智慧浇花神器

在大数据爆发的时代，物联 的数据提供了海量的信息。所以物联 设备如同井喷似的蓬勃发展，未来的物联 设备将要比地球上的沙子加起来都要多。

为了能与时俱进，本人通过自学的物联 知识制作了一个智慧浇花神器，整体的实物图如下：

演示效果：

设备浇水演示.mp4

华为平台IOT演示.mp4

                                                                平台的历史数据

 

目录

 

一、整体结构

二、硬件结构

1.能量采集IC+太阳能板

2.NB-IOT模块

3.水泵

4.水流量计

5.湿度传感模块

6.总的静态功耗计算

三、软件结构

1.分布式结构

四、总结

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一、整体结构

 

二、硬件结构

1.能量采集IC+太阳能板

为了能让设备长期运行，使用额定功率1W的太阳能板储能，实际上转化出来的电压一般都是2V左右，电流在20ma左右，可见光能的转化率并不高，如果能把这些能量存储起来，对于微安级别的低功耗IOT设备来说已经很足够使用。BQ25504是一个能量采集IC，专门用于采集毫微功率的电量，适用于低功耗领域的设备。在设计中，通过BQ25504给锂电池储能，为设备提供长久的电源。

i.原理图

ii.最大功率跟踪的设计

MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。对于光能收集来说最大功率点一般是开路电压的70%~80%。

根据手册中：

查询了0603的阻值表后，选择的阻值为Roc1=15M,Roc2=4.3M，这样计算出来的最大功率点的电压为77.7%的VCC。

iii.计算过压值和欠压值

当锂电池的电压上升到过压值时，BQ25504就会停止充电，然后VBAT_OK引脚输出高电平。当锂电池中的电压降至欠压值以下时，VBAT_OK引脚输出低电平。考虑到STM8L的VDD最大为3.6V，BC-28模块的工作电压最低为3.1V。所以在设计时，过压值为VBAT_OV=3.5V，欠压值VBAT_UV=3.2V。

根据手册中指出：

查询阻值表后，选择电阻Rov1=3.6M，Rov2=3.3M；Ruv1=3.3M，Ruv2=5.1M；

2.NB-IOT模块

i.原理图

ii.低功耗设计

在静态功耗的设计中，主要是与MCU通信的串口NB_TX、NB_RX的电路设计。我们来看看模块手册中串口电路设计的建议：

因为STM8L的串口TX引脚空闲时为高电平3.3V，明显大于VDD_EXT=3.0V，设计时采取了建议2如原理图所示。

3.水泵

使用的是直流水泵，参数如下：

i.原理图

通过STM8L配置的开漏输出引脚，控制PMOS管来使电机运转。

ii.低功耗设计

这里解释一下为什么要使用PMOS管而不是常用的NOMS管：

首先，在考虑设计开关三极管电路的时候，要么处于常开，要么处于常闭，总之为了稳定性考虑必须要确定一个常态，而STM8L单片机复位后引脚的状态都是浮空输入的，引脚电平不能确定，所以必须外加一个上拉或者下拉电阻，使控制端处于一个常态。

接着，对于功率设备来说，最好是不要用单片机引脚推挽输出的高电平直接控制MOS管，如果是大电压驱动的话，单片机的引脚会被烧坏。所以输出高电平最好是引脚配置开漏输出。

综上所述，设备进入低功耗休眠时，使用NMOS管在“关”状态下会有电流损耗，如下所示：

而使用PMOS管时，“关”状态不会存在上图这种现象。但是PMOS管的替换种类少、价格高，所以在设计产品的时候要权衡考虑。

 

4.水流量计

流量计监控流量的方式是输出霍尔脉冲，简单的说流量计内部有一个磁性转子，外部有一个霍尔集成电路，液体通过时会推动转子旋转产生霍尔效应，根据单位流量输出对应的脉冲。详细参数如下：

i.原理图

同样也是使用一个PMOS管来控制流量计的电源。

5.湿度传感模块

使用的是电容式土壤传感器模块，工作电压3.3V-5V，输出的湿度值对应模拟量0V-3V，湿度大时电压小，湿度小时电压大。

i.原理图

同样也是使用一个PMOS管来控制湿度传感模块的电源。

6.总的静态功耗计算

i.光能收集+太阳能板：

由于这个芯片的电源是从太阳能板获取的，所以对于系统的功耗来说是0uA。

ii.NB-IOT模块：

根据手册可以知道BC-28在休眠状态下的静态功耗是3uA：

iii.水泵、水流量计、湿度传感模块：

在休眠时，通过PMOS管关闭这些模块的电源，而PMOS管本身也有漏电流≤0.1uA ：

iv.STM8L单片机：

在使用RTC定时唤醒的情况下，进入低功耗时的功耗为1.4uA。

总的最大静态功耗 4.7uA =  3+3X0.1+1.4

实际测量时，使用的是STLINK的电源供电3.3V。

测量如下：

再来看看未接入太阳能板的功耗视频：（电流突然增大是因为RTC定时唤醒进行数据采集）

未接入太阳能的功耗测量.mp4

最后看看接入太阳能板后的功耗视频：

接入太阳能的功耗测量.mp4

 

 

三、软件结构

1.分布式结构

在单片机软件设计中，使用分布式结构的好处：高内聚、低耦合、伸缩性强、易于移植、方便维护。

为了实现这个分布式结构，使用了实时的操作系统Atomthreads，这个超轻量级系统专门用于RAM和ROM非常小的单片机，可以说这个实时操作系统是为STM8单片机设计的，它具有实时操作系统该有的功能：优先级抢占、信 量、队列等。整体的结构为一主多从，从服务器使用硬件代理模式来设计，即把单独硬件用一个系统任务来包装成一个从服务器。

i.BC-28模块-从服务器

驱动层：MCU通过串口与BC-28模块进行通信，这里我使用了UART+DMA的方式接收任意的AT指令

功能接口层：这里面是BC-28的AT指令功能，发送方面以单一的AT指令或者组合的AT指令构成。接收方面以环形队列的数组对AT指令的反馈进行处理。

应用层：这里面包含了BC-28的初始化、发送数据帧、接收数据帧的处理、异常处理机制。

低功耗处理：模块可以通过PSM进入休眠模式或者关闭CFUN的方式，这样的功耗是3个uA。

UART外设的休眠唤醒如下：

ii.数据采集-从服务器

这里为了节省STM8L的RAM资源，把水流量计模块和湿度传感模块合并作为数据采集模块。

驱动层：通过ADC采集湿度传感模块的模拟量，通过tim定时器的计数方式来累计水流量计的脉冲

功能接口层：首先来看看湿度值的滤波，由于土壤内部的湿度值变化比较缓慢，通过平均移动滤波法来平滑数据。接着对于水流量计，根据单位的捕获的脉冲来计算流速。

应用层：这里对数据进行相应的激励反馈，比如说湿度值低于设定阈值的时候，就会产生“低湿度”的激励，这个激励会反馈到主服务器。

低功耗处理：对于湿度传感模块和水流量计模块的处理是通过PMOS管直接关闭电源。

ADC外设的休眠唤醒如下：

TIm外设的休眠唤醒如下：

四、总结

对于物联 产品的软件设计来说，韧性工程的设计是非常关键的。比如说电池的电量下降到50%，而且持续下降（连续阴雨天气，放电大于充电），这时候就要执行超省电的模式来进一步降低系统的耗电，可以通过增加NB定时上 的周期、减少单位采集时间、延长MCU的RTC的唤醒时间等方式。