极低功耗气体监测无线传感器节点

摘要

随着微机电系统以及现代物联网的飞速发展，传感器节点越来越趋向于小型化、低功耗、阵列化设计。对于大多数半导体气体传感器而言，其气敏材料需要工作在高温状态下，而传统加热方式一般为恒压加热，因此节点需要消耗额外的功耗用于提供高温环境，从而使半导体气体传感器节点相对于其他传感器节点来说功耗较大。如何有效降低半导体气体传感器的功耗成为目前亟待解决的问题。 首先基于微热板气体传感器的快速热响应特点，研究了微热板气体传感器在秒级脉冲加热方式下的响应情况，设计了间歇加热工作模式并验证其可行性，从而降低微热板气体传感器的功耗。通过实验分别验证了间歇加热模式下气体传感器的选择性、重复性以及长期稳定性等气敏特性。其次，依据低功耗加热模式，分别设计了两种低功耗无线气体传感器节点，一种为Wi-Fi节点，选用低功耗芯片CC3200作为核心处理器，该处理器内部集成了Wi-Fi无线芯片CC3100，功耗较低，且便于进行无线开发；另一种为NB-IoT节点，选用超低功耗（LPM3状态下电流仅为1.2μA）芯片MSP430F5438A作为核心处理器并选择BC95-B5作为无线模块，进一步降低了节点功耗。基于两种不同性能的低功耗处理器完成了两种节点的嵌入式硬件原理图以及PCB电路板设计，通过软件低功耗策略使得节点功耗进一步降低。并实现了传感器数据的无线自动采集，自动入网等功能。为了适应不断变化的外界环境，利用DAC以及ADC设计了PID控温算法对微热板气体传感器进行控温。此外，针对Wi-Fi节点开发了LabVIEW上位机平台，能够对传感器数据进行实时显示、分析和存储。针对NB-IoT节点基于中国物联网开发者平台开发了编解码插件，实现了数据的自动上传及报警等功能。 最后，对两种节点的基本功能进行了测试，测试结果表明两种节点都能以低功耗的方式对传感器数据进行自动采集并上传、显示以及报警。同时测试了PID算法控温的实际效果，结果表明PID控温算法能够实现精准控温，从而保证了气体传感器在不同环境中的稳定性。最后对两种节点的平均功耗分别进行了计算，结合低功耗加热模式设计的无线气体传感器节点功耗大约可以降低至常规半导体气体传感器节点的1/40左右。

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