低功耗水下探测器设计

第４１卷第４期２０１８年８月
电子器件
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ
Ｖｏｌ ４１㊀Ｎｏ ４Ａｕｇ.２０１８
项目来源:国家高技术研究发展计划(８６３)项目(２０１５ＡＡ０４２６０１)ꎻ国家自然科学基金项目(６１４７１３２６ꎬ６１５２５１０７)ꎻ山西省基础研究计划项目(２０１６０１Ｄ０２１０６４)ꎻ中北大学自然基金项目(ＸＪＪ２０１６０２７)
收稿日期:２０１７－０７－２０㊀㊀修改日期:２０１７－０９－２１
ＡＤｅｓｉｇｎｏｆＬｏｗ￣ＰｏｗｅｒＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＤｅｔｅｃｔｏｒ∗
ＺＨＡＩＣｏｎｇ１ꎬＸＵＥＣｈｅｎｙａｎｇ１∗ꎬＭＵＪｉｌｉａｎｇ１ꎬＨＥＪｉａｎ１ꎬＴＩＡＮＺｈｕｍｅｉ１ꎬ２ꎬＷＥＮＴａｏ１
(１.ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａꎬＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙꎬＴａｉｙｕａｎ０３００５１ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＸｉｎｚｈｏｕＴｅａｃｈｅｒｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓꎬＸｉｎｚｈｏｕＳｈａｎｘｉ０３４０００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｄｅｔｅｃｔｏｒｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆＭａｒｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ.Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｅｎｄｕｒａｎｃｅｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｕｎｍａｎｎｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｓꎬａｎｅｗｋｉｎｄｏｆｌｏｗ￣ｐｏｗｅｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｄｅｔｅｃｔｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｉｓｄｅｔｅｃｔｏｒｃｏｎｔａｉｎｓｍａｎｙｎｅｗｔｙｐｅｓｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｓｅｎｓｏｒｓ.Ｔｈｅｅｘｔｅｎｄｅｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｎｅｃｔａｎｏｔｈｅｒｓｅｎｓｏｒｏｒｐｒｏｐｅｌｌｅｒ.Ｔｈｅｅｎｅｒｇｙａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅｉｓｉｎｓｔａｌｌｅｄｔｏｃｏｌｌｅｃｔｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙｕｐａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｎｄｕｒａｎｃｅｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒ.Ｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｌｏｗ￣ｐｏｗｅｒｍｅｔｈｏｄꎬｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｐｒｅｃｉｓｅｌｙｒｅｇｕｌａｔｅｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｓｙｓｔｅｍｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｐｏｗｅｒｌｏｇｉｃｔｏｌｅａｄｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｄｏｗｎｔｏｏｒｄｉｎａｒｙｗｏｒｋｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ１/３ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄｅｎｄｕｒａｎｃｅｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｅｎｓｏｒꎻｌｏｗ￣ｐｏｗｅｒꎻｅｎｅｒｇｙａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎꎻｃｉｒｃｕｉｔｓｙｓｔｅｍꎻｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｄｅｔｅｃｔｏｒꎻｅｎｄｕｒａｎｃｅＥＥＡＣＣ:７２３０ꎻ６３２０Ｅ㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０１８.０４.０３９
低功耗水下探测器设计
∗
翟㊀聪１ꎬ薛晨阳１∗ꎬ穆继亮１ꎬ何㊀剑１ꎬ田竹梅１ꎬ２ꎬ温㊀涛１
(１.中北大学电子测试技术重点实验室ꎬ太原０３００５１ꎻ２.忻州师范学院电子系ꎬ山西忻州０３４０００)
摘㊀要:水下探测器是海洋环境监测的重要设备ꎬ为解决传统水下无人探测器续航能力弱的问题ꎬ设计了一种新型的低功耗
水下探测器ꎮ该探测器采用新型集成式传感器ꎬ降低了传感器的功耗ꎻ具备扩展接口ꎬ可搭载其他传感器或推进装置ꎻ能量采集模块用于获取探测器周边环境能量ꎬ提升探测器续航能力ꎻ主控电路采用了低功耗设计ꎬ对电路系统各模块的功耗进行精准调控ꎬ优化供电逻辑ꎬ将功耗降至普通工作电路的１/３ꎬ大大提高探测器的集成度和续航能力ꎮ
关键词:传感器ꎻ低功耗ꎻ能量采集ꎻ电路系统ꎻ水下探测器ꎻ续航能力
中图分类号:ＴＰ２０３ꎻＴＮ９８㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０１８)０４－１０２７－０５㊀㊀在当今的海洋探测中ꎬ水下无人探测器已成为
世界各国的重点研究方向之一ꎬ并逐渐向着自主化㊁集成化㊁智能化的方向发展[１－４]ꎮ传统的自主式水下探测器大部分采用电池供电ꎬ在功耗㊁体积㊁灵活性和隐蔽性方面有着诸多缺陷[５－７]ꎻ新型水下航行器则采用仿生鱼的结构ꎬ在体积及隐蔽性上有一定优势ꎬ但是在负载及续航能力方面并没有实质性的提升ꎮ在降低重量与体积的同时增强续航能力成为了现阶段水下探测器急需解决的问题之一[８－１２]ꎮ
本次设计提出了一种低功耗水下探测器ꎬ从电路结构㊁供电逻辑上进行优化ꎬ大幅度降低了探测器中电子系统的功耗ꎻ同时该探测器还配备能量采集
模块ꎬ有效获取环境中的震动能量并转化为电能进行存储利用ꎬ减轻系统对电池的依靠ꎮ
１㊀低功耗水下探测器
１.１㊀总体方案设计
低功耗水下探测器壳体采用３Ｄ打印树脂ꎬ质量轻且强度大ꎬ内装有探测器的主控系统及所有探测器工作电路ꎬ并使用硅胶对壳体进行密封防水ꎮ探测器主要由充电锂电池进行供能ꎬ可通过外接电源或内置能量采集模块进行充电ꎮ
低功耗水下探测器内部集成了定位模块㊁通讯模块㊁传感器模块ꎬ可有效对温度㊁加速度以及定位
电㊀子㊀器㊀件第４１卷
信息进行探测采集ꎬ实时的将环境参数通过无线模块传输至接收端[１３－１４]ꎻ探测器可搭载伺服机驱动模块或是扩展传感器模块ꎬ在特定环境下实现特定功能ꎻ探测器可与多种能量收集方式相连ꎬ有效的采集自然界中的能量ꎬ实现延长续航能力的目的[１５]
ꎮ
图１㊀低功耗水下探测器结构图
１.２㊀工作逻辑
为了保证低功耗的运作ꎬ水下探测器将会包含自主工作及远程操控两种大的工作方式ꎬ两种工作方式可并行存在并进行快速的互相切换ꎬ保证了探测器的工作效率ꎮ
自主工作方式可根据用户预设采集探测器内部集成的低功耗传感器数据ꎬ并通过无线模块进行数据的回传ꎬ电量过低时会自主停止工作ꎬ降低功耗ꎬ待能量采集模块收集到足够的能量时继续工作ꎻ远程操控的工作方式可根据实际需求ꎬ对搭载的较大功率的传感器进行使能并获取数据ꎬ或是关闭探测器的部分电路ꎬ达到长时间续航的目的ꎻ若探测器搭载了电机驱动模块ꎬ用户还可根据实际需求通过远程操控控制探测器的移动
ꎮ
图２㊀探测器基本工作逻辑
２㊀低功耗电路设计
２.１㊀主控电路设计
低功耗水下探测器的主控系统及所有工作电路都装在３Ｄ打印的树脂壳体内ꎬ通过硅胶进行密封ꎮ但是充电接口为了满足充电过程的便捷性ꎬ需安置在壳体之外ꎬ与水的接触不可避免ꎬ为了防止与水的接触导致电源短路ꎬ探测器的充电电路做了防短路设计ꎬ保证了探测器的稳定工作ꎮ
探测器主控芯片用ＴＩ公司生产的ＭＳＰ４３０Ｆ５４３８为主控芯片ꎬ正常工作功耗低ꎬ供电电压范围为１.８Ｖ~３.６Ｖꎬ扩展功能多其工作性能较强[１６－１７]ꎬ适用于本次水下探测器低功耗㊁可扩展的需求
ꎮ
图３㊀防短路充电电路
２.２㊀传感器电路设计
主控板上搭载了新型温度传感器㊁气压传感器㊁加速度传感器以及电压传感器ꎬ可采集探测器的工作环境以及电池电压等信息ꎬ满足探测器的自主工作需求ꎮ
这些新型传感器集成度高㊁功耗低㊁体积小ꎬ每个传感器都有独立的电路ꎬ供电分离ꎬ通过主控控制可控稳压对传感器供电ꎮ为了搭载定位模块等其他传感器ꎬ探测器主要工作电路预留了供电接口以及模拟量采集接口㊁通用接口ꎬ可满足大部分传感器的工作需求ꎮ
具体功能如下:
表１㊀探测器预留接口
接口类型功能及作用
供电接口为搭载传感器供电ꎬ最大１５０ｍＡ
模拟量采集采集水听器等的模拟量数据
通用接口
采集定位模块等数字量的数据㊁与集成
传感器通讯㊁控制集成传感器功能㊀㊀为了实现远距离控制探测器ꎬ以及实时回传探测数据ꎬ探测器搭载了通用无线通讯模块ꎬ该无线通讯模块采用全双工工作方式ꎬ载波频率为２.４ＧＨｚꎬ传输速率高达２Ｍｂｙｔｅ/ｓꎬ有效传输距离可达１.１ｋｍꎬ功耗可根据发射功率进行调控ꎬ适用于探测器的基本工作需求ꎮ探测器定位方式采用北斗㊁ＧＰＳ双模式定位ꎬ定位可精确至５ｍꎬ满足探测器基本信息采集的需求ꎮ
２.３㊀低功耗供电逻辑
不同于陆上丰富的资源ꎬ水中无法布置电网ꎬ在河道㊁湖泊以及海洋中无法为电子设备进行供电ꎬ水下探测器也无法快速便捷的进行充电ꎮ为了实现延长探测器工作时间ꎬ减少能量消耗的目的ꎬ工作电路采用了低功耗的结构设计ꎮ
８２０１
第４期翟㊀聪ꎬ薛晨阳等:低功耗水下探测器设计
㊀
㊀图４㊀
传感器电路
图５㊀低功耗供电结构示意图
除主控芯片㊁电量检测㊁稳压损耗外ꎬ所有外围传感器及通讯㊁定位等模块的供电都由主控芯片控制ꎬ主控芯片也可进入待机模式ꎬ将功耗降至最低[１８]ꎮ
表２㊀节能前后功耗对比
模块节能前节能方式节能后传感器１０ｍＡ断电０定位模块２５ｍＡ断电０无线模块１５ｍＡ~１２０ｍＡ
断电０主控１.８４ｍＡ待机１.２ｕＡ可控稳压１０ｕＡ可关断１.５ｕＡ电源检测及管理
１.３４ｍＡ
２.４㊀能量采集电路设计
降低功耗的同时ꎬ本次设计的探测器集成了能量采集电路ꎬ可外接能量采集器件收集外接环境中的能量ꎬ将波动㊁震动㊁摩擦等多种能量进行有效的采集并转换为电能进行存储ꎬ为探测器的工作提供能量ꎬ从另一个方向实现了延长续航时间的目的
ꎮ
图６㊀能量采集电路
首先能量采集器件先将外在的动能转换为电能ꎬ随后能量采集电路将电能预先采集至电容中进行存储ꎬ随后由专用的电源管理芯片将电容中的电能存储至锂电池中ꎬ为电路系统供电ꎮ
３㊀水下探测器性能测试
低功耗水下探测器现已集成了温度传感器㊁压力传感器㊁电量传感器以及三轴加速度传感器ꎬ预留了模拟量㊁数字量采集端口ꎬ可另搭载５０ｇ以内ꎬ功耗在１５０ｍＡ以下的传感器ꎬ如水听器等ꎮ
３.１㊀电路功能验证
经过实验证明ꎬ探测器可有效的从已搭载的温度㊁压力㊁加速度㊁电压传感器采集到数据ꎬ并由主控芯片处理进行编码打包ꎬ通过无线数据传输模块实时发送至接收终端ꎬ并通过接收端传输至上位机进行显示
ꎮ
图７㊀探测器主控电路
３.２㊀能量采集功能测试
测试使用的能量采集器件为磁电线圈发电结构ꎬ器件直径为３ｃｍꎬ高３ｃｍꎬ重１００ｇꎬ可更换为塑料外壳减轻重量ꎬ接入能量采集电路后至于震动台上进行测试ꎬ在２Ｈｚ的工作频率下ꎬ测得预存储电容的充电曲线如图９所示ꎮ
９
２０１
电㊀子㊀器㊀件第４１
卷
图８㊀
探测器回传数据
图９㊀能量采集器件及４７０μＦ电容充电曲线
测试所使用的电容为４７０μＦ钽电解电容ꎬ从充电开始至电容充电至８Ｖ只需８ｓꎬ充入电容的电量可由电源管理电路充入探测器内部的锂电池ꎬ供系统使用ꎬ有效的减轻了探测器电路系统对于锂电池的依赖ꎮ
３.３㊀低功耗测试
低功耗水下探测器可根据实际的使用情况自主调节传感器的供电ꎬ从而优化探测器的能量使用效率ꎮ目前的供电逻辑为定时通断基础传感器以及无线模块的供能ꎬ当无线模块在工作时接收到指令后ꎬ可根据指令对探测器的其他功能使能ꎬ采集所需的数据并回传ꎮ所测得功耗曲线如图１０所示
ꎮ
图１０㊀低功耗探测器功耗测试曲线
前１０ｓ低功耗水下探测器系统处于休眠状态ꎬ当低功耗探测器受到持续波动后进入标准工作方式ꎬ持续采集加速度及温度数据ꎬ并由无线模块周期发送至上位机ꎻ１ｍｉｎ后ꎬ由上位机发送指令ꎬ关闭了加速度和温度传感器进入休眠模式ꎬ同时开启了定位模块ꎬ循环发送定位数据ꎮ由功耗曲线可以看出ꎬ相对与传统水下探测器工作方式ꎬ本次设计的低功耗供电逻辑在实现相同功能的同时ꎬ可更加细致的管理工作电流ꎬ减少器件的功耗ꎬ将工作时的峰值电流从４０ｍＡ降至１３ｍＡꎬ最低工作电流从１.９６
ｍＡ降至１.３４ｍＡꎬ极大的降低了探测器的功耗ꎮ４㊀结论
通过实验分析计算ꎬ得出结果如下:
(１)本次设计的低功耗水下探测器可以有效采集温度㊁压力㊁电压㊁加速度等信息ꎻ
(２)所采集的数据可通过无线模块稳定发送至上位机ꎻ
(３)该探测器所使用的电路系统最大功耗仅为１４ｍＡꎻ
(４)能量采集模块可以有效的采集震动能量并进行存储ꎮ
测试结果表明ꎬ本次设计的低功耗水下探测器在完成功能的前提下ꎬ将功耗降至普通探测器工作电路的１/３ꎬ有效延长了水下探测器的续航时间ꎻ能量采集模块采集的能量缓解了电路系统对电池的依靠ꎮ该设计在降低探测器系统损耗㊁提高探测器集成度及续航能力方面具有潜在应用价值ꎮ
参考文献:
[１]㊀钱朋安ꎬ荚济民.机器人运动学仿真教学软件研究[Ｊ].合肥工业大学学报(自然科学版)ꎬ２００５ꎬ２８(７):７６０－７６３.
[２]谭湘强ꎬ钟映春ꎬ杨宜民.液体中泳动微机器人的现状与分析[Ｊ].机器人ꎬ２００１(５):４６７－４７０.
[３]杨燕.水下航行器编队运动规划与稳定性研究[Ｄ].天津:天津大学ꎬ２０１２.
０３０１
第４期翟㊀聪ꎬ薛晨阳等:低功耗水下探测器设计㊀㊀
[４]吴泽伟ꎬ吴晓锋.基于有限时间系统同步的自治水下航行器回收控制[Ｊ].自动化学报ꎬ２０１３(１２):２１６４－２１６９.
[５]ＢａｓａｎｔＫＳꎬＢｉｄｙａｄｈａｒＳ.ＡｄａｐｔｉｖｅＴｒａｃｋｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌｏｆａｎＡｕｔｏｎｏ￣ｍｏｕｓＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇꎬ２０１４(３):２９９－３０７.
[６]张洪欣ꎬ马龙ꎬ张丽婷ꎬ等.水下机器人在海洋观测领域的应用进展[Ｊ].遥测遥控ꎬ２０１５(５):２３－２７.
[７]谢源.矢量推进式新型水下航行器主体的关键结构研究[Ｄ].
浙江大学ꎬ２０１６.
[８]喻俊志ꎬ陈尔奎ꎬ王硕ꎬ等.仿生机器鱼研究的进展与分析[Ｊ].
控制理论与应用ꎬ２００３(４):４８５－４９１.
[９]朱海荣ꎬ朱海ꎬ刘金涛ꎬ等.水下航行器光学隐蔽深度测量系统[Ｊ].光学精密工程ꎬ２０１５(１０):２７７８－２７８４.
[１０]ＴｒｉａｎｔａｆｙｌｌｏｕＭＳꎬＴｒｉａｎｔａｆｙｌｌｏｕＧＳꎬＹｕｅＤＫＰ.ＨｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｏｆＦｉｓｈｌｉｋｅＳｗｉｍｍｉｎｇ[Ｊ].ＡｎｎｕａｌＲｅｖｉｅｗｏｆＦｌｕｉｄＭｅｃｈａｎｉｃｓꎬ２０００ꎬ３２(１):３３－５３.[１１]梁建宏ꎬ王田苗ꎬ魏洪兴.水下仿生机器鱼的研究进展Ⅱ 小型实验机器鱼的研制[Ｊ].机器人ꎬ２００２ꎬ２４(３):２３４－２３８. [１２]赵涛ꎬ刘明雍ꎬ周良荣.自主水下航行器的研究现状与挑战[Ｊ].火力与指挥控制ꎬ２０１０(６):１－６.
[１３]杨峻巍.水下航行器导航及数据融合技术研究[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工程大学ꎬ２０１２.
[１４]曹小佳.面向机械振动监测的无线传感器网络时间同步研究[Ｄ].重庆:重庆大学ꎬ２０１０.
[１５]汤宝平ꎬ黄庆卿ꎬ邓蕾ꎬ等.机械设备状态监测无线传感器网络研究进展[Ｊ].振动㊁测试与诊断ꎬ２０１４ꎬ３４(１):１－７.
[１６]胡敦利ꎬ李亮ꎬ高杨ꎬ等.基于ＭＳＰ４３０的空气环境质量监测系统设计[Ｊ].高技术通讯ꎬ２０１５ꎬ２５(３):２７９－２８５.
[１７]程艳ꎬ任勇峰ꎬ文丰ꎬ等.基于ＭＳＰ４３０的低功耗温湿度计设计[Ｊ].电子器件ꎬ２０１５ꎬ３８(２):３８２－３８５.
[１８]周聪聪ꎬ涂春龙ꎬ高云ꎬ等.腕戴式低功耗无线心率监测装置的研制[Ｊ].浙江大学学报ꎬ２０１５(４):７９８－
８０５.
翟㊀聪(１９９３－)男ꎬ山西太原人ꎬ现为
中北大学硕士研究生ꎬ主要从事的研究
方向为微纳米㊁微能源技术ꎬ仪器科学
与技术专业ꎬＯｌｉｖｅｒＣｈｉｌｄ＠ｈｏｔｍａｉｌ.ｃｏｍ
ꎻ
薛晨阳(１９７１－)男ꎬ现任中北大学教
授ꎬ博士生导师ꎬ主要研究方向为新型
微纳米器件㊁固体光谱学和微光学传
感器ꎬｘｕｅｃｈｅｎｙａｎｇ＠ｎｕｃ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ
１３０１。