DOI:10.19551/jki.issn1672-9129.2021.03.068
低功耗压力采集系统设计
秦允振(上海控宇自动化仪表有限公司㊀201107)
摘要：本文介绍了一款采用电池供电的低功耗压力采集设备㊂文章从硬件设计和软件设计分别进行产品介绍㊂硬件设计介绍了，根据产品需求选择硬件主控芯片设计低功耗的硬件电路，低功耗芯片选择STM32L151㊂软件介绍了，使用芯片低功耗控制单元实现休眠模式下保持通讯模块运行㊂软件设计对硬件模块电路控制流程的优化，进程调度中控制硬件模块保持休眠或唤醒㊂使用实时操作系统控制业务流程，在读取压力数据时如何采集压力使功耗电流才能更小㊂用最短时间完成上传数据到服务器的任务，完成任务关闭外设电路使系统进入休眠状态㊂本方案是在硬件和软件配合下完成低功耗压力采集㊂关键词：实时操作系统;STM32L151；休眠模式；进程调度 中图分类号:TH812㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2021)03-0067-02
㊀㊀1㊀引言
在日常生活中每个家庭都用到燃气，燃气通过管道输送时，安全是不可忽略的一部分㊂需要一台设备对燃气管道的压力实时跟踪检测，对检查的压力情况及时上报到后台服务器或向后台服务器发送报警事件微波电视天线
㊂因为，根据国家规定燃气管道附近不能有电线，电线需要和管道留一个安全距离，所以燃气管道的压力检测设备是不能用电线供电的，这样只能用电池供电㊂电池供电设备需要尽量节省功耗㊂综合上述条件，低功耗压力采集设备在燃气运输中不可缺少的㊂根据产品现实应用场景，查市场低功耗产品分析学习，最终选择高性能超低功耗ARM处理器STM32L151，这款处理器专门用于超低功耗设备，提供了5种时钟源用于在各种功耗模式切换[5]㊂通讯模块选用4G通讯模块(EC20)，这款通讯模块市场使用比较多相对比较稳定㊂软件操作系统选择比较精简的实时操作系统FreeRTOS[1]，此操作系统代码容易修改维护，进程控制方便㊂有利于优化软件代码流程，做到及时响应事件，快速的完成数据采集和保存，数据上传到服务器㊂使设备用最短时间处理完任务，进入休眠状态做到低功耗㊂
2㊀原理与设计
2.1硬件设计㊂在电子产品上，硬件设计是基础㊂对于低功耗硬件设计需要更多注意电源电路模块设计，做到每
量数据下，人脸识别方法的训练，提升识别率，人脸算法的性能和人脸数据库总量成反比㊂ 所以人脸识别技术提高的关键在于对外界影响因素的调整能力，只有不断的改善，才能适应外界因素的影响㊂
4㊀人脸识别技术在微卡口监控中的应用
微卡口是智慧公安建设的一部分，也是智慧型社区防范保障体系的一部分，主要包括小区出入口㊁医院出入口㊁银行出入口㊁校园出入口等区域，监控内容主要包括人脸识别㊁车牌识别㊁实时监控录像等㊂前端人脸识别摄像机具有深度学习算法，机器自身提取目标特征，可形成深层可供学习的人脸图像，支持人脸跟踪，多帧识别，自动筛选，减少重复抓拍，支持人脸瞳距20像素以上的人脸检测；后端采用超脑一体机，集IPC接入㊁存储㊁控制㊁智能分析于一体，实现精准人脸㊁人体㊁车辆识别分析，最终输出结构化数据加人脸图片㊂当前微卡口监控人脸识别技术应用最主要实现的功能是以人搜人以及1:N人脸比对㊂以人搜人主要是在本地或检索记录中上传一张人脸识别照片，进行人体以图搜图，检索结果按相似度高低进行排序；人脸比对主要是根据实时人脸分析结果，与50万在逃库及库进行结构化1:N模式进行人脸比对，达到或超过预设阈值的，进行报警联动，同时在控制中心或前端支持报警展现㊂
人脸识别监控主要由前端人脸识别摄像机㊁传输设备㊁存储设备㊁人脸检测㊁识别㊁跟踪㊁比对等处理分析模块组成；具体工作流程为人脸识别摄像机输出人脸抓拍图片至超脑进行结构化处理，与数据库内人脸布控数据进行智能分析比对，出现警情后进行数据上传，并在显示终端展现报警的动态人脸图片；在这个过程中，人脸识别是核心，主要包括图像摄录㊁人脸检测㊁人脸定位㊁人脸识别㊁人脸结构化处理㊁人脸分析比对等几个过程㊂
人脸识别技术极大提高了视频监控的清晰度和辨别度，这对人脸的识别和排查有着巨大帮助㊂在公安
人员进行办案的过程中，人脸识别技术无疑节省了大量的人力和物力，技术人员无须从海量的数据库中一一对比，通过人脸识别技术即可立即分析出人物特征㊂这对我国的社会安全发展起到了很大的促进作用㊂在视频监控的动态视频中，技术人员研发了每一帧画面中提取出人类的面部特征的技术，从提取的人脸信息与数据库中的信息进行对比可以达到事半功倍的效果㊂
5㊀人脸识别发展趋势
随着生物特征识别技术发展，近几年人脸识别技术也进入爆发模式，尤其商业应用价值越来越高，市场行业应用越来越广泛㊂
人脸识别技术是未来安防行业的重大支撑，从安防行业前端设备来说，近年科技人员研究出一种红外线人脸识别技术，通过红外线人脸识别技术，不管是在哪种光线条件下都能提取到比较清晰的面部图像㊂红外线人脸识别技术是传统人脸识别技术的一个实质性突破，在未来的几年中有望大幅应用到人脸识别智能监控系统㊂
从算法上来看，当前3D立体人脸识别算法已经对2D 算法缺陷做了补充，对于人脸旋转㊁遮挡㊁相似度等难点，也有一定的应对措施；通过与大数据的结合，深度学习量的扩大，进一步提升了人脸识别的精确度㊂比如通过人脸识别技术使得公安历史照片数据再度存储利用，形成人脸大数据库，能够大大提升公安信息化的管理和统筹，以及历史案件的破获率㊂
当前，人脸识别也有自身的使用范围和局限性，为此基于人脸识别的多生物特征融合识别模式将是未来高精度识别系统的首要选择，也是未来身份鉴别领域的发展趋势㊂人脸识别可视化程度高，可以作为基本配置，包括融合指纹㊁掌纹㊁虹膜㊁视网膜㊁声纹㊁手血管㊁步态等方式的深度融合㊂人脸识别与第三方认证的结合也将成为人脸识别发展的重大趋势，第三方认证最常见的有RFID智能卡㊁USB加密秘钥等方式㊂RFID卡也可以实现无感识别，只需授权并与人脸绑定即可实现安全管理和认证;USB加密秘钥一般是重要终端登录的安全验证方式㊂
6㊀结束语
胃电图仪总的来说，人脸识别技术是近几年来一项新兴技术，虽然起步的时间较晚，但智能监控中的人脸识别系统已经取得了广泛的应用，并得到了市场的认可，也进入到我们生活的方方面面㊂未来将是人脸识别为主的多生物态组合㊁多模式融合的发展趋势，先进的人脸识别系统为我们的生活带来极大的便利的同时，也会越来越安全，让我们生活的环境越来越安全，让生活更美好㊂
参考文献:
[1]柳莲花，邹香玲.探究智能视频监控系统中人脸检
测与识别技术的应用和相关问题[J].中国安防技术,2018 (21):25.
[2]李建勇，周祥彬.探究人脸识别技术在智能视频监控系统中的应用与改进措施[J].中国安防,2019(4):50.
静态破碎剂㊃76㊃母鸡接鸡蛋
个元器件没有多余的耗电电流㊂为了使硬件没有多余电流,
硬件设计上对每个硬件模块添加了电源控制电路，使软件通过GPIO[2]可以控制硬件模块上电工作情况㊂即在系统进入休眠时，软件控制MCU休眠前，通过GPIO先对外设硬件电
路下电㊂这样确保系统休眠后，外设硬件处于掉电状态㊂硬
件控制电路的主要设计如下:
(1)低功耗控制电路设计㊂本设计低功耗硬件电路，根据低功耗MCU[2](STM32L151[4,5])低功耗属性针对控制引脚合理分配㊂主要思路是对外部设备(如4G通讯模块)，添加了电源控制电路，用于在不传输数据的时候把4G模块断电，对于LCD显示模块去掉了背光显示电路㊂对于需要休眠时运行的外部电路，配置到可以在低功耗休眠时也能工作的GPIO上，如休眠抓log端口可以配置成低功耗usart㊂(2)通讯电路设计㊂通讯电路是功耗比较大模块㊂在设计低功耗电路时，经过反复改版才完成对通讯模块降低功耗，最终满足的产品的需求㊂通讯模块降低功耗是技术难点，因为通讯电路主要是无线通讯4G电
路[5],4G模块电路就涉及到射频电路[6]，射频的发射与接收是非常耗电的㊂而且数据发送接收对信号要求比较高，如果设计不好信号会影响比较大㊂信号不好传输数据的时候耗时会比较大，或者传输数据连接不到服务器，导致数据需要重新上传，这样更增加了功耗㊂为了降低功耗4G通讯模块采用MCU的低功耗UART[3]进行通讯，这样在MCU低功耗状态也能保持数据传输㊂
2.2软件设计㊂软件设计采用分任务控制方法，分别创建三个进程：休眠任务进程;UI刷新进程；数据上传4G 进程㊂
(1)功耗控制方法㊂软件控制功耗的思路是在设备运行时尽量使任务都处于休眠状态㊂任务处于休眠就是把任务唤醒时间缩短，即对每个任务处理数据时做优化㊂对于压力读取，模块发送数据等高功耗操作，系统会退出低功耗模式，进入高速运行模式，使工作尽快处理完毕㊂如果处理进程需要等待某个事件或延迟等待，任务会自动进入休眠，等待事件到后，自动唤醒任务继续处理㊂
(2)压力采集㊂压力采集使用PM100-L数字压力传感器㊂这种传感器具有定时自动捕获压力的功能，并且在待机时功耗在1uA㊂软件通过IIC总线读取压力，因为IIC是高频时钟总线所以读取压力数据时，系统必须退出休眠状态，这样会增加功耗㊂为了避免功耗增加功耗，读取压力的操作并没有单独放入定时器中断进行，而是放在UI刷新进程里执行压力读取㊂这样设计有助减少系统唤醒次数，从而降低功耗的作用㊂
(3)数据上传㊂压力数据上传使用4G通讯模块发送数据时的功耗比较大，所以对4G模块的操作做了单独优化处理㊂首先，在数据不上传时模块要处于断电关机状态使功耗最小㊂其次，每数据传输时对于传输的数据流程进行优化㊂在4G模块在初始化时，需要等待一段时间，这段时间的功耗比较大，而且模块处于初始化状态，程序不能对其操作，所以程序对这段流程做了优化㊂在模块开机后，保持模块供电，然后系统进入休眠㊂等待10秒后模块准备就绪后，系统退出休眠模式，进行上传数据，这样做到细节上降低功耗㊂3㊀实验及数据分析
通过上述硬件和软件配合设计，再根据产品需求定义，最终选定设备的处理流程为：每2秒唤醒一次系统，在系统唤醒时，做读取压力值，刷新系统时间，检测上报数据等操作㊂
设备以这个处理流程，用3.3V电池供电㊂在供电总电路上串联一个60Ω电阻，用示波器在电阻两端测量电压变
化㊂得出如下波形图铍铜
:
通过测量得出图2，图3，图2得出系统2秒唤醒一次,
www.hgnc每次唤醒很短时间系统恢复休眠㊂图3得出每次唤醒时间
大概是25ms，唤醒后60Ω电阻电压约等于330mv㊂根据欧
姆定律，得出电流:I=U/R=330mv/60Ω=5.5mA 即得出在系统唤醒工作时，电流约为5.5mA㊂
得出系统工作的平均电流:i=5.5mA/(2000ms/ 25ms)=68uA
即出系统的平均工作电流68uA㊂
验证压力数据上传的时间在如下日志中㊂日志是包含了4G模块的信息，从StartReport开始代表4G模块开始上电㊂然后等待大约8秒以后，模块上电完成回复了(RDY OK[7])代表就绪㊂下面是模块SIM卡(CPIN:READY OK[7])和移动网络用了两秒时间㊂到移动网络后，软件开始连接后台服务器,(+QIOPEN:1,0[7])代表设备和后台服务器连接建立完成了㊂到最后发送数据完成总共耗时13秒㊂因为模块上电时间固定是8秒，这个耗时是模块从断电到上电必须的，系统在此时间进行休眠等待㊂数据实际上传数据时间是5秒，这个时间满足产品需求上传数据后快速进入休眠状态㊂
4㊀结论
本系统设计利用了模块化设计理论，用软件对硬件电路分模块进行管理，对产品功耗实现了有效控制㊂软件通过控制MCU的各种工作模式相互切换，使MCU工作在低功耗㊂软件控制开关电路实现对硬件模块使用时进行供电，不用时断电㊂在进程调度上做细节优化，做到各个功能操作并行处理，完成了尽量少占用MCU资源，使整体设备功耗更低㊂当然对于功耗设计本产品还是有不足的地方，后续可以对于压力采集算法进行待优化比如采用DMA直传的形式㊂另外对于通讯模块选型，可以查选择一个低功耗的通讯模块㊂最后希望在追求低功耗设备产品设计上，本文的设计思路和方法可以供相关产品借鉴参考㊂
参考文献:
[1]刘火良㊁杨森,FreeRTOS内核实现与应用开发实战
指南：基于STM32[M]，北京：机械工业出版社,2019. [2]王永虹㊁徐炜㊁郝立平,STM32系列ARM Cortex-M3
微控制器原理与实践[M]，北京航空航天大学出版社,2008.
[3]张健㊁刘永民，嵌入式系统低功耗电路设计[J]，光
电技术应用,2005,20(6):1.
[4]STMicroelectronics,‘RM0038_STM32L100xx, STM32L151xx,STM32L152xx和STM32L162xx单片机参考手册“[S],www.stmcu.
[5]STMicroelectronics,‘DS8928_STM32L162VC, STM32L162RC单片机的数据手册“[S],www.stmcu. com.
[6]Quectel,‘Quectel-EC20-R2.0-硬件设计手册-V1.2“[S],www.quectel/cn.
[7]Quectel,‘Quectel_EC20_R2.0_AT_Commands_Manu-al_V1.1“[S],www.quectel/cn.
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