摘要：有關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)曾稱現(xiàn)在的堿性電池已無汞環(huán)保，可以與生活垃圾一起丟棄。該文采用LR20堿性電池作為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測裝置的唯一電源。該裝置采用周期性工作方式，基于WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)啟動(dòng)拍攝現(xiàn)場圖片并以電子郵件的形式發(fā)出，然后睡眠。通過約兩年的實(shí)驗(yàn)表明這種裝置具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測裝置；堿性電池；定時(shí)啟動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）26-0247-02

1 概述

對于一套長期無人居住的房子，存在漏水、被盜等等擔(dān)心。如果能安裝一個(gè)攝像頭，每天拍幾張圖片或傳一些參數(shù)上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，應(yīng)該是一個(gè)不錯(cuò)的想法。當(dāng)今先進(jìn)的家用防盜報(bào)警裝置琳瑯滿目，價(jià)格實(shí)惠，性能不錯(cuò)，但許多都要用220V交流市電。長期（如數(shù)月）無人的套房環(huán)境中不斷電220V，其安全性并不會(huì)被所有人認(rèn)可。例如，如果一兩個(gè)月外出旅游，不少國人都有將冰箱斷電的習(xí)慣。因此，自然也想到采用電池給這樣的監(jiān)測裝置供電，堿性電池是候選者之一。

當(dāng)今品牌的堿性電池雖然其能量密度不是最高，大電流放電性能不是最好，但是，它有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：⑴有關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)聲稱此類電池?zé)o汞環(huán)保，可以與生活垃圾一起丟棄[1]。⑵該類電池在不少普通超市就能買到，且尺寸是標(biāo)準(zhǔn)的。不像前些年某些手機(jī)的電池，如果電池?fù)p壞了，需要找到手機(jī)生產(chǎn)商才能買到品牌的放心電池。

那么，堿性電池能不能滿足這樣的監(jiān)測裝置的用電要求呢？

2 設(shè)計(jì)思路

這里的堿性電池采用LR20，三節(jié)串聯(lián)得4.5V。監(jiān)測裝置由電源控制（主要由場效應(yīng)管組成）模塊、WIFI模塊GS1011MI、STM32F103RCT6主控單片機(jī)及攝像頭模塊PTC08組成[2]。為實(shí)現(xiàn)夜晚黑暗情況下的拍攝，攝像頭配有紅外燈。另外，單片機(jī)接有nRF24L01模塊，以備短距離無線控制用（如控制WIFI路由器的供電）。LR20電池如何與監(jiān)測裝置配合，免不了要采用有關(guān)的低功耗設(shè)計(jì)手段[2][3]。這里列出幾個(gè)主要特點(diǎn)：

（1） 周期性地定時(shí)啟動(dòng)，工作時(shí)間短，睡眠時(shí)間長。比如，一天工作4次，每次工作時(shí)間一分鐘，假定工作時(shí)平均電流150mA，100天內(nèi)工作時(shí)間總耗電只有100×150×（1/60）=250mAh，只要能努力降低睡眠時(shí)的電流，實(shí)現(xiàn)較長的工作時(shí)間是比較樂觀的。

（2） 程序流程中的主要環(huán)節(jié)盡量采用定時(shí)器控制。無論是啟動(dòng)攝像頭拍攝并獲取照片，還是網(wǎng)絡(luò)通信，一般廠商推薦的方法都是要開發(fā)者等待有關(guān)的應(yīng)答標(biāo)志的到來。比如，讀到“FF D9”時(shí)才能算一張JPEG圖片讀完了。又如，向GS1011M發(fā)出“AT”命令后需要等待對方回答“OK”才算完整。但是，每次通信不能保證百分之百成功，需要的時(shí)間一般也隨環(huán)境而變，尤其是網(wǎng)絡(luò)通信，如果很快當(dāng)然好，很慢甚至不成功的話，如果一味地等待下去，將耗費(fèi)寶貴的電池能量，也會(huì)使得電池的使用壽命無法估計(jì)。因此，對這樣的過程采用定時(shí)方式，或設(shè)定一個(gè)最大等待時(shí)間，是必需的。即使本次不成功，也要結(jié)束工作狀態(tài)進(jìn)入睡眠。一天內(nèi)本次郵件不成功，另外三次成功也還是不錯(cuò)的（假定一天拍攝四次）。

（3） 主要耗電模塊分時(shí)供電，以降低電池需要提供的最大電流。耗電主要以WIFI模塊GS1011MI和攝像頭模塊為主，尤其是攝像頭模塊開通紅外燈時(shí)。GS1011MI模塊最大電流可達(dá)250mA，攝像頭模塊帶上紅外燈時(shí)可達(dá)300mA，絕不能讓這兩個(gè)最大電流同時(shí)出現(xiàn)。特別是當(dāng)電池用過一段時(shí)間后，大電流會(huì)造成電池電壓下降過多，容易造成整個(gè)裝置不能正常工作或低電壓關(guān)機(jī)。設(shè)計(jì)中采用的方法是：先拍攝照片，然后立即關(guān)斷攝像頭模塊的電源，再打開WIFI模塊的電源。

（4） 固定長度JPEG圖片。一般來說，拍攝的JPEG圖片文件的長度跟現(xiàn)場環(huán)境有關(guān)。如果每次只傳送從文件頭部算起的固定長度的數(shù)據(jù)，很可能后面一部分?jǐn)?shù)據(jù)就丟了，遠(yuǎn)方看到的是一幅不完整圖像[2]。但是，這樣做有利于以定時(shí)方式進(jìn)行編程，并且主控單片機(jī)的片內(nèi)存儲(chǔ)器足以儲(chǔ)存。再說，不完整圖像也能反映被監(jiān)測現(xiàn)場的大部分信息。

3 郵件傳輸流程

每次主控單片機(jī)喚醒并初始化后，打開攝像頭模塊的電源，花數(shù)秒拍照并存入內(nèi)存，然后切斷該模塊電源，再打開GS1011MI的電源，連接WIFI路由器，通過郵件協(xié)議發(fā)出內(nèi)存中的圖片。一定時(shí)間后，主控單片機(jī)切斷GS1011MI的電源，自己也進(jìn)入Standby狀態(tài)，整個(gè)裝置入睡。程序用C語言編寫。其中，郵件發(fā)送過程如下：

發(fā)出命令EHLO x；

發(fā)出命令A(yù)UTH LOGIN；

用base64編碼發(fā)出username：如monitor；

用base64編碼發(fā)出password：如888888；

發(fā)出命令MAIL FROM： 如monitor@xxxxxx.com；

發(fā)出命令RCPT TO： 如monitor@xxxxxx.com；

發(fā)出命令DATA；

發(fā)出郵件數(shù)據(jù)幀（其中有的要以base64編碼發(fā)）；

以base64編碼發(fā)出郵件附件圖片文件的前n-1個(gè)等長包；

以base64編碼發(fā)出郵件附件圖片文件的最后一個(gè)小包；

發(fā)出命令endwithIMF；

發(fā)出命令QUIT。

4 結(jié)束語

圖片以郵件附件的形式發(fā)出。實(shí)驗(yàn)中一個(gè)圖片附件分15個(gè)包發(fā)出，前14個(gè)包長度均為1050個(gè)字節(jié)，最后一個(gè)小包為30個(gè)字節(jié)長。該裝置實(shí)驗(yàn)了約兩年的時(shí)間。在一次較長的實(shí)驗(yàn)中，一天四次喚醒，發(fā)四個(gè)郵件，每次喚醒時(shí)間不超過一分鐘，一組新的品牌電池使用了約10個(gè)月后（其中有兩次斷電檢查但總共不超過1天時(shí)間）仍然有不錯(cuò)的剩余電能，這組電池接著用于做其它相關(guān)實(shí)驗(yàn)，還正常使用了一段時(shí)間。經(jīng)過估計(jì)，三節(jié)新的品牌電池可以連續(xù)使用一年以上。如果一天喚醒的次數(shù)小于四次，則可以更長。在這約10個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，WIFI路由器與本裝置相距不超過10米，中間門窗不完全密封，郵件丟失總數(shù)不超過10%。

如果WIFI路由器距離較遠(yuǎn)信號(hào)較弱，為了保證郵件發(fā)送的成功率，可以采用加大WIFI模塊的發(fā)射功率等措施，但這樣會(huì)加大喚醒期間的耗電。因此，今后應(yīng)該對程序、對硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷的改進(jìn)，盡量降低整個(gè)裝置的工作電流和睡眠電流。例如，如果采用超低功耗單片機(jī)STM32L162，其Standby狀態(tài)時(shí)電流可低至1.15μA，而實(shí)驗(yàn)所用的STM32F103RC單片機(jī)Standby電流約為3.8μA。又如，如果切斷nRF24L01模塊電源，裝置睡眠電流只有9μA左右（偶爾有幾十μA），不切斷的話（上述10個(gè)月的實(shí)驗(yàn)就是如此），多次測量都有幾十μA。

參考文獻(xiàn)：

[1] http：//tv.cntv.cn/video，《走進(jìn)科學(xué)》20150722，廢舊電池?fù)Q新說.

[2] 錢光明. 一種室內(nèi)自動(dòng)拍攝圖片網(wǎng)傳方案[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2015， 11（23）：159-161.

[3] 錢光明. sleep+run周期模式下的低能耗估算[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2017， 13（26）：45-47.

[4] STM32F103VD STM32F103ZD STM32F103QD STM32F103RD Datasheet-production data， 2016， www.st.com.

[5] STM32F103xC STM32F103xD STM32F103xE Datasheet-production data， 2015， www.st.com.

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