功耗仅需900nA的无线停车场检测解决方案

中心议题：
    *  功耗仅需900nA的无线停车场检测解决方案

本文介绍超低功耗无线停车场检测系统方案，以EFM32TG110F32为主控MCU，MMC3282为关键检测元器件而设计，充分地发挥了EFM32TG110F32的高性能、低功耗、良好集成度的特点，同时结合MMC3282易开发、高集成以及低功耗的优势，两者都具有低功耗的优势，综合使得整个系统的功耗更低，增长系统的电池寿命，间接降低了整个系统对于电池的需求成本使得它将成为无线停车场检测方面的最佳选择。

系统框架

无线停车场检测系统的框架如图 1所示，无线停车场检测系统包括超低功耗微控制器EFM32TG110F32、地磁传感器MMC3282、2.4G低功率无线数传模块以及系统供电部分。系统通过地磁传感器检测地磁信号得到相应的数据， 然后由微控制器通过相应的算法分析处理地磁信号数据，最终通过无线数传模块与其他系统实现数据交互。整个系统可由3.6V锂电池供电；由于EFM32TG110F32的高处理性能以及各种低功耗外设，再配合超低功耗的地磁传感器MMC3282与2.4G低功率无线数传模块，整个系统极大地降低了功耗。
  
无线停车位检测装置是无线智能停车场管理的一部分，它安装在车位的特定位置，一旦有车停放，地磁传感器通过检测汽车的磁场变化来判断车辆的停放和离开，同时将采集的数据经过MCU的处理，通过RF的传输给无线节点控制器，在传输至控制终端，这样可以通过控制终端引导和分流进入停车场的车辆更加快捷寻找到空闲车位。


图 1  无线停车场检测方案框图


硬件设计
1. 主控制器电路部分
无线停车场检测系统采用EFM32TG110F32做为主控制器，该控制器采用ARM公司的32位的Cortex-M3内核，比传统的8位、16位单片机具有更高的处理性能与代码密度以及更低的功耗。EFM32TG110F32具有EM0-EM4共5种低功耗模式。在EM2的低功耗模式下，微控制器仍具有LEUART、LETIMER及LESENSE的通信或控制功能，而功耗仅需900nA。而且它具有灵活的唤醒方式和自主工作的PRS系统，可以由外部I/O、I2C通信接口、LEUART通信信号等等方式唤醒。主控制器的硬件电路设计如图2所示。


  图2  主控制器电路

地磁传感器硬件电路



2. 地磁传感器硬件电路
MMC3282是美新半导体公司推出的3轴地磁传感器，它集成了地磁信号检测与地磁信号数据处理的功能，并将最终包含14位数据位的检测结果保存在相应寄存器中，再通过I2C接口与外围设备进行数据交互；MMC3282的地磁测量精度范围为±8 高斯，可检测X、Y、Z三轴地磁信号；该传感器采用LGA（3.0×3.0×1.0mm）的超小封装，它的供电电压范围为2.5V~3.6V，是一款超低功耗地磁检测产品。

MMC3282的软硬件设计都非常简单，其中硬件电路图的设计如图3所示。
 
 图3  MMC3282硬件电路图

3. 无线通讯模块电路
无线传输模块采用华奥通的HAC-LBee/S 低功率无线数传模块，HAC-LBee/S 是一款采用802.15.4 协议栈的低功率无线数传模块。它的发射功率 为100mW（20dBm），接收灵敏度为-105dBm (BER=10-2)，HAC-LBee/S使用开放式的频段，无需申请频点，载频频率为2.4GHz，且具有高抗干扰能力和低误码率；HAC-LBee/S的空中传输速率高达250kbps，在视距情况下，可靠传输距离可达1000m。它的接收电流≤50mA，发射电流≤160mA，体积小、重量轻,采用单片射频和 MCU 集成电路，同时所需的外围电路少，可靠性高，故障率低。它的硬件电路如图4所示。

在图4中，ZXM61P03做为开关管，当PD7为高电平时，无线数传模块的供电引脚相当于断路，这样可更加有效的降低系统的功耗。

 
图4  无线传输模块电路

系统电源

 

4. 系统电源
整个系统可通过Power口外接电源对整个系统供电，也可以直接通过板上的3.6V电池对系统进行供电，电路图如图5所示。
 
图5  系统电源电路

软件设计
无线停车场检测系统的软件可分为3个部分：微控制器与无线数传模块之间的UART通讯、微控制器与地磁传感器模块之间的I2C通讯以及分析地磁数据的算法。

微控制器EFM32TG110F32的LEUART可工作在EM2低功耗模式，它使用32.768KHz的时钟，最高通讯波特率为9600baud/s；通过LEUART与DMA的相互配合，整个系统可极大地降低功耗。

地磁传感器模块采用I2C通讯接口，MMC3282的器件地址为0x6x，主控制器通过器件地址寻址到传感器后，通过操作传感器内部控制寄存器0进行数据的测量，并可从传感器内部的6个数据寄存器中读取测量的结果。在读取到了传感器采集的地磁数据后，主控制器通过相应的算法对地磁数据进行分析，并可将最终的结果通过无线数传模块发送给其他设备。

为了控制功耗，系统在没有数据传输的时候，可通过相应引脚关闭无线传输模块的电源，从而更有效的降低整个系统的功耗。

方案优势
1. 相对于传统的8位、16位单片机，EFM32TG110F32以Cortex-M3为内核，具有更强运算处理能力，使整个系统的性能得到提升；

2. EFM32TG110F32与MMC3282均具有低功耗的优势，综合使得整个系统的功耗更低，增长系统的电池寿命，间接降低了整个系统对于电池的需求成本；

3. EFM32TG110F32集成了DMA、LEUART以及I2C等低功耗功能模块，同时它的Flash可用于数据存储功能，使得整体方案的外围元件减少，降低方案成本。

总结
综述上文，以EFM32TG110F32为主控MCU，MMC3282为关键检测元器件而设计的无线停车场检测系统，充分地发挥了EFM32TG110F32的高性能、低功耗、良好集成度的特点，同时结合MMC3282易开发、高集成以及低功耗的优势，使得它将成为无线停车场检测方面的最佳选择。