一种节能型新风机监测系统及监测方法

1.本发明涉及电子工业监测技术领域，尤其涉及一种节能型新风机监测系统及监测方法。


背景技术：

2.近年来，新风机作为一种提供新鲜空气的空气调节设备，越来越多地被部署和应用在各个场合上。为知晓新风机的工作状况，运维人员常使用单片机、传感器、无线通信等模块监测新风机。
3.其中，单片机作为主控制器，用于接收和处理传感器采集的数据，并通过无线通信模块将数据传输到终端设备中。
4.现在的新风机监测系统的问题在于：如果新风机周围环境状况良好无明显变化时，这时传感器采集的数据不需要通过无线通信模块传输到终端设备中。然而，此时单片机仍会处于工作模式中，采集数据的传感器和用于无线通信模块的天线也会处于持续工作状态中，这样单片机、传感器、无线通信模块无意义的工作时间过长会带来很大的能耗。
5.因此，如何在新风机周围环境状况良好且无明显变化时，降低新风机监测系统的功耗，成为本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种节能型新风机监测系统及监测方法，监测方法可根据外界条件变化自动切换单片机的工作模式，用于解决现有监测方法的非实时性问题；供电控制电路能解决用于满负荷工作状态下无线通信模块、传感器、单片机的高功耗问题。
7.为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种节能型新风机监测系统，其中，包括单片机、电源管理模块、无线通信模块、终端设备、温湿度传感器、空气质量传感器、风速传感器和供电控制电路；
8.所述单片机、温湿度传感器、空气质量传感器以及供电控制电路电源电压vcc端分别与电源管理模块连接，由电源管理模块进行供电；
9.所述供电控制电路的控制输入端与单片机的输入输出管脚连接，所述供电控制电路的控制输出端分别与风速传感器和无线通信模块连接，所述单片机通过控制供电控制电路的通断来开启或关闭电源管理模块对风速传感器和无线通信模块的供电；
10.当单片机处于停止模式时，单片机的通用输入输出管脚gpio1输出为低电平，关闭供电控制电路，由于供电控制电路未打开，电源管理模块切断对风速传感器和无线通信模块进行供电；
11.在停止模式中，电源管理模块对温湿度传感器、空气质量传感器进行供电，温湿度传感器、空气质量传感器正常工作，当环境条件变化时，温湿度传感器或空气质量传感器检测到目标数据并触发外部中断将单片机从停止模式唤醒为工作模式，提前设置闹钟时间，闹钟中断模块周期性唤醒单片机进入工作模式，单片机进入工作模式后，单片机的通用输
入输出管脚gpio1输出为高电平打开供电控制电路，电源管理模块对无线通信模块和风速传感器进行供电，风速传感器和无线通信模块正常工作，并将所有数据从无线通信模块上传到终端设备，单片机完成上传数据步骤后，进入低功耗的停止模式，等待下一次唤醒。
12.作为本发明提供的一种节能型新风机监测系统进一步优化方案，所述供电控制电路包含电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、外部电源1、外部电源2、外部电源3、npn型三极管q1、pnp型三极管t1、光电耦合器u1、二极管d1、tvs二极管d2和电磁继电器k1；
13.所述电阻r5的一端与单片机的输入输出管脚gpio1连接，另一端与npn型三极管q1的基极连接；所述光电耦合器u1由发光器和受光器组成；所述电阻r4的一端与外部电源1连接，另一端与所述光电耦合器中发光器的输入端连接；所述光电耦合器中发光器的另一端与npn型三极管q1的集电极连接，所述npn型三极管q1的发射极接地；电阻r3的一端与光电耦合器中受光器的输出端连接，另一端与pnp型三极管t1的基极连接；光电耦合器中受光器的另一端接地；电阻r1的一端与外部电源2连接，另一端与pnp型三极管t1的发射极连接；电磁继电器k1的一端与pnp型三极管t1的集电极连接，另一端接地；二极管d1、tvs二极管d2的负极与pnp型三极管t1的集电极连接，正极接地；
14.所述供电控制电路与单片机连接的通用输入输出管脚gpio1用于控制电源管理模块里的外部电源1、外部电源2、外部电源3的通断；在单片机处于工作模式时，单片机将通用输入输出管脚gpio1设为推挽输出的高电平，npn型三极管q1导通，pnp型三极管t1的基极为低电平，pnp型三极管t1的发射极和集电极导通，电磁继电器k1的4脚和5脚之间有一个正向的压差，当达到电磁继电器k1开关的条件，电磁继电器k1的1脚和3脚连通，此时风速传感器和无线通信模块得电，在系统进入低功耗的停止模式时，通用输入输出管脚gpio1被下拉电路r6下拉，pnp型三极管t1和npn型三极管q1都截止，电磁继电器k1的1脚和2脚连通，风速传感器断电，电源管理模块切断对风速传感器和无线通信模块通电。
15.作为本发明提供的一种节能型新风机监测系统进一步优化方案，所述电磁继电器k1放置在pnp型三极管t1的集电极一侧，用于切断强在pnp型三极管t1强压侧的损耗。
16.作为本发明提供的一种节能型新风机监测系统进一步优化方案，所述光电耦合器u1将正在工作的传感器和单片机的功能管脚隔离，具有很高的输入输出绝缘性能，防止传感器的能量进入单片机的功能管脚，造成单片机的烧毁。
17.作为本发明提供的一种节能型新风机监测系统进一步优化方案，所述电阻r3与pnp型三极管t1的基极相连，用于限流的作用；
18.所述电阻r5与npn型三极管q1的基极相连，用于限流的作用；
19.所述电阻r6一端与电阻r5连接，另一端接地，用于下拉电阻的作用；下拉电阻将一个不确定的信号与地gnd相连，固定在低电平。
20.作为本发明提供的一种节能型新风机监测系统进一步优化方案，所述tvs二极管d2为瞬变电压消除器：所述tvs二极管d2为一种固态二极管，用于防止esd瞬态电压破坏敏感的半导体器件。与传统的齐纳二极管相比，tvs二极管d2的p/n结面积更大，这一结构上的改进使tvs二极管d2具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率。
21.作为本发明提供的一种节能型新风机监测系统进一步优化方案，所述电磁继电器k1的4脚和5脚之间有一个正向的压差，达到电磁继电器k1开关的条件，电磁继电器k1的1脚
和3脚连通；当电磁继电器k1未达到开关条件时，电磁继电器k1的1脚和2脚连通。
22.作为本发明提供的一种节能型新风机监测系统进一步优化方案，所述二极管d1用于给电磁继电器k1在开关过程中产生的尖峰电压进行限幅。常见的限幅方式有三种：分别以蓄流二极管、齐纳二极管、rc电路为核心器件搭建，本发明选用蓄流二极管来改良电磁继电器k1产生尖峰电压的幅度。
23.为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种节能型新风机监测系统的监测方法，具体包括以下步骤：
24.s101：单片机上电之后进入工作模式状态；对单片机的通用输入输出进行初始化，开启复用时钟，设置映射关系；设置外部中断的中断条件；分配中断向量控制器，并使能编写外部中断服务函数，完成外部中断初始化；根据所需目标配置传感器数据，完成传感器初始化；
25.s102：单片机上电之后，与供电控制电路连接的通用输入输出管脚由低电平转换为高电平，电源管理模块对供电控制电路进行供电；
26.s103：当电源管理模块对供电控制电路进行供电时，供电控制电路的电磁继电器电控驱动端分别与无线通信模块控制端和风速传感器输出端连接，并将所有传感器监测到的数据通过无线通信模块上传到终端设备；单片机完成数据上传后，单片机进入低功耗的停止模式，在停止模式中，电源管理模块对温湿度传感器和空气质量传感器进行供电；由于供电控制电路未打开，电源管理模块切断对风速传感器和无线通信模块进行供电。
27.s104：单片机等待外部中断；
28.s105：如果温湿度传感其或空气质量传感器监测到目标数据，将触发外部中断；如果温湿度传感器或空气质量传感器未监测到目标数据，单片机等待外部中断；
29.s106：温湿度传感器或空气质量传感器监测到目标数据，触发外部中断，外部中断唤醒单片机，单片机进入工作模式；
30.s107：配置rtc寄存器，设置闹钟时间；
31.s108：如果闹钟时间达到，闹钟中断唤醒单片机；
32.s109：闹钟中断模块定时唤醒单片机；
33.s110：单片机处于停止模式，外部中断和闹钟中断都能唤醒单片机。
34.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的一种节能型新风机监测系统及监测方法，其中单片机通常处于停止模式，以定时唤醒方式或者外部中断唤醒方式唤醒单片机监测新风机状态并完成数据上报，这有利于解决现有监测方法的非实时性的问题，单片机可通过供电控制电路的通断，实现不同的工作模式下开关电源管理模块对传感器和无线通信模块的供电，并仅在需要时才供电工作，这有利于解决用于满负荷工作状态下无线通信模块、传感器、单片机的高功耗问题；本发明提供的供电控制电路适用范围广，所需的元器件价格低，便于推广使用。
附图说明
35.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
36.图1为本发明中节能型新风机监测方法中电原理框图。
37.图2为本发明中节能型新风机监测方法流程图。
38.图3为本发明实施例的结构示意图。
39.图4为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.实施例1
42.参见图1至图4，本实施例提供的技术方案为，一种节能型新风机监测系统，由单片机、传感器、供电控制电路、电源管理模块、无线通信模块和终端设备组成；其中，电源管理模块为单片机、温湿度传感器、空气质量传感器、风速传感器、无线通信模块进行供电，传感器监测到的数据通过无线通信模块上传到终端设备；
43.在本实施例中，传感器可以将模拟信号转变为“0”或“1”高低电平的数字信号，传感器可以为以下任意一种或几种：温湿度传感器、空气质量传感器、风速传感器。
44.在本实施例中，终端设备可以为以下任意一种或几种：手机、台式电脑、笔记本电脑、平板。
45.在本实施例中，电源管理模块可以为以下任意一种或几种：纽扣电池、太阳能电池板。
46.在本实施例中，传感器的数据输出接口和无线通信模块的输入输出都与单片机的通用输入输出管脚连接。单片机、温湿度传感器、空气质量传感器与供电控制电路的电源电压vcc都与电池管理模块连接，并都由电池管理模块进行供电。
47.供电控制电路的控制输入端与单片机的通用输入输出管脚连接，而供电控制电路的控制输出端与风速传感器和无线通信模块连接，单片机可通过控制供电控制电路的通断来开启或关闭电源管理模块对风速传感器和无线通信模块的供电。
48.当单片机处于停止模式时，单片机的通用输入输出管脚gpio1输出为低电平从而关闭供电控制电路。由于供电控制电路未打开，电源管理模块不对风速传感器和无线通信模块进行供电。此时，电源管理模块正常对温湿度传感器和空气质量传感器进行供电；当环境条件变化时，温湿度传感器或空气质量传感器检测到目标数据并触发外部中断将单片机从停止模式立刻唤醒为工作模式。提前设置闹钟时间，闹钟中断模块周期性唤醒单片机进入工作模式。单片机进入工作模式后，单片机的通用输入输出管脚gpio1输出为高电平打开供电控制电路，电源管理模块对无线通信模块和风速传感器进行供电，并将所有数据从无线通信模块上传到终端设备。单片机完成上传数据步骤后，进入低功耗的停止模式，等待下一次唤醒。
49.在本实施例中，如图2所示，节能型新风机监测方法，具体包括以下步骤：
50.步骤101：单片机上电之后进入工作模式状态；对单片机的通用输入输出进行初始化，开启复用时钟，设置映射关系；设置外部中断的中断条件；分配中断向量控制器，并使能；编写外部中断服务函数，完成外部中断初始化；根据所需目标配置传感器数据，完成传感器初始化；
51.步骤102：单片机上电之后，与供电控制电路连接的通用输入输出管脚由低电平转换为高电平，电源管理模块对供电控制电路进行供电；
52.步骤103：当电源管理模块对供电控制电路进行供电时，供电控制电路里的电磁继电器电控驱动端与无线通信模块和风速传感器输出端相连接，并将所有传感器所监测到的数据通过无线通信模块上传到终端设备，单片机完成数据上传后，单片机进入低功耗的停止模式，在停止模式中，电源管理模块对温湿度传感器和空气质量传感器进行供电；由于供电控制电路未打开，电源管理模块不对风速传感器和无线通信模块进行供电。
53.步骤104：单片机等待外部中断；
54.步骤105：如果温湿度传感器监测到目标数据，将触发外部中断；如果温湿度传感器未监测到目标数据，单片机等待外部中断；
55.步骤106：温湿度传感器监测到目标数据，触发外部中断，外部中断唤醒单片机，单片机进入工作模式；
56.步骤107：配置rtc寄存器，设置闹钟时间；
57.步骤108：如果闹钟时间达到，闹钟中断唤醒单片机；
58.步骤109：闹钟中断模块可定时唤醒单片机；
59.步骤110：单片机处于停止模式，外部中断和闹钟中断都可唤醒单片机。
60.在本实施例中，单片机选用为stm32f103vet6。
61.在本实施例中，电阻r1为0ω，电阻r2为20kω，电阻r3为20kω,电阻r4为390ω,电阻r5为4.1kω,电阻r6为100kω。
62.在本实施例中，npn型三极管q1选用型号为s8050小功率的npn型三极管；pnp型三极管t1选择型号为fzt1151ata的功率型pnp型bjt去驱动电磁继电器k1。
63.在本实施例中，光电耦合器u1选用型号为pc817的光电耦合器。
64.在本实施例中，二极管d1选用型号b360bq的蓄流二极管；tvs二极管d2选用型号为smbj40ca的瞬态抑制二极管。
65.在本实施例中，外部电源由电源管理模块接入，外部电源1为5v,外部电源2为5v,外部电源3为5v。
66.在本实施例中，电阻r5的一端与单片机的通用输入输出管脚gpio1连接，另一端与npn型三极管q1的基极连接；光电耦合器由发光器和受光器组成；电阻r4的一端与外部电源1连接，另一端与光电耦合器中发光器的输入端连接；光电耦合器中发光器的另一端与npn型三极管q1的集电极连接，npn型三极管q1的发射极接地；电阻r3的一端与光电耦合器中受光器的输出端连接，另一端与pnp型三极管t1的基极连接；光电耦合器中受光器的另一端接地；电阻r1的一端与外部电源2连接，另一端与pnp型三极管t1的发射极连接；电磁继电器k1的一端与pnp型三极管t1的集电极连接，另一端接地；二极管d1和d2的负极与三极管t2的集电极连接，正极接地；
67.在本实施例中，在单片机处于工作模式时候，单片机将通用输入输出管脚gpio1设为推挽输出的高电平为3.3v，npn型三极管q1的基极与发射极达到开启电压条件，npn型三极管q1导通；npn型三极管q1集电极与光电耦合器中受光器的另一端连接，在光电耦合器输入端加电信号使发光器发光，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，受光器端的集电极和发射极导通；此时，pnp型三极管t1的基极为低电平，pnp型三
极管t1的发射极和集电极导通，电磁继电器的4脚和5脚之间有一个正向的压差，并且达到电磁继电器k1开关的条件，电磁继电器k1的1脚和3脚连通，此时传感器或无线通信模块得电。在系统进入低功耗的停止模式时候，通用输入输出管脚gpio1被下拉电路r6下拉，pnp型三极管t1和npn型三极管q1都截止，电磁继电器k1的1脚和2脚连通，传感器断电，电源管理模块不对传感器和无线通信模块通电。
68.在本实施例中，电阻r3为20kω，其作用是限流，防止电路短路；如果没有电阻r3,电阻r1为0ω，电源5v和电阻r1、三极管t1、光电耦合器u1形成短路，这将对电路本身造成损伤。
69.在本实施例中，电阻r6一端与电阻r5连接，另一端接地，起到下拉电阻的作用；下拉电阻可将一个不确定的信号与地gnd相连，固定在低电平。
70.在本实施例中，把电磁继电器k1放置在pnp型三极管t1的集电极一侧，可以很好的避免强在三极管强压侧而带来的损耗；
71.在本实施例中，二极管d1非常重要，用来给电磁继电器k1在开关过程中产生的尖峰电压进行限幅，常见的限幅方式有三种：分别以蓄流二极管、齐纳二极管、rc电路为核心器件搭建，本发明选用蓄流二极管来改良电磁继电器k1产生尖峰电压的幅度；tvs二极管d2是瞬变电压消除器：tvs是一种固态二极管，专门用于防止esd瞬态电压破坏敏感的半导体器件；
72.在本实施例中，通过光电耦合器u1来将传感器和单片机的功能管脚隔离，具有很高的输入输出绝缘性能，防止传感器的能量进入单片机的功能管脚，造成单片机的烧毁。
73.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。