时间：2022-06-15 06:34:54
导语：在低功耗设计论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
关键词：低功耗；无线供能；电荷泵整流器；低压差线性稳压器；带隙基准电压源；电源抑制
中图分类号：TM44；TN722；TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-04
0 引 言
近几年，受益于集成电路工艺技术与片上系统（System on Chip，SOC）的不断发展，射频识别、微传感网络以及环境感知等智能技术得到了飞速发展。其中，对于无线供能植入式芯片的能量管理、功耗等问题受到了持续关注与研究。当能量采集完成后，如何管理该能量是下一代被动与半被动植入式医疗设备的要点之一。
在低功耗植入式芯片中，如低噪声放大器、模数转换器等对工作电压及其纹波都有一定的要求，因此须通过无线能量管理单元（Wireless Power Management Unit，WPMU）将其电源性能优化。在被动式芯片中，电荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、带隙基准源（Bandgap Reference，BGR）、低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要组成单元[1]。芯片工作时，人体各种低频信号（EEG、ECG）会通过相应的耦合方式传输到电源通路上，从而产生低频噪声，因此必须采用相关技术获得高电源抑制比电源。论文首先通过电荷守恒定理对传统Dickson电路进行动态分析及能量转换效率的改进；然后采用电源抑制增强（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）与前馈消除（Feed-forword Cancellation，FWC）等技术分别提高BGR、LDO在运放工作带宽内的电源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在输出节点并联电容以滤除超高频纹波；最后为保证LDO在负载变化时的稳定性，利用零极点追踪补偿来满足相位裕度的要求。
论文对高性能无线能量管理单元预设指标为：
（1）CPR在输入500 mV交流小信号时能输出2 V电压并驱动200 A的电流。
（2）BGR输出电源抑制比在LDO的工作范围内尽可能大于60 dB，以减小对LDO的影响。
（3）LDO输出电源抑制比在生物信号频率处（01 kHz）及CPR输入信号处大于60 dB，从而提供负载电路高性能的工作电压。
（4）在满足以上性能的情况下，尽可能减小电路工作时的静态电流。
1 无线能量管理单元的基本原理
图1所示为论文采用的无线供能能量管理单元拓扑结构。由图1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保护电路（PRO）等模块。芯片通过片外天线采集到由基站发射的高频无线能量信号，CPR将信号整流后进行升压，产生纹波较大的电压，并将该能量储存到Cs中。由BGR与LDO所组成的环路通过负反馈输出纹波较小的VDD来驱动负载电路。其中BGR为LDO提供一个精准稳定的参考电压，因此BGR的性能影响着LDO输出电压的性能。芯片中的保护电路包括过温保护电路、过压保护电路、限流电路，其主要目的在于意外情况下对电路关断，实现对电路的保护。
设计能量管理单元时，在无线供能的环境下要注意相关性能的优化，而这又伴随着其它性能的牺牲，下面将详细分析论文采用的CPR、BGR、LDO设计原理及电路结构。
3 版图及后仿真结果
采用SMIC 0.18 m CMOS工艺，在Cadence下对电路进行仿真验证，无线能量管理单元的版图如图7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模块，芯片的尺寸大小为277 m×656 m。
电路在工作时要避免反馈环路发生震荡，必须保证LDO环路的相位裕度，论文在tt、ff、ss三个工艺角下对其进行不同负载电流（0200 A）的仿真，仿真结果如表1所列。该结果表明在负载电流0200 A内，由于零极点追踪补偿的作用，相位裕度均大于60度，根据奈奎斯特稳定判据，LDO环路能在负载变化的范围内稳定工作。
图8所示为BGR、LDO的PSR仿真波形，从图中可以看出，BGR采用PSRB技术后，PSR在低频降低了近25 dB。当LDO采用FWC技术时，电源抑制在低频段得到了显著提升，电路空载时，在100 Hz内提升了近20 dB，满载时提升了近40 dB。
图912给出了WPMU中CPR与LDO的相关瞬态仿真结果，当输入频率为500 MHz、幅度为0.5 V的正弦波时，电路建立时间约为13 s，CPR的纹波约为5 mV，而LDO的输出电压纹波减小至2.3 V，即高频处PSR约为-66 dB。因此论文采用的LDO在生物信号频率处（DC-10 kHz）与输入信号频率处（100 MHz以上）具有较好的PSR。表2对相关文献与本文设计进行性能比较，可以看出，该电源管理单元能输出性能更好的工作电压。
4 结 语
论文针对CPR、LDO、BGR进行研究，设计了一种应用于低功耗无线供能植入式医疗芯片的能量管理单元。采用SMIC 0.18 m CMOS工艺提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB将BGR的PSR在低频处从-75 dB降低到-95 dB，这是优化LDO电源抑制能力的基本前提。通过FWC、零极点追踪补偿改善LDO的PSR与稳定度，在驱动0.2 mA的负载电流时，PSR为-85 dB@DC，而相位裕度在负载范围内均大于60度，该性能可适用于对电源性能要求较高的模块。
参考文献
[1]郭文雄.应用于植入式经皮能量传输的集成电路研究与设计[D].广州：华南理工大学，2013.
[2]Pierre Favrat， Philippe Deval， Michel J.Declercq. A High-Efficiency CMOS Voltage Doubler[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 1998， 33（3） ： 410-416.
[3]To shiyuki Umeda， Hiroshi Yoshida， Shuichi Sekine， et al. A 950-MHz Rectifier Circuit for Sensor Network Tags With 10-m Distance[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2006， 41（1）： 35-41.
[4]Keith Sanborn， Dongsheng Ma， Vadim Ivanor. A Sub-1-V Low-Noise Bandgap Voltage Referen-ce[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2007， 42（11） ： 2466-2481.
[5]Mohamed El-Nozahi， Ahmed Amer， Joselyn Torres， et al. High PSR LOW Drop-Out Regulator With Feed-Forward Ripple Cancellation Techniq-ue[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2010， 45（3） ： 565-577.
[6]王忆.高性能低压差线性稳压器研究与设计[D].杭州：浙江大学，2010.
本论文以智能IC卡水表系统为研究对象，重点探讨了基于MSP430F413型超低功耗单片机在低功耗智能仪表上的应用与开发。论文首先提出利用IC卡技术智能水表系统的总体设计方案；设计了系统控制的硬件电路结构和研究了软件控制流程的实现，采用软硬件结合的方法，对系统的低功耗、抗干扰性设计及安全性问题作了一定的分析与研究。
MSP430F413简介
TI公司MSP430 F413系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成。它们具有16位RISC结构，CPU的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率。灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在小于6μs的时间内被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列单片机的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器、数字化电机控制、电表、水表和手持式仪表等的理想配置，其内置的硬件乘法器大大增强了其功能并提供了与软硬件相兼容的范围，提高了数据处理能力。
智能水表的工作原理
本文设计的智能水表的工作原理：用户先购买IC卡(用户卡)，并携带IC卡至收费工作站交费购水，工作人员将购水量等信息写入卡中。用户将卡插入IC卡水表表座内时，IC卡水表内单片机识别IC卡密码，校验并确认无误后，将卡中购水量与表内剩余水量相加后(初次使用时，剩余水量为零)，写入IC卡水表内的存储器，进而控制电阀开通阀门供水。
用户在用水过程中，带磁感器的叶轮在水流的冲击下转动，通过磁传递，带动上表罩上的梅花齿轮转动并使多极齿轮转动，实现机械累计计量，每当计量到0.01m3时由位于0.01m3处的计量传感器向单片机发出同步的计量脉冲信号，此时，MSP430F413将输入的有效脉冲计入并计算用水量，IC卡水表内剩余水量就会相应的减少一个计量单位，累计用水量就会增加一个计量单位，LCD显示屏上显示剩余水量等相关用水数据。当剩余水量低于一个定量时(有一个事先设定好的最低剩余水量值)，IC卡水表的报警系统启动(蜂鸣器响起)，提醒用户及时到供水部门再次购水，这时，LCD显示屏上显示“请购水”字样。当剩余水量为一1时，单片机驱动电阀自动关闭，切断水源，停止供水并报警。在用户重新购水读卡存入后，再开通电阀供水。在正常情况下，阀门处于开通状态，当遇到剩余水量为-1或者电池电压小于3V等其他特殊情况时阀门会由开通变为关闭状态。
系统方案设计
本文设计的智能水表系统主要由微处理器、流量传感器、电动阀门、IC卡读／写器、LCD液晶显示及电源等组成，硬件结构图如图1所示。
1 系统硬件的设计
系统硬件原理框图如图2所示。
①电源低电压检测电路
本系统采用三节干电池4.5V作为供电电源，使用一段时间后，干电池会放电，为了保证整个系统，特别是阀门的正常工作，需要对电源进行实时检测，当电能不能满足系统要求时，及时报警提醒用户更换电池，以免造成不必要的麻烦。
为提高智能水表运行的可靠性和安全性，设计中采用电源电压实时监测电路。如图3所示。电压检测芯片采用日本理光R3111H30lC低电压检测芯片，R3111H301C输出电压为3.0V，最大工作电流为3.0μA，一般情况下的工作电流仅为1.0μA，高精度集成，完全满足系统低功耗设计的要求。当电源电压正常时，芯片的输出脚输出为高电平；当电源电压小于3.0V时，输出脚输出低电平，即P1.1输出低电平，P1.1下降沿中断有效，单片机检测到该信号时即转入中断服务程序处理，这时LCD液晶显示“换电池”字样，同时蜂鸣器报警提示用户更换电池，MSP430F413内部基本定时器使能中断，定时1s检测电压是否回升，如果回升蜂鸣器再次发出一声警报提示，LCD液晶上的“换电池”显示字样清除。如没有回升，则关闭阀门，直到用户更换电池，才再次开启阀门供水。由于MSP430F413工作用电压是3.0V，所以需要一个电压转换芯片将4.5V电压转换成3.0V供MSP430F413和其他模块使用，本电路中用的是RH5RL30AA一电压调整芯片，它具有高精度的输出电压，工作电流极低只有1.1μA。
②脉冲采集电路
本系统中水表的基表采用符合ISO4064B标准的旋翼式冷水水表。该表计数机构与测量机构经磁耦合传动，采用干簧管传感器计量发讯，每流经0.01m3水时产生一个脉冲。为了有效防止各种可能的干扰抖动而产生的多计数现象，本设计中采用双干簧管双脉冲通过由电容和电阻组成的防抖电路输入单片机计数，当两个脉冲输入段依次有脉冲输入的时候才产生一个有效脉冲计数，两个脉冲有互锁功能，P1.3和P1.4作为脉冲输入端。每输入一个脉冲，在存储器中减去相应水量。表内设有磁保护装置，具有较强的抗外磁干扰能力。
③阀门控制电路
阀门控制是水表控制系统中一个很敏感的部分，关启阀门的可靠性差，将会给供水部门带来很大的问题。本系统采用的是电动球阀，工作电压3V，工作时电流仅50mA。设计中利用直流电机带动半球阀正转或反转的方式来控制阀门的开启和关闭。利用MSP430F413单片机的P6.6和P6.7来控制阀门的正反转动，利用MSP430F413内部比较器(P1.6CA0，P1.7CA1)检测堵转电流来控制电机运行。当电机正常工作时，CA0>CAl，一旦堵转，电流迅速增大，CAOUT=0，来通知MSP430F413电机转到位。定时器定时1s检测电机是否到位，有效地解决阀门关闭不可靠问题。当正向端输入高电平，反向端输入低电平时，阀门开启；反之，阀门闭合。当单片机P6.7口输入低电平、P6.6口输入高电平时，正向端(ON)输出高电平，反向端(OFF)输出低电平，开启阀门，开启到位时，由单片机P1.5口输入检测信号，动作停止；反之，正向端输出低电平，反向端输出高电平，关闭阀门，同样由单片机P1.5口输入关闭到位检测信号。
2 系统软件的设计
图4是主程序流程图。单片机上电复位后主程序采用顺序执行的方法，逐个扫描各个自定义标志位，检查是否有动作发生，若有发生则转入相应子程序处理，处理完后回到主程序，继续扫描其后的标志位，最后进入低功耗状态，等待下一次中断唤醒，唤醒后同样循环一遍，又进入低功耗状态。由于各信号以中断的方式进入的，所以要特别注意中断的优先级及中断的嵌套问题。采用模块化方法设计各个子程序。根据不同功能，定义了不同的功能模块。明确入口出口，相互之间的调用关系，以供调用。主要软件模块有：IC卡读写模块，液晶显示模块，计量模块，FLASH读写模块，低电压保护模块等。上电后首先对系统进行初始化。初始化包括对内部存储器单元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶显示的设置等。接着进入主循环，判断故障、电源电压是否正常等，若一切正常则开阀供水。无论在什么情况下只要有低电压信号出现，系统就提示欠压，蜂鸣器报警，液晶显示，提示用户更换电池：当剩余水量低于设定值时，系统液晶显示提醒用户“请购水”，如果用户没有及时购水重新插卡充值，当剩余水量为负时，系统控制阀门关闭，停止供水。
3 系统低功耗的设计
在单片机控制系统中，系统的功耗往往和电源电压的大小成一定比例关系，电源电压高，系统的功耗相应的也会增大，因此在功耗要求很严格的智能水表控制系统中，在保证功能的前提下，尽量选择低的电源电压。本系统中选用三节碱性干电池4.5V供电。本文所设计的智能水表的能耗主要由三部分构成：第一部分是控制器中单片机(CPU)液晶正常运行时的持续性能耗，这是主要的功耗；第二部分是IC卡水表执行机构(电阀)动作时的瞬时能耗；第三部分是IC卡水表一些辅助功能如声音报警等的能耗。上述智能水表能耗的第一、二部分占了总能耗的95％以上。因此，在设计时主要考虑：选择低功耗电动阀；选择低功耗器件(CMOS型)；选择低的工作电压和低的工作频率；软件设计时选择低功耗的系统运行模式。
4 系统抗干扰的设计
本系统中抗干扰设计从两方面来考虑，一是在硬件设计上采取适当的措施来抑制和消除干扰，例如采用电磁干扰滤波器，如图5所示。另一方面是从系统软件设计上采取一定措施来提高系统的抗干扰能力，即使系统受到干扰，也能自动地快速恢复正常上作。如：尽量减少中断源，采用中断与查询相结合的方法，保持尽，可能短的中断开放时间，随开随关；在程序关键的地方人为地插入空操作指令，保护CPU在受到干扰，程序“弹飞”时指令不被拆散等软件措施。
【关键词】 WiFi技术 MSP430F5438 W5200 视频传输
一、视频传输系统发送端的硬件设计
1.1 发送端组成框图
发送端由处理器模块、视频采集模块、WiFi模块、复位电路、电源电路、时钟电路、JTAG接口电路组成。如图1所示。
（1）处理器模块：本文选用MSP430F5438作为处理器模块，它是整个分站的心脏，负责完成各芯片的驱动、数据的收发处理。（2）视频采集模块：通过摄像头进行井下视频的采集。（3）WIFI发送模块：选用WIFI模块，将采集到的视频信号向上传输。（4）FLASH存储器：主要用作程序代码、数据表格以及用户信息的存储。（5）JTAG接口电路：它是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。（6）复位电路：对电路进行复位操作。（7）电源电路：给MSP430和WIFI模块供电。（8）时钟电路：对各个指令的执行进行时间控制。
1.2 发送端各单元模块设计
1.2.1 处理器模块
处理器是发送端的核心部分，主要负责各个模块的通信，视频采集处理，并将采集的信息上传给模块，同时通过控制WiFi模块LTM22实现无线收发数据。
本模块的主控制器选用了功能强大、功耗低的MSP430F5438，MSP430F5438单片机的封装具有100个引脚，并且能工作在低功耗状态下。该微处理器芯片因为有较好的市场潜力和灵活强大的应用特性，迅速在嵌入式系统领域得到广泛的应用和较快的发展。芯片硬件扩展能力强，内存空间大，下载和调试程序非常方便，同时单片机Flash存储器空间达到256K，内部RAM达到16KB，可以在系统写入底层驱动程序和TCP/IP协议栈的同时拥有足够大的内存空间来实现数据的接收和发送。
该芯片的主要特点如下：（1）可以在超低功耗状态下正常工作。芯片工作电压为1.8V-3.6V，工作电流为0.1uA-400uA，6us就可以低功耗模式下唤醒。（2）硬件处理能力很强。寄存器寻址方式多样，指令系统简洁，拥有16位精简指令结构。片内存储器和寄存器可进行数字和逻辑运算，多个中断源可以实现嵌套。（3）外设资源丰富。256KB的Flash存储器，12位A/D转换，16位定时器，2个通用串行接口，硬件乘法器，看门狗计数器和内部温度传感器等。（4）系统工作稳定。晶体振荡器起振稳定后，可以根据设定的系统时钟频率来工作，如果程序跑飞，看门狗电路会产生复位信号以便保证系统正常运行。
1.2.2 WiFi模块
视频发送端的WiFi模块的芯片选用了LTM22。LTM22芯片是针对IEEE802.11/WiFi无线传感网络应用的片上系统（SoC）解决方案，LTM22芯片采用增强型8051MCU、128KB闪存、8KB的RAM等高性能模块，并内置了IEEE802.11协议栈。加上超低功耗，使得它可以用很低的费用构成WiFi节点，这种解决方案能够提高性能并满足以为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。同时，LTM22的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用，LTM22电路图如图2所示。
1.2.3 电源电路
供电模块选择芯片AS1117。AS1117 是一款低压差的线性稳压器，当输出 1A 电流时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V。AS1117 除了能提供多种固定电压版本外，还提供可调端输出版本，该版本能提供的输出电压范围为 1.25V～13.8V。AS1117 提供完善的过流保护和过热保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性。同时在产品生产中应用先进的修正技术，确保输出电压和参考源精度在±1%的精度范围内，电源模块电路图如图3所示。
1.2.4 JTAG接口电路
JTAG接口是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。为程序的调试提供了极大的方便，可以让用户使用单步运行、设断点等调试手段。JTAG信号接口定义如下：（1）TCK返回的测试时钟输出。（2）TDO JTAG接口的测试数据输出。（3）TDI JTAG接口的测试数据输入。（4）TCK JTAG接口的测试时钟。（5）TMS JTAG接口的测试模式选择。（6）RST JTAG接口的测试复位。
JTAG接口主要用于连接仿真器，仿真器通过JTAG接口可以对存储器中代码进行在线编程和功能调试。标准的4线JTAG调试接口的作用分别是数据输入（TDI）和数据输出（TDO）、时钟输入（TCK）、模式选择（TMS）。 MSP430F5438与前期开发的一些单片机系列有所不同，JTAG接口完全独立，因为不再与I/O 口复用，方便调试，JTAG接口电路图如图4所示。
二、视频传输系统的软件设计
软件系统采用μC/OS-II实时操作系统，主程序用C语言编写。主要包括摄像头采集、WIFI、收发数据和视频监控中心显示等，系统软件框架如图5所示。
关键词：微型加速度计 手势小车 AT指令
中图分类号：TP334.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0164-01
加速度计是一种应用十分广泛的惯性传感器，大多采用微机电技术（MEMS）进行设计和制造，具有体积小、重量轻、能耗低等优点。对加速度值求二次积分可以得到位移，同时也可以利用MEMS加速度计计算倾角，从而判断在二维平面中的位置。
手势控制作为一种正在蓬勃发展的现代控制方式，具有操作简单直观、灵活性高、科技感强等特点，它建立起了人机交互，使控制过程更加安全、生动有趣，改善了传统控制方式的缺陷。
1 系统方案设计
基于MEMS的蓝牙手势小车由两部分组成：发送部分和接收部分。发送部分由MEMS加速度计ADXL345、STC89C52、5V直流电源、蓝牙主从一体机模块HC-05组成；接收部分由2WD小车、直流电机、电机驱动模块L298N、两节3.7V可充电锂电池、STC89C52、蓝牙从机HC-06组成，系统框图如图1所示。
2 系统硬件设计与实现
2.1 主控器与ADXL345加速度传感器
本设计采用STC89C52作为主控芯片，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。ADXL345是一款3轴、低功耗、具有C和SPI接口的数字输出MEMS加速度计，分辨率高达13位，测量范围达± 16g。
2.2 蓝牙传输系统
蓝牙传输系统由主机HC-05与从机HC-06组成，其中HC-05是蓝牙主从一体机，由于它的默认模式是从机模式，因此需要通过AT指令将其设置成主机模式。蓝牙被设置为主机模式后可主动搜索附近的蓝牙设备并建立连接，蓝牙主机与从机之间未连接成功时，主机上的LED不停地闪烁，连接成功后长亮。然后主机将来自手势控制端的指令发送给从机，从机将接收到的数据传给单片机处理。
2.3 小车部分
小车部分通过蓝牙从机接收来自控制端的指令，根据指令来改变自身的运动状态，小车跟随手势运动，达到了与手势同步的效果。小车速度的调整由PWM波控制，在本设计中是通过控制L298N的EN引脚电平高低实现的，EN引脚高低电平持续的时间不同，就输出不同占空比的PWM波，不同的占空比的PWM波对应着不同的输出功率，不同的功率下小车速度也就不同。
3 系统软件设计
控制端主程序包括初始化串口、ADXL345初始化、读出姿态数据、数据处理、判断当前姿态并转化为控制指令。单片机根据ADXL345检测到的当前手势倾角发送控制指令，总共有9种控制指令，每种控制指令对应着一种手势姿态。利用活动和非活动检测功能，为每种姿态设定一个阈值来表征该姿态是否达到，然后发送与其对应的控制指令。
接收端主程序包括初始化串口和接收数据，根据控制端的手势来调整小车的运动状态。控制端的3个向前指令分别控制小车匀速向前、以加速度a1向前、以加速度a2向前运动，a1 >a2，这样达到手越向前倾小车速度越快的效果，向后的3个指令也是同理。向左指令控制小车左转，向右指令控制小车右转，为了使小车转弯更加缓慢平滑，采用PWM控制速度。控制板的平放手势对应小车的停止状态。
4 结语
介绍了一种MEMS微加速度计的蓝牙手势小车的设计方案，通过ADXL345加速度传感器检测手势，然后将手势控制指令通过蓝牙发送给小车，改变其运动状态。经过实际制作测试能达到手势控制的效果，并且准确性好、控制灵敏、直观、操作简单，有利于实现人机交互。
参考文献
[1]张家田，许凯，严正国.基于空中运动/手势控制接口的空中鼠标设计[J].现代电子技术，2016，39（6）：143-146.
[2]Analog Devices. ADXL345：3-Axis，±2 g/±4 g/±8 g/±16 g digi tal MEMS accelerometer datasheet [R].US：Analog Devices，2012.
[3]陈建新，卜翔，王荣等.基于MEMS加速度的三维无线鼠标设计与实现[J].无线互联科技，2011（8）：22-25.
[4]周获.基于MEMS技术的无线空中鼠标的研究[C].华侨大学，硕士论文，2013.
关键词：PPG 蓝牙 脉搏波监测 智能手表
中图分类号：R443 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00
1引言
步入2013年，穿戴式设备，智能手表市场方兴未艾，各种产品充斥着市场。但是，大多数产品都存在价格昂贵，实用性低的缺点。针对这种现象，我们提出一种基于蓝牙技术的低成本智能手表。
由于社会的发展，生活水平的提高，人们对自身的健康越来越重视，为了迎合消费者的保健意识，提高消费者的健康水平，我们在智能手表上，利用PPG技术，实时监控用户的脉搏。人们可以在手表上实时观看自己的脉搏，当脉搏异常时候，手表会发出报警，提醒用户，对用户的健康提供有力保障。
同时，我们在PC上开发配套软件，用户可以通过手表将脉搏数据传递到PC上，软件通过数据分析，评估用户的健康情况。用户可以通过软件的数据分析，及时调整自己的保健计划。
2 系统的主要硬件部分
2.1 系统框架图1
2.2 蓝牙模块
蓝牙模块采用台湾创杰科技（ISSC）的IS1681SM，该模块是蓝牙3.0。在功耗方面，比蓝牙4.0差，但是在稳定性方面，比现在市场上大部分蓝牙4.0要好（蓝牙4.0与手机相连经常会出现断线情况，此外，暂时大部分手机没有蓝牙4.0）。另外，此芯片待机电流可低至2mA，满足便携式产品低功耗的要求。与蓝牙4.0相比，此芯片在价格上有绝对的优势。
2.3 PPG模块
光电容积脉搏波描记法（ Photo--PlethysmoGraphy，PPG），是利用光束照射到活体组织表面，光束进入体内后通过反射或者透射的方式返回到光电传感器，通过信号处理得到了人体脉搏参数，具有无创性、便捷性、抗干扰能力强等特点。
传统的光电脉搏波描记方法分为透射式和反射式，测量时都是需要紧贴皮肤表面的，这给使用者带来不便。特别在冬天衣服厚重的情况下，测量者需要除去衣服，露出皮肤，测量脉搏波就显得更加困难
采用改进型PPG技术，利用红外反射光检测方式，通过差分放大器、滤波器、程控放大器后实现PPG信号采集，得到用户的实时脉搏信号。PPG模块流程如图2。
2.4 主控MCU
本次系统采用的主控芯片是Silicon公司的Sim3U164芯片，该芯片是32位的Cortex-M3内核。芯片自带时钟管理，最高时钟为80M，满足高速运行；在休眠模式时可以将时钟调整到2.5M，满足便携式产品低功耗的要求。
此外，该芯片自带ADC、PWM、DAC、两路串口、两路SPI、RTC、中断管理、低功耗模式，完全满足蓝牙手表的设计要求。
利用该公司提供的AppBuilder软件，方便代码生成，提高了开发效率。Appbuilder 是专为Openbiz Cubi平台而设计的元数据集成开发环境。具有交互性图形界面。它包含了两个功能强大且简单易用的生成向导 以及 直观的元数据编辑器。加入ucosII系统，使系统更加完善。
3系统工作流程图
图3为系统工作流程图。
手表只设置了两个按键，通过左键短按、右键短按、左键双击、右键双击、左键长按、右键长按、左右按键同时按下在各个模式间进行切换。正常模式下，OLED显示时间，电池电量，蓝牙是否连接，音乐是否播放还有音量值。在无任何操作（按键操作或者蓝牙返回指令）时间达到15s时，进入休眠模式。休眠模式下，只有串口接收到蓝牙数据和按键才可以唤醒MCU，唤醒后返回正常模式。此外，手表还有关机模式，设置模式，秒表模式，更新模式等。
4 系统测试
图4是我们在测试板上测试整体系统架构的照片。
为了便于观察PPG模块工作情况，测试时我们将程控放大器的输出端接入数字示波器辅助观察。对直接紧贴皮肤检测后的滤波结果进行分析。如右图，是测试对象在紧贴皮肤，没有间隔衣服的情况下，测试手腕位置的脉搏波。可以看出脉搏波被清晰的描记出来。
4.1功耗分析
所有穿戴式产品都要面对一个关键问题――功耗，如何降低产品的功耗，是穿戴式产品能否取得成功的关键。
为了节省功耗，做了以下设计：（1）设置了睡眠模式，在睡眠模式下关闭处理串口外的其他外设，将OLED设置为休眠模式；（2）电机震动采用震动2s停止2s的方式间隔震动；（3）在手机没有播放音乐或者不需要语音报号时，关闭喇叭，在播放音乐或者语音报号时，才开启喇叭。
4.2关机模式下断开蓝牙供电
经过一年的努力，我们完成了最终的智能手表成品，手表基于蓝牙3.0与智能手机通信，实现电话接听、拨打、电话本同步、MP3等功能，并实现人体脉搏波信号的可穿戴设备监测，通过改进PPG探头，实现信号非接触检测，提高用户使用舒适度。
5结语
本课题自2014年5月正式开始，我们利用课余空闲时间，在课题计划的指导下，学习新知识，并将知识付诸于实践当中。
在不断的调试过程中，我们遇到许多不同种类的问题，屏幕无法显示，程序没有按照我们的预想进行；硬件知识不足够，无法制作出合适的滤波电路；器件意外烧毁，一次次的失败虽然打击我们，也给了我们战胜它的决心。
在和指导老师的不断沟通中，我们对我们遇到的问题进行了总结，和组员重新思考了整体程序结构，在这个过程中，既锻炼了我们的沟通能力，又让我们的专业技能得到了明显的提升，我们每个人也学会了如何从整体出发设计一个定制的应用系统。
从去年开始课题，除寒假中断了一段时间外，我们一起合作，共同克服困难，不断进步不断飞跃。进行至今，我们已经完成了生理监护蓝牙智能手表的整体设计，论文撰写，实物制作，调试通过。
参考文献
[1]Jean J.Labrosse著.《uC/OS-II-源码公开的实时嵌入式操作系统》.劭贝贝译.北京：中国电力出版社，2001.？
[2]任哲.嵌入式实时操作系统uC/OS-II原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2005.
论文摘要:根据当今移动终端设备多功能、低功耗、易于移植的要求,分别从硬件和软件系统 2 方面提出了一种基于三星μS3C2440 芯片的嵌入式多媒体娱乐控制器的解决方案,同时介绍了利用 CLinux 构造嵌入式系统的方法,并提出了基于MiniGUI开发多媒体娱乐软件的基本方案。通过测试,系统能够满足用户在文字、音视频处理以及常用有线、无线数据交换等多方面的要求。
由于移动通信技术的高速发展,移动电话早已超出原有的进行语音通信的领域,正逐步成为手持娱乐终端的中心。手机用户希望自己的手机在完成通信基本功能的同时还能作为 PDA、MP3 播放器、数码相机、摄像机、视频播放机等。因此,设计出多功能、低功耗的多媒体终端至关重要。ARM+Linux系统具有低功耗、易移植、便于定制的特点,所以我们采用其作为系统设计的理想平台。
系统设计
本方案由硬件系统和软件系统2 部分构成,其中硬件系统采用三星的具有 ARM920T 核的 16/32 位多功能、低功耗的嵌入式处理器 S3C2440。S3C2440 是韩国三星公司推出的一款高档的,可用于手持设备、智能家电等便携产品开发的嵌入式微处理器,其主频处理速度达到400 MHz,完全可以满足音频和视频的处理要求。其主控制芯片及丰富的外围接口电路可用于创建连接各类设备的集成化驱动程
序和协议堆栈,如读写 USB 的接口、MMC/ CF 多媒体卡接口、AC97 音频接口、无线网络接口、IrDA 红外接口等,给用户提供了多种与其他系统进行信息交互的功能,可以自由地实现文字、声音和图像资料的交换。软件系统包括μCLinux操作系统、图形用户接口 GUI,方便用户根据自身的需要,开发相应的多媒体应用程序。uCLinux 操作系统高效稳定,提供了完成嵌入功能的基本地内核,能够处理嵌入式任务和用户界面,更由于其开发源码、定制方便以及易于移植,并不需要 MMU 的支持,可广泛地用于各种嵌入式系统中。
1 硬件系统
硬件系统S3C2440构成核心电路系统,该芯片采用RISC结构,除具有一般嵌入式芯片所具有的总线,SDRAM控制器以外,还具有丰富的扩展功能接口,内部集成了TFT/ STN LCD和触摸屏控制器、 USB Slave ,USB Host , Ir2DA红外接口、 SD & MMC存储卡接口、 AC97数字音频接口等大量的功能模块。同时,通过外扩的PCI总线,使得系统具有很强的扩展和升级能力,提供了极其丰富的人机交互接口。该芯片采用1. 2 V的工作电压,功耗很低,能够满足消费类电子电源对功耗的要求。同时,电源管理模块能够提供系统多种电压供电,包括芯片内核电压采用1. 8 V供电,芯片的I/ O部分采用3. 3 V供电,而片外的一些常规集成电路又采用5 V供电。智能电源管理模块很好地解决了对系统各个部分供电要求的不同,降低了功耗,减少了不同电源之间的干扰噪声,提高了系统的集成度。由于S3C2440芯片内部没有实现PCI总线,为了使系统具有更强的扩展和升级能力,通过外围的PCI总线控制器芯片实现系统总线的扩展。该芯片支持PCI2. 1协议规范,在33 MHz的总线时钟频率下,其峰值传输速度可达133 MB/ s ,完全可以满足数据传输的要求。通过PCI总线实现蓝牙接口和无线网络接口,满足用户远距离数据传输和无线网络的要求。同时,系统可以连接2.5英寸或者1. 8英寸的小型硬盘,实现用户信息的移动存储,用户可以根据需要扩大存储容量。由于在系统中采用了PCI总线控制器,扩展出了PCI总线,使得系统在某种意义上相当于一台小型PC机,用户可以很方便地进行硬件系统的扩展和升级。为了满足有些场合的人机交互,不同于一般的PC机系统,要求快捷、 方便的操作要求,我们采用6. 4英寸高亮度彩色TFT LCD触摸屏,用户与上层多媒体处理软件的交互直接通过触摸屏方式实现,提供了良好的人机接口。
图1为系统的硬件结构框图。
SHAPE \* MERGEFORMAT
嵌入式多媒体控制器硬件结构框图
2、软件部分
软件系统由μCLinux 操作系统、 嵌入式图形用户界面支持系统 MiniGUI构成。 μCLinux操作系统包括引导装载程序、 嵌入式Linux 内核、 必要的设备驱动程序、 文件系统J FFS2 等,具有高度模块化、 易于定制、 可移植性好等优点。引导装载程序Boot Loader 是系统加电后运行的第一段软件代码。通过这段小程序,可以初始化硬件设备、 建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。每种不同的 CPU 体系结构都有不同的 Boot Loader ,Boot Loader 是严重依赖于硬件而实现的。本系统采用基于ARM920T核的Boot Loader ,且根据系统硬件设备的实际配置修改了Boot Loader 的源程序,使他能够运行到我们的系统上。所设计的系统提供了最大128 M可选的 SDRAM和最大128 M可选的 FLASH存储器,系统运行小型的,经过裁剪的Linux 微内核。微内核由内存管理、 进程管理和事务处理构成,包括了所有核心的操作系统功能在内。μCLinux 操作系统本身的微内核体系结构相当简单,系统要求的网络协议和文件系统以模块形式置于微内核的上层,驱动程序和其他部件可在运行时作为可加载模块编译或是添加到内核,这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构件方法。用户可以结合定制的驱动程序和应用程序来实现自己的附加功能,大大减小了内核的体积,便于维护和移植。其中,采用J FFS2 日志闪存文件系统管理非易失性存储中的结构化文件数据,J FFS2 是专门为像闪存芯片那样的嵌入式设备创建的,所以他的整个设计提供了更好的闪存管理,为掉电或系统崩溃等突发事件提供了很好的数据保护机制。
MiniGUI 是一种面向嵌入式系统或实时系统的图形用户界面支持系统,是遵循 L GPL 条款的纯自由软件,提供了完备的多窗口机制,多字符集和多字体支持,BMP , GIF ,J PEG,PCX,TGA 等常见图像文件的支持等。他是建立在比较成熟的图形引擎之上的,比如 SVGALib 和 LibGGI ,系统开发的重点在于窗口系统、 图形接口之上,MiniGUI提供了大量的图形应用编程接口,包含全部功能的库文件大小仅为 300 k左右,特别适合用在嵌入式系统上开发控制台图形用户界面的应用程序。同时,由于图形抽象层( GAL)和输入抽象层( IAL)概念的引入,将底层图形硬件和上层的图形操作和输入处理分离开来,大大提高了 MiniGUI 的可移植性。利用 GAL 和 IAL ,MiniGUI可以在许多图形引擎上运行,可以很方便地移植到基于ARM920T核的S3C2440系统上。
3 、多媒体娱乐应用软件的方案设计
基于 MiniGUI的嵌入式娱乐系统软件,应该最大限度满足视听娱乐的要求。能提供视频播放、 音频播放等多媒体处理软件,个人信息管理软件及无线网络服务。其中,音频应能支持 MP3 ,WMA , WAV 等格式,视频支持 AVI(XviD &DivX4. 0 &5. 0)格式。个人信息管理程序提供备忘录、 记事本、 名片夹等多种功能。无线网络服务提供全功能的 Web 浏览器。用户通过触摸屏与应用软件进行交互,提供了友好的人机界面。
图2 基于 MiniGUI的多媒体处理软件架构
SHAPE \* MERGEFORMAT
基于 MiniGUI的多媒体处理软件架构该系统中的所有应用程序都以J FFS2 进程的形式执行,MiniGUI提供应用程序管理功能。所有的应用程序都运行在同一个地址空间,这样大大提高了程序之间的通讯效率。当应用程序之间需要通讯时,可以通过 MiniGUI 提供的 request/ response 接口实现。我们使用消息驱动作为应用程序的创建构架,触摸屏的按击由 MiniGUI支持系统,窗口管理器收集,将其以事先约定的格式翻译为特定消息,每一个多媒体处理应用程序都包含有自己的消息队列,支持系统将消息发送到应用程序的消息队列中,应用程序建立一个消息循环,在这个循环中读取消息,应用程序同时提供一个处理消息的标准函数,在消息循环中,系统调用此函数,在此函数中处理相应的消息,完成用户的请求。
关键词：智能家居；Zigbee；3G网络；安全监控
引言
随着现代科技的发展及人们生活水品的提高，越来越多的人不再满足于传统的家居生活方式，开始期望出现一种依托现代科技的全新的家居体验，智能家居技术应运而生[1]，无论在传统家居还是智能家居中，安全问题一直是人们关注的焦点问题之一。而一般的家居控制仅拥有家庭局域网络，只能在家庭内部进行监控[2]。本文在此基础之上研究并设计了一种基于Zigbee及3G网络的智能家居监控系统，实现了对家居系统的远程监控，并且能够通过移动终端实时的了解家庭内的环境数据，提高家居生活的安全系数。
1系统架构
本文研究设计的智能家居监控系统采用Zigbee无线传感网络加3G网络架构，家居内部的各种环境数据例如温度，湿度等以及各家用电器的节点数据通过Zigbee无线传感网络传送至嵌入式主控芯片，由嵌入式系统进行综合分析处理，在此基础之上，添加视频监控系统，通过在大门，阳台等存在安全隐患的地方安装摄像头，进行视频监控，进一步提高家居安全系数。视频数据也一并送至嵌入式主控系统，进行压缩、编码等处理。为了方便人们在外出的时候可以实时的了解家庭情况，本文将嵌入式系统收集并处理之后的各家居数据通过3G网络接入Internet，用户可以通过联网的手机、平板电脑等随身携带的移动终端实时的了解家庭内部环境，实现对家居系统的远程控制。系统框图如图1所示。
图1 智能家居监控系统
2硬件设计
2.1 Zigbee无线局域网设计
Zigbee又被称为紫峰技术，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。一般这个协议规定的通信技术是一种传输距离较短且功耗较低的无线通信技术。其主要特点是低复杂度、低功耗、近距离、低成本、自组织、低数据传输速率。主要适合应用于各类自动控制和远程控制系统，可以嵌入到各种设备中。简而言之，ZigBee技术就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
本文采用的Zigbee技术为CC2530片上系统解决方案，CC2530是由德州仪器开发的一种典型的Zigbee技术解决方案，众所周知，Zigbee无线网络传输技术需要一系列的网络节点作为支撑，本文采用的CC2530能够建立起一个强大的网络节点，但是所需要的成本相对于其他解决方案来说有很大优势，同时CC2530具有一些不同的运行模式，切换不同的运行模式可以有效地降低系统功耗，对整个系统工作的稳定性有着重要意义。
2.1.1Zigbee网络拓扑
采用何种网络拓扑结构将决定局域网内各节点之间消息的传递方式。常见的Zigbee网络拓扑结构有三种：星型网络拓扑、树型网络拓扑、网状网络拓扑。星型网络拓扑选定一个中心节点作为协调器，其周围的相邻终端节点均只与中心节点相互通信，中心节点作为整个网络的核心，需要分析处理所有的数据，必须连续不间断供电。树型网络拓扑是利用路由器对星型网络拓扑做的一些补充即底层的若干个终端节点连接至路由器，各路由器再连接至协调器。通信时各终端的数据首先汇集到路由器，再由路由器传送至协调器。网状拓扑即树型拓扑中的路由节点可以与其附近的其他路由节点相互通信，信息传输方式更加复杂多变。三种网络拓扑结构如图2所示。
图2 三种网络拓扑结构
通过对上述各拓扑结构的分析，结合本文设计需求可知本文更加适合采用星型网络拓扑结构。
2.1.2无线传感网络终端节点设计
终端节点是整个智能家居系统最基础的部分，由传感器采集模块和Zigbee精简功能设备集成而成。终端节点接收到协调器节点发送来的数据采集命令之后，将传感器采集到的家居环境数据经无线传感网络发送至协调器节点，再由具有全设备功能的协调器节点传送至嵌入式系统。
常规的家居环境数据采集传感器如温度传感器，湿度传感器，煤气浓度检测传感器等都有成熟的电路，本文设计中只需将传感器模块与Zigbee模块结合即可组成无线传感器。无线传感器结构如图2所示。在本文的星型Zigbee网络拓扑中，无线传感器作为终端节点只需与协调器节点之间相互通信，接收协调器节点发送的命令，并将传感器采集的数据传送至协调器节点。无线传感器结构如图3所示。
图3无线传感器结构
2.2 监控视频采集处理
在大门、阳台、客厅等室内一些必要的地方安装基于USB接口的数字摄像头，将采集到的视频数据通过USB接口直接送到嵌入式系统中进行压缩及编码处理。数字摄像头可以直接将采集的模拟视频信息转化成数字信号。数字视频信号与模拟视频信号相比具有抗干扰能力强，频谱效率高，图像失真少等优点。目前市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，购买及安装使用非常方便。嵌入式主控系统在接收到摄像头发送的数字信号并进行压缩处理之后将视频数据通过3G网络发送至用户的移动终端，方便用户随时通过视频图像了解家居内的安全状况。
3监控系统功能实现
本文系统平台采用ARM-Linux系统，其内核功能与Linux操作系统非常相似，并没有本质区别，驱动程序需要实现的功能也一样。只是在内核编译时，需要移植到ARM上的Linux系统所采用的编译器以及一些头文件和部分库文件会依赖于具体的ARM处理器结构。解决这一问题只需在Makefile文件中制定即可。
3.1视频采集压缩功能实现
本文视频采集功能的实现依靠USB摄像头，其正常工作需要在ARM-Linux中配置相关的驱动程序。Linux中关于视频设备的驱动程序常用的是Video4Linux。它提供了一系列的接口函数供视频设备编程时调用。
首先将驱动程序模块编译成.O目标文件，放在内核的/lib/modules/目录下，使用depmod a命令将此模块变成可加载模块。在调用摄像头功能时，使用insmod命令调用驱动程序中int init-module（void），设备驱动程序开始初始化，初始化结束，摄像头便能正常工作。摄像头被正常驱动之后，便是对视频数据的采集工作。图4为视频采集工作流程图。
图4 视频采集流程
完成对视频的采集之后，为了便于视频数据在3G网络中传输，还需要对视频数据进行压缩，以适应3G无线网络带宽。H.264视频压缩标准是JVT（Joint Video Team 视频联合工作组）提出来的一种新的视频压缩标准，在图像质量相同的前提下，H.264数据压缩比与MPEG-2相比高出2-3倍，比MPEG-4相比高出1.5倍到2倍。因此，经过H.264标准压缩后的视频数据对网络带宽的要求更低，更适于带宽非常紧张的无线网络。
3.2 3G网络传输功能实现
本文设计的3G网络部分的主要功能是将嵌入式主控系统收集并处理之后的监控视频数据及各类家居安全数据以无线的方式接入互联网，并发送至用户的手机等移动终端。3G模块接入方式采用WCDMA制式，选用能够满足监控视频传输带宽需求的华为E1750无线上网卡它支持上行最高速率HSUPA 5.76Mbps；支持下行最高速率HSDPA 7.2Mbps，数据传输非常快。
为使3G网卡在ARM-Linux下能够正常工作，必须配置驱动信息。
首先在/driver/usb/serial/p12303.c
中加入3G无线网卡的ID信息：
{USB-DEVICE（HUAWEI_VENDORID），HUAWEI_PRODUCT_ID））
在/driver/usb/serial/p12303.h中加入：
#define HUAWEI_VENDOR_ID 0xl2dl
#define HUAWEI_PRODUCT_ID 0xl001
然后，将Linux内核重新编译。
在内核/dev目录下建立新的字符节点
Mknod/dev/ttyUSB0 c 188 0
Mknod/dev/ttyUSB1 c 188 1
Mknod/dev/ttyUSB2 c 1 88 2
接下来交叉编译3G虚线网卡驱动的移植工具usb-modeswich，它是一种转换USB设备工作模式的工具。usb-modeswich.setup文件中加入以下程序：
#Huawei E1750
#Contributor：Anders Blomdell，Ahmed Soliman
DefaultVendor=0x12dl
DefaultProduct=0x1446
TargetVendor=0xl2dl
TargetProduct=0x1001
#only for reference and0.x versions
MessageEndpoint=0x0l
MessageContent=”55534243123456780000000000000011060000000000000000000000000000”
HuaweiMode=0
运./usb_modeswitch即可切换3G网卡的工作模式，进行3G拨号上网。
实验室条件下，在基于Linux操作系统的嵌入式平台基础之上连接USB摄像头，网络环境为实验室的WCDMA3G网络，终端为一个普通的安卓系统智能手机。测试了包括灯光控制、温湿度采集等10个节点，最远距离协调器13米，结果表明，在Zigbee无线传感网络内系统能够稳定运行，没有出现掉线的情况，能够有效的采集并传输测试的数据。3G通信网中也能够高效的传输视频等信息数据。图5为实验室条件下手机终端接收到的监控画面。
图5 移动终端监控画面
4 总结
本文研究设计了一个基于Zigbee及3G无线网络的智能家居监控系统，实现了Zigbee网络采集的各种室内安全数据和摄像头采集的视频监控画面一并通过3G无线网络传输至用户移动终端。为用户提供了一个家居安全监控平台。3G网络的应用也契合了当下高速发展的移动互联网时代，具有很高的实际应用价值。
参考文献
[1] 肖海涛. 基于ZigBee技术的智能家居系统设计[D]，中国优秀硕士学位论文全文数据库，2008.
[2] 宋冬，廖结，陈星，江灏. 基于Zigbee和GPRS的智能家居系统设计 [J].计算机工程，2012，33：243-246.
[3] 李战明，李泉，殷培峰. 基于ZigBee的环境监测无线传感器网络节点设计 [J].电子测量技术，2010，33（6）：118～122.
[4] 丁诚诚. 基于ZigBee的人体传感网的设计与实现[D]，中国优秀硕士学位论文全文数据库，2010.
[5] Halit Eren， Emran Fadizl. Technical challenges for Wireless Instrument Networks―A Case Study with Zigbee[C]. IEEE Sensors Applications Symposium San Diego， California USA， 2007 IEEE.
[6] 周毅.基于Android系统的视频监控客户端软件的设计与实现[D].浙江工业大学，2012
[7] 南忠良，孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J]电子设计工程，2010，18（7）：117-119.
论文关键词：卡水表,控制器,低功耗,逻辑加密卡
由于水资源的日益珍贵，社会越来越提倡节约用水。采用现在高科技术进行用水管理，已成为一种发展方向，并且已在很多城市得到应用，取得很好的效果。智能IC卡水表及收费系统，是采用世界上最先进的科技技术，进行用水计量、控制和收费的系统。它实现先付费后使用的结算管理模式，彻底改变了传统抄表付费的用水方式，该表特别适合新建城市以及旧城改造。采用智能IC卡水表进行收费管理，可以彻底解决过去用水收费难的问题，省去了管理部门上门抄表、收费等烦杂工作；可以方便用户用水，买多少水用多少水，多买多用，不用管理部门进门抄表，免受打扰，满足人们安宁家居的要求。
1、智能IC卡水表及售水管理系统的组成
智能IC卡水表是一种新型的计量表，智能IC卡水表是以带有发信装置的冷水水表为计量基表，以IC卡为媒体，加装电子控制器和电控阀所组成的一种具有预付费功能的水量计量仪器。
IC卡水表售水管理系统，是要用户先到用水管理单位购水，才能用水的系统。IC卡水表及售水管理系统是由：IC卡水表、IC卡、读写器、售水微机、售水管理系统组成。见图1所示：
图1智能IC卡水表及售水管理系统的组成
IC卡水表是整个系统的核心部件，也是系统中使用数量最多的部件。它安装在用户的用水管路中，主要起用水计量、显示和控制的作用。IC卡，主要功能是记录用户从银行或用水管理单位购买的水量信息，传给IC卡水表。读写器主要是完成IC卡的读写操作及与计算机的通信功能。售水管理软件是记录用户购水信息，完成计算机与读写器的通信等功能的软件。
2、IC卡水表的组成及控制器的工作原理
【关键词】高海拔覆冰 在线监测 可视化高清视频 无线组网技术
1 高海拔地区可视化背景
2008年初的冰灾导致电网大面积损毁事件使人们了解到，冰灾情发生前的防范、维护，灾情发生时预警、快速反应以及灾后的应急抢修、重建都非常的必要。在覆冰发生时，如何对重冰区、人烟稀少偏远山区、积雪时无法人工巡视、无GPRS/3G/3G信号等重点区域现场线路的覆冰状况进行及时准确掌握，为提前抗冰融冰提供科技支撑，将是提高电网整体抗冰水平、防止冰灾倒塔大面积断电事故发生的关键。本研究将采用先进可靠的OPGW光纤和WIFI混合通信技术、双备份智能切换冗余电源技术和完善的远程维护机制技术，对重冰区、无信号偏远山区的输电线路覆冰状况进行实时监控，及早发现覆冰事故隐患并及时予以排除，使输电网始终以良好的状态运行具有十分重要的意义。
目前投运的输电线路覆冰监测装置，普遍存在运行不稳定、现场维护工作量大等现象，主要表现在冬季覆冰期设备电源供电不足而无法正常运行、严重覆冰时GPRS/3G无线通信基站终端而造成现场设备无法正常进行数据传输、线路维护人员频繁到现场对故障设备进行维修而造成维护工作量大等问题。通过对本研究的研究，研究建立输电线路智能监测系统，着重对重冰区、无信号覆盖区、人烟稀少偏远山区、巡视难度大的崇山峻岭高海拔山区等区域线路的覆冰状况、线路走廊周围环境状况进行实时监测，为重冰期高海拔输电线路抗冰等日常维护技术支撑。
通过本次研究，将改变现有覆冰监测装置“覆冰关键期设备供电不足而冬眠”、“只能看图像，无法看清晰视频”的状况，省局等各部门通过省网公司办公网络均可以随时随地登陆系统，实时浏览高海拔、重冰区输电线路现场覆冰程度、线路走廊周围环境状况等，犹如亲临现场，为日常线路运行维护提供技术支持。
2 高海拔可视化管理现状
我国部分区域高压输电线路运行在3500米以上的高海拔、无人区、无信号覆盖区域，这些区域气候环境极为恶劣，严重雨雪冰冻的天气对输电线路安全运行构成极大威胁。在冬季覆冰期，由于这些高海拔区域山高坡陡、气温低，山上积雪覆冰不宜融化，使得在这段覆冰关键期内无法对这些重覆冰区线路进行正常巡视，无法及时准确掌握山上高海拔区域线路的覆冰状况、线路走廊环境，迫切需要借助科技手段对这些高海拔、无人区、重覆冰区输电线路覆冰状况实现远程可视化管理。在2008 年我国大面积冰灾之后，我国输电网安装投运了一批输电线路覆冰在线监测装置，它能够对覆冰期输电线路导线、地线荷载变化状况进行监测，能够在一定程度上帮助线路维护人员了解现场的覆冰状况。目前在实际使用过程中，存在明显不足，主要表现在“覆冰关键期设备供电不足而冬眠”、“只能看风景，无法看覆冰”的状况，装置供电不可靠、覆冰图像传输不清晰、只能看图像而无法看视频和进行录像的不足，无法满足高海拔重覆冰区、无信号区输电线路可视化管理的应用需求，主要体现在：
2.1 供电系统不可靠
目前投运的输电线路覆冰监测装置，夏季运行良好，但是到冬季覆冰关键时期，普遍存在设备供电不足，设备无法运行，严重影响其实用性，难以发挥“覆冰监测”的作用。据国家电网公司生计部初步统计，目前投运的输电线路正常上线运行率为30%左右，其余70%的输电线路在线监测设备不能正常运行，其中50%设备不运行是由于供电中断引起的。
2.2 通信手段主要依赖于GPRS/3G无线网络
无法对无移动信号偏远山区的线路杆塔进行监测，而这些区域恰恰多是人烟稀少的偏远山区，或者巡线难度大的高海拔山区，在严重覆冰期间，人员无法进行正常巡线的区域。
设备依靠GPRS/3G网络进行通信的通信链路薄弱，尤其是出现大面积覆冰时，移动GPRS/3G基站往往无法正常运行而造成现场覆冰监测装置通信链路中断，造成线路维护人员在严重覆冰关键期无法及时掌握现场线路的覆冰状况及发展趋势。
由于依赖GPRS/3G无线网络， 该网络的数据传输速率有限，传输带宽受到限制，图像压缩比大，需要将传输信息打包并切割成小块，分批发送，造成覆冰图像清晰度不高且无法对现场覆冰状况进行视频监控及录像，是线路维护人员无法准确掌握现场的覆冰程度。
2.3 GPRS/3G网络带宽的限制
由于GPRS/3G网络带宽的限制，只能看图像无法看视频，且清晰度不高，图像分辨率最大只能640*480，图像清晰度非常有限，无法为线路维护人员提供准确的现场线路状况。
2.4 结构设计存在缺陷
在覆冰关键期，摄像机镜头被覆冰遮挡造成关键期无法准确掌握现场覆冰程度等不足之处，使得无法充分满足线路维护人员对较长覆冰期、重冰区、无信号覆盖区输电线路覆冰状况及时准确掌握。
2.5 远程维护机制不完善
目前投运的覆冰设备普遍存在无法远程升级，设备自我诊断功能不完善、自愈性差的缺陷，设备在运行过程中发现缺陷时必须到现场进行维护，这样不仅没有减轻反而增加了线路维护人员的工作量。
鉴于目前覆冰监测装置的不足，本研究拟利用双备份电源冗余供电技术进行供电，监测装置与监测中心网络通信上采用OPGW光纤和WIFI无线网络相结合的混合数据传输技术、高清视频等技术，研制具有一体化、低功耗、双电源智能切换、OPGW与WIFI混合通信、冗余设计、高清视频的覆冰视频监控装置。利用本研究的成果，线路管理人员无需到现场，在后台电脑上就可以看到清晰的现场线路覆冰视频，切实实现对重冰区、无信号覆盖区、无人区及巡视难度大高海拔区域线路的可视化管理，切实实现线路维护人员对重点线路、覆冰期重点区域线路的覆冰状况、线路走廊环境和现场气象状况实时准确掌握。
3 可视化管理设计
3.1 双电源智能切换技术介绍
开展双备份及智能切换稳定供电技术应用，实现供电模块能够以智能判别自动切换和远程后台手动切换两种方式切换到备用电源上，确保系统能够在严重覆冰期、太阳能被冰雪覆盖无法充电等情况下，系统电源充足，运行稳定，能够稳定将现场的视频数据传输到后台：
具有唤醒与休眠功能的智能切换供电部分具有专属CPU控制模块，该CPU控制模块通过一MOS管分别与主电源以及辅助电源相连；提供CPU监测模块，用于监测电源的状态；提供多个唤醒源电路，其分别与CPU控制模块以及MOS管相连，所述的CPU控制模块可以随时进行待机唤醒功能；CPU控制模块根据CPU监测模块监测到电源的状态，对主电源，辅助电源的无缝切换是通过硬件自动切换的；在备用电源供电的情况下，CPU控制模块可以随时切断该备用电源供电，使双电源切换系统进入完全待机状态。
3.1.1 驱动控制部分
由逻辑控制电路和齿轮电机组成。电路控制核心采用CPU控制，电源部分采用开关电源稳压系统，供电可靠，电路具有良好的电磁兼容性，齿轮电机具有很强的耐湿热性和耐高温性，安全保护功能良好。
3.1.2 机械联锁部分
多重的机械联锁，确保两路电源在任何情况下不能并列运行。
3.2 OPGW光纤与无线WIFI的混合组网
按照《输电线路状态监测系统通信技术方案》，根据监测系统的特点，以及监测信息点分布的情况，一般将通信系统分成四种部署方式和两个网络段。 四种部署方式包括基于公网的后端汇集方案、基于公网的前端汇集方案、基于专网的后端汇集方案、基于专网的前端汇集方案。
针对重冰区、无信号覆盖区线路监测装置布点之间的距离较大，同时考虑到线路现场GPRS/3G/CDMA/3G的信号条件普遍偏弱，本研究在线监测系统的通讯方式采用“OPGW光纤通信为主，无线WIFI接入为辅”的基于专网的后端汇集方案。两个网络段为现场网络段和远程传输段：
（1）现场网络段负责将一定范围内的输电线路和杆塔上的传感器通过短距离无线网络汇集接入；
（2）远程传输段则负责将现场汇集的数据远程传输送到数据网接入点，如图1。
3.3 H.264视频压缩与传输
H.264视频编码压缩处理技术，与其它H.26x、MPEG-X视频编码技术相比，具有图像质量优异、编码效率高的优点。但是其编码过程的计算复杂性很高，如何降低编码过程的计算复杂性，提高编码速度是H.264视频处理技术实现的重点和难点。本研究将三个方面研究实现H.264网络视频编码技术： H.264视频编码算法优化；DSP系统中视频编码应用的硬件加速；H.264视频报文的网络实时传输。
H.264视频编码算法优化提出了启发式预测模式确定算法，对帧间预测、帧内预测和最佳预测模式的确定过程进行综合优化。该算法利用视频序列在空间和时间上的相关性，以及相邻的图像单位在预测失真上的相似性，推测当前宏块中接近最佳性能的预测块划分方法和预测模式。算法提供了推测错误处理机制，能够保证预测块与原始图像之间实现最佳匹配。实验证明经过优化之后，以微小的编码图像失真为代价，较大幅度地提高了编码速度，编码器的性能得到显著改善，如图2。
本研究采用网络开发工具包实现了RTP/RTCP实时网络传输协议，主要包括TCP/IP网络协议栈的配置与使用，以及实现基于RTP/RTCP协议的应用服务。在网络应用的基础上，对视频编码器进行性能进行测试，检验视频编码器的实时效果；完成了进行数据完整性测试，验证了视频编码器的正确性。测试结果表明本课题研究和实现的视频编码器具有良好的实时性和稳定性。
3.4 装置技术实现
针对目前覆冰监测装置普遍存在供电系统不可靠、GPRS/3G无线通信局限性大、现场设备维护工作量大等特点，本研究将研制具有一体化、低功耗、双电源智能切换、OPGW与WIFI混合通信、冗余设计、清晰视频监控、完善远程维护机制的视频监控装置。
3.4.1 一体化设计
监控装置的主处理单元、数据采集单元、供电管理单元、控制单元、通信单元采用一体化的设计原则，杜绝部件间的简单联结而形成的离散性内部结构；
3.4.2 中央数据处理系统（ARM CORTEX）
ARM CORTEX 嵌入式技术能够满足汽车、工业控制及医疗监测等应用领域对装置功耗与效能的严苛要求，它以高稳定性、超低功耗、低成本三个技术特色在诸多电力、汽车等诸多工业控制领域获得广泛应用。我司的气象监测及预警系统终端的中央数据处理系统采用Cortex处理器开发与设计，不仅具有ARM嵌入式技术稳定性好、功能强大、抗干扰性能好、后期扩展性能好、远程维护方便等优点，同时也具备了MSP430单片机低功耗、低成本的优点。
3.4.3 主备工作模式
监测装置的核心部分即中央处理器，是监测装置的大脑，如果发生故障将直接导致设备无法工作。从计算机服务器双机备份的角度出发，将设备主处理单元等设计为主备智能的工作模式，当核心主处理器发生故障时，智能切换到从处理单元，并且无缝切换，保障设备的正常运行。核心模块的配置信息存储在公共存储器，当后备模块启动时，自动装载工作模块的工作配置，无需重新配置工作参数。
3.4.4 完善的现场覆冰视频监控功能
采用H.264视频处理技术实现现场清晰覆冰连续视频和图像的采集、录像功能。
采用全方位无盲点工业摄像机，对导线、杆塔、线路走廊及周围环境进行全方位监控，能够在后台看到清晰、流畅线路视频。
线路管理人员在后台人员可远程控制摄像机视觉方位，能够对现场覆冰状况进行远程录像和危险关键点图像抓拍。
3.4.5 采用OPGW光纤通信为主、WIFI无线通信为辅的混合通信技术
针对重冰区、无信号覆盖区线路覆冰监测装置布点之间的距离较大，同时考虑到线路现场GPRS/3G/CDMA/3G的信号条件普遍偏弱，本研究在线监测系统的通讯方式采用“OPGW光纤通信为主，无线WIFI接入为辅”的基于专网的后端汇集方案。
3.4.6 双电源供电系统
状态监测装置的电源系统均采用太阳能双路充电、充电管理模组双路管理、蓄电池双路供电；全部供电系统完全隔离，互不影响；当一路供电装置出现问题时，不会影响另一路供电装置的可靠运行。
3.4.7 摄像机镜头防覆冰设计
对以前装置中出现摄像机在雨、雪、冰、污中拍到的照片无法识别的现象，在摄像机结构及镜头材料进行了改进。
3.4.8 低功耗设计
在全部采用工业级低功耗部件的同时，还设计有低功耗工作模式。
正常模式：所有的电源启动设备处在正常工作状态。
节能模式：关闭所有的通讯系统（本装置的功耗主要产生在无线通讯设备中），采集数据保存到装置，数据不上传。
自动切换：在正常状态下，装置白天处于正常模式，晚上处于节能式。
3.4.9 远程维护机制
远程维护机制（增加远程自动升级功能）、设备故障自我诊断及自我处理等方面的技术，提高重冰区、无信号偏远山区等恶劣环境下设备运行稳定可靠性。
3.5 可视化管理软件平台设计
平台系统的建设应遵循先进、实用、经济、高效的原则。
（1）采用开放式、一体化、可扩展的应用平台，在满足当前应用需求的基础上，能够根据未来发展的需要扩展其他应用功能。
（2）平台系统应采用先进的信息表现方式，为运行维护人员提供可视化运行界面。
（3）采用统一的接口标准和编码体系。
（4）平台系统应预留和第三方应用的标准接口。
3.5.1 平台基本功能模块
具有终端基本信息建档、终端安装位置信息建档、终端功能信息建档、现场视频浏览及远程控制摄像机功能、终端运维记录。
3.5.2 WEB 浏览
系统采用WEB浏览方式，满足线路维护工作人员对输电线路运行状况、覆冰灾情严重程度等现场状况掌握的应用需求。省局等各部门通过省网公司办公网络均可以随时随地登陆系统，实时浏览高海拔、重冰区输电线路现场覆冰程度、线路走廊周围环境状况等，犹如亲临现场，为日常线路运行维护提供技术支撑。
3.5.3 平台数据库系统设计
在开放性和标准性的前题下，为提高数据及图形访问速度，数据处理的实时响应性，在商用数据库之上构建实时数据库，支持CLIENT/SERVER模式SQL访问。
4 结论
本研究通过对OPGW光纤与WIFI混合组网数据传输技术、双备份电源智能切换、H.264视频压缩处理技术、远程免维护机制的研究，研制具有一体化、低功耗、双电源智能切换供电、多重混合通信、多冗余、摄像头防覆冰且高清晰视频监控、完善远程维护机制的可视化装置。
通过本次的研究及成果的应用，将解决目前覆冰监测装置普遍存在供电系统不可靠、GPRS/3G无线通信链路不稳定、只能传输不清晰图像而无法实现高清视频监控、现场设备故障率高、维护工作量大等存在的一些问题，消除现有覆冰监测装置“无覆冰时运行良好、覆冰关键期设备断电冬眠”、“只能用来看风景、无法看覆冰”的状况；弥补目前覆冰监测装置在重冰区、长覆冰期、无信号覆盖区等线路上无法对线路运行状况、线路走廊环境状况实时监控的不足，切实实现对重冰区、无信号覆盖区、无人区及巡视难度大高海拔区域线路的覆冰状况进行监控，切实实现对重冰区、无信号覆盖区、无人区及巡视难度大高海拔区域线路的覆冰状况、线路走廊环境状况和气象状况进行实时监控，切实实现线路维护人员对重点线路、覆冰期重点区域线路运行状况无盲点掌握。
参考文献
[1]国家经济贸易委员会.架空送电线路设计技术规程[M].北京：电力工业出版社，1999.
[2]黄新波.输电线路在线监测与故障诊断（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2008.
[3]法赞（加拿大）、黄新波（译）.电网的大气覆冰[M].北京：中国电力出版社，2010.
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