采样，连续采样n次经滑动滤波后输出至主控模块进行本地计算。
39.主控模块与通信模块连接，主控模块将计算结果按设定规则确定是否启动通信模块，不启动则进入休眠，启动则待通信模块与后台以自适应信号增益进行数据上传与收取下行配置包，完成与本地参数比对处理后进入休眠。
40.其中，通信模块采用无线通信模块，如窄带物联网nb-iot(narrow bandinternet of things)。主控模块为低功耗主控模块，主控模块的mcu系统采用事件触发及tickless机制调度各子任务，保证尽可能处于休眠以降低功耗。
41.与现有技术相比，本发明的可能量回收的超低功耗物联网井盖监控装置主要的发明点在于：
42.(1)开关电路设计
43.传感器模块包括按接口类型分类的数字接口传感器、模拟接口传感器和开关量接口传感器。在现有的各类传感器电源输入端，增加由nmos与 pmos组成的开关电路，如图3所示，构成传感器电源开关，选取的nmos 开启电压vgs不大于2.5v，且其栅极g与主控模块的输出口相连并受其控制。pmos的栅极g将于nmos的漏极d相连，在其源极s与栅极g之间接入电阻，确保接入pmos源极s的电源与接入漏极d的传感器供电端之间的电气连接能可靠启闭，确保业务需求不频繁的传感器处于间歇式工作模式，确保传感器能耗最优化。
44.(2)增加比较电路
45.在现有的模拟量输出的传感器(即模拟接口传感器)的输出口，增加由低功耗比较器或运放搭建的比较电路，如图4所示，并由主控模块通过数字接口获取及控制低功耗数字电位器或数模转换器实现比较电路参考电位的动态调整与快速修正，实现感知对象特定事件的快速监测及主控模块的唤醒功能，减少主控模块对传感器感知信号处理的频次，提升主控模块的整体休眠时长，降低系统功耗。
46.(3)唤醒机制
47.传感器感知到异常状况实现主控模块从休眠模式唤醒，主控模块将以较低的运行主频对传感器感知数据进行甄别及判断，并将结果与预存于主控模块特定存储区域内指定的预警阈值或特定状态相符，主控模块将切换至高速主频对上述数据进行计算、存储或转发，处理完成上述流程且没有传感器新业务请求，主控模块自动进入休眠状态。
48.具体参阅图2所示的低功耗系统原理图。低功耗运算放大器或比较器的一个输入口与模拟接口传感器的输出口连接，低功耗运算放大器或比较器的另一个输入口与低功耗数字电位器或数模转换器的输出口连接，低功耗运算放大器或比较器的输出通过模数转换器与低功耗主控模块的输入口连接。模拟接口传感器的输入口通过传感器电源开关与低功耗主控模块连接，低功耗数字电位器或数模转换器输入口与低功耗主控模块连接。当传感器输出有轻微变化时，与参考电位相比较后不输出主控模块的唤醒信号。只有当传感器输出较明显变化后，才会使得比较器输出主控模块的唤醒信号，从而保证主控模块不被误唤醒而频繁工作。
49.(4)自适应通信机制
50.主控模块通过数字接口获取及设置无线通信模块的信道、发射功率、通信速率、接收信号强度及信噪比等参数，根据上述参数加载特定算法协议实现无线信道及通信链路的忙闲感知及切换，发射功率及速率自适应调整，确保无线通信数据交互的成功率，降低系统功耗。
51.主控模块对于传感器感知的特定事件进行识别后，通过无线模块将数据发送到用户指定装置或平台，或根据用户需求，定时将数据进行压缩并打包，再进行数据传输，减少数据传输时间，提高信道利用率。而在没有数据发送请求的时间点内，无线模块将进入休眠状态。
52.5)能量回收系统
53.为了实现超低功耗和延长电池使用时间，本发明在设计中增加了能量回收系统。一方面通过安装于井盖底部的感应线圈，当车辆经过时，感应产生微弱的电量，通过储能模块进行收集。另一方面，通过蓄电模块，在各模块休眠阶段储备多余电能，也汇入储能模块。当储能模块达到预定电量后向电池进行放电实现能量回收功能。
54.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。