【应用】基于增强型微处理器CKS32F103RBT6的井盖状态监测系统设计

随着城市规模不断扩大和城镇化水平的日益提高，各种功能路面井盖的数量在迅速增长的同时也带来了路面井盖管理的问题。由于洪涝灾害、非法偷盗、交通碾压等造成路面井盖损坏的情况越来越多，如果这些破损的井盖不能得到及时的修复，对行人、车辆和井下设备的正常运行都会带来严重的安全隐患。传统的路面井盖管理方式是通过人工定时巡检和群众上报相结合的方法，这种方式不仅人工成本高、工作面大，而且存在检修不及时、效率低、非常容易遗漏等问题。而LoRa（Long Rang）无线技术，其远距离、低功耗、低成本、大容量的特点非常适合应用于城市道路井盖远程监测系统中，能够实现对井盖状态的远距离24小时实时监测。但是LoRa无线连接技术无法直接将数据上传到云端，需要借助网关设备才能连接到云端，中科芯CKS32F103RBT6是一款性价比较高的微控制器，将其作为基于LoRa的井盖状态监测系统中网关中继设备的主控芯片是非常理想的选择，来进行通信协议的转换和数据的传输。

芯片特性

CKS32F103RBT6增强型微处理器采用高性能的ARM-Cortex™-M3内核，工作频率为72MHz，内置128K字节高速存储器，具有丰富的增强通用I/O端口和丰富的联接在两条APB总线上的外设。其功能和硬件特点如下：

ARM 32位RISC内核，最高72MHz工作频率，能实现单周期乘法和硬件除法。

2.0~3.6V供电电压，I/O电平为3.3V，支持外置4~16MHz晶体振荡器，同时内嵌有经过出厂校验的8MH的RC振荡器和32KHz RTC振荡器。

支持睡眠、掉电和待机模式，Vbat引脚可以为内部RTC和后备寄存器提供备用电源。

2个12位高速数模转换器，转换时间仅为1us，转换范围为0~3.6V。

3个16位通用定时器，1个PWM定时器和2个看门狗定时器。为LCD彩屏和键盘构成的人机交互提供调度支持。

多达9个通信接口，其中2个IIC接口，3个通用UART接口，一个USB接口和2个SPI接口。能够为网关中继设备提供通信接口支持。

应用概述

基于LoRa的井盖移位状态监测系统包含感知层、网络层和应用层三个部分，是物联网在智慧城市领域的典型结构，如图1所示。感知层由井盖触发器节点构成，用于感知监测井盖的状态信息，当发生井盖移位时将报警信号通过LoRa技术传输到网络层；网络层主要是指集中器网关设备，其功能是下行和各个井盖触发器节点通过LoRa传输数据，上行利用4G网络将井盖移位报警信号传输到应用层；应用层提供用户显示、管理、维护功能。

图1 基于LoRa的井盖状态监测系统总体结构图

典型电路分解

1 触发器装置硬件设计

触发器装置是安装在井盖下方的传感器节点，与井盖进行刚性连接，用于实时检测井盖的倾斜、移位状态。其硬件设计主要包括ADXL345传感器单元、CKS32L051C8T6处理器单元、SX1278无线模块单元和DC/DC电源转换单元四个部分，如图2所示。

图2 触发器装置硬件框图

1）MCU主控制器单元

处理器单元是触发器装置的核心，负责数据的采集、处理和传输。从装置的实际性能需求、低功耗要求、成本等方面考虑，选择CKS32L051C8T6型低功耗微处理器。基于该芯片的最小系统电路如图3所示，主要包括程序下载电路、RTC时钟晶振电路、外部高速晶振电路、复位电路。

图3 CKS32L051C8T6最小系统电路

2）供电电源单元

为获得稳定的LoRa模块工作电压，并考虑系统的低功耗设计，设计采用宽输入电压范围的TPS61021A电源解决方案。TPS61021A是TI半导体专门为由碱性电池、镍氢电池、锂锰电池或锂离子电池供电的便携式或智能设备提供了一套电源解决方案。TPS61021A是一款具有0.5V超低输入电压的3A升压转换器，最小启动电压也仅为0.9V，输出电压范围可设置为1.8V到4.0V，转换效率高达91%，能够在电池放电至1.8V的低电压时仍提供3.3V电压和1.5A电流输出。其外围电路如图4所示。

图4 电源转换电路

3）ADXL345传感器单元

井盖的状态检测采用ADXL345。其硬件电路如图5所示。ADXL345是ADI公司设计生产的一款3轴加速度测量传感器，可以选择的测量范围为 ， ， 和 。它既可以测量运动或外部冲击而引起的动态加速度，也能用于测量像重力加速度这样的静止加速度，使器件可以用于倾斜角度的测量。该传感器结构采用多晶硅表面微加工技术，多晶硅结构弹簧悬挂在晶圆表面的结构的顶部，并提供加速度所需要的平衡阻力。一个独立的固定板和活动的质量块构成一组差分电容，可以对结构偏转进行测量。加速度使惯性质量块发生偏转、差分电容失去平衡，因此传感器输出幅度（即由差分电容产生的电信号）与加速度成正比。要使ADXL345加速度传感器正常工作需要设计如图所示的外围电路，外部MCU经过SDA和SCL两个引脚，并通过IIC串行通信协议和传感器进行数据交换，从而获取X、Y、Z三个轴的原始加速度值。

图5加速度传感器电路

在井盖监测的实际应用中，由于采用电池供电，对终端采集节点装置功耗要求极高，为实现24小时实时状态监测，如外部MCU一直处于工作状态采集ADXL345加速度值，则平均功耗太高无法满足整机寿命要求。为此，我们设计使用了ADXL345的中断功能，即当传感器检测到一个加速度值超过初始化时设置的一个阈值时会产生一个中断，并从INT引脚输出一个上升沿或下降沿信号。利用这一特征，可以将INT引脚连接到MCU的外部中断引脚上，平时MCU处于睡眠状态，只有当加速度传感器检测到超出阈值的加速度时才通过INT引脚唤醒MCU，MCU开始进行数据采集并处理原始加速度数据获得倾斜角度和位移状态，据此判断井盖是否发生异常。

4）LoRa模块接口单元

设计中采用的LoRa透传模组的接口电路如图6所示，和MCU通过串口进行传输数据。

图6 LoRa接口电路

2 集中器网关设备硬件设计

集中器网关设备是基于CKS32F103RBT6设计而成的，部署在地面专用或公用电杆上，采用太阳能供电。硬件主要包括太阳能供电单元、电源转换电路、主控制器单元、LoRa无线收发单元、4G模块单元和实时时钟电路等辅助模块单元构成，其硬件结构图示意图如图7所示。

图7 集中器网关装置硬件框图

1）MCU主控制器单元

主控制器单元电路如图8所示，主要包括下载电路、晶振电路、复位电路等。

图8 主控制器单元电路

2）供电电源单元

由于集中器网关设备安装在室外，无法实现普通市电供电，因此选用小型太阳能电池板加锂电池的方案供电。白天有太阳时太阳能电池板给装置供电，剩余电能存入锂电池，夜晚或阴雨天气由锂电池给装置供电。太阳能电池板选型为16V、20A单晶硅板，锂电池选型为12V、10Ah，另需配12V、5A锂电池太阳能控制器使用。太阳能控制器12V到集中器装置上电路的5V和3.3V工作电源需要设计12V转5V，5V转3.3V的DC/DC电源转换电路。12V转5V压降型装换电路选用TI生产的降压开关型集成稳压电路芯片LM2576S-5.0，5V转3.3V选用低功耗线性稳压芯片XC6206构成DC/DC 3.3V稳压电路，输入和输出级分别并上1uF瓷片滤波电容。电源的外围设计电路如图9所示。

图9 集中器网关设备电源供电电路

3）4G模块传输单元

虽然LoRa技术是一种远距离无线通信技术，但是其仍属于局域网，井盖的状态信息如需传输到远程公网的服务器上，还必须通过GPRS、4G或以太网等公网和服务器进行连接。为提高装置的普适性实现三网通（移动、联通和电信三大运营商均可使用），选用4G无线传输模块作为公网接入手段。

模块选用济南有人科技的USR-LTE-7S4网络透传模块，体积小巧，功能丰富，支持移动、联通、电信4G高速接入。支持4路TCP和UDP连接同时在线。以“透传”作为功能核心，高度易用，方便嵌入到其他系统中。模块外围设计电路如图10所示。

图10 4G模块接口电路

4）GPS和北斗定位单元

为了在触发器安装时能够方便记录对应井盖的位置，集中器网关设备添加定位功能，将触发器安装位置经纬度和ID信息一起存入存储器，供后续一并导入后台服务器中。定位模组选用和芯通信UM220-III 双系统高性能GNSS模块，能够同时支持BD2 B1、GPS L1两个频点，采用优化的卡尔曼滤波和GNSS多系统融合算法，在复杂地理环境下仍具备较高的捕获跟踪能力和可靠的连续定位功能，是目前市面上尺寸最小的完全国产化的北斗/GPS双模定位模组。其外围电路如图11所示。

图11 定位模块外围设计电路

5）人机交互单元

为了使网关设备有更好的人机交互界面，本设计采用2.8寸TFT-LCD彩屏显示和4按键键盘输入的组合实现人机交互功能，同时蜂鸣器电路用于声音提示。具体电路如图12所示。

图12 人机交互单元电路

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井盖作为城市中的一个重要部分，对其运行状态进行监测也是智慧城市建设的一项内容。同时随着城市的智能化程度越来越高，各类的监测系统越来越多，32位的MCU作为监测系统中各种节点、终端、控制器的主控芯片，将会有很大的需求量。高性价比的中科芯CKS32F103RBT6微控制器适用于绝大部分的监测系统和产品中。中科芯MCU事业部研发基于ARM® Cortex™-M0、M3、M4内核的多个系列MCU产品，以满足客户及市场多领域、多层次的丰富应用场景需求。