Интеллектуальный регистратор с КВ-связью (HFPager) и адаптивным энергоменеджментом
Автономный прибор для мониторинга CO₂, температуры, давления в трубах/камерах, напряжения и тока. Основной канал передачи – протокол HFPager в КВ-диапазоне (3–30 МГц), обеспечивающий сверхдальнюю связь с минимальным энергопотреблением. Дополнительные интерфейсы (Starlink, LTE, Wi-Fi) используются только при избытке энергии: для обновления прошивки, выгрузки логов и диагностики.
Интеллектуальный алгоритм: чем больше энергии поступает от солнечной панели, тем больше функций активируется – от редких коротких пакетов через КВ до полноценной сессии с загрузкой прошивки через Starlink.
Глубокий сон MCU (1–5 мкА), пробуждение по RTC или событию. Питание датчиков и радиомодулей управляется через PMIC с функцией "дозированного питания".
Короткие кодированные пакеты (температура, давление, CO₂) отправляются даже при минимальной энергии. IFSK модуляция через SSB тракт.
Выбраны компоненты с широким динамическим диапазоном энергопотребления и поддержкой адаптивных режимов.
Полный список с указанием производителей и ссылок на даташиты доступен в спецификации BOM (приложение).
Устройство непрерывно мониторит энергию солнечной панели, уровень заряда батареи и прогноз (по истории). На основе этого PMIC и MCU совместно решают, какие блоки питать.
Три основных режима управления питанием:
🟢 Экономичный (Low Energy) – спит MCU, питание только RTC, измерение раз в час → передача через HFPager.
🟡 Нормальный (Adaptive) – средняя частота измерений, возможно включение LTE для передачи накопленных логов.
🔴 Высокая производительность – активируются ESP32, Wi-Fi, Starlink, полная выгрузка данных и обновление прошивки.
HFPager – это основной протокол передачи данных датчиков. Использует IFSK модуляцию (Incremental Frequency Shift Keying) в любительских КВ диапазонах. Сигнал формируется программно (аудиотоны) и подается на SSB трансивер. Прием – через ADC MCU с программным декодером.
Пакеты содержат CRC, временную метку и ID устройства. Даже при облачности или низкой освещенности энергии достаточно для отправки 5–10 пакетов в сутки через КВ. Резервный прием подтверждений необязателен, но может быть реализован для повышения надежности.
Эти интерфейсы используются только при профиците энергии (солнечный день, батарея >80%). MCU через PMIC подает питание на соответствующий модуль и инициирует передачу.
Ethernet (CDC-ECM) через USB. Скорость до 100 Мбит/с. Включается раз в неделю для выгрузки полных логов и OTA-обновлений. Потребление ~15–20 Вт, поэтому строго по условию избытка энергии.
Идеален для передачи статуса, подтверждений и сжатых логов в нормальном режиме. Потребление ~100 мА (передача). Поддерживает PSM (Power Saving Mode) до 0.5 мкА в отключенном состоянии.
ESP32-C3 активируется при высоком уровне батареи для локальной отладки или подключения к ближайшей точке доступа. Используется инженерами для ручной настройки.
Устройство хранит все данные во внутренней флеш-памяти (16 МБ SPI flash + EEPROM) и при подключении через любой из каналов передает "с начала последней успешной отправки".
Подключены по I²C/SPI/1-Wire, каждый датчик имеет возможность полного отключения питания от PMIC. Измерения производятся по расписанию или внешнему прерыванию (например, резкое изменение давления).
| Параметр | Датчик | Интерфейс | Потребление в сне |
|---|---|---|---|
| CO₂, T, влажность | E+E EE895 | I²C / UART | < 1 мкА |
| Температура в трубах | DS18B20 (паразитное питание) | 1-Wire | 0 мкА (откл.) |
| Давление газа/жидкости | MPXH6250AC | Аналоговый + АЦП MCU | (активно только при измерении) |
| Напряжение системы | делитель на резисторах | АЦП MCU | < 0.1 мкА |
| Ток нагрузки | INA219 / INA3221 | I²C | 2 мкА (shutdown) |
Обработка: MCU выполняет фильтрацию медианой, сжатие (алгоритм RLE или простой дельта-кодинг) и шифрует пакет (AES-128). Только результат (до 48 байт) упаковывается в кадр HFPager.
Устройство классифицирует доступную мощность (солнце+аккумулятор) по трём уровням. Переключение между режимами происходит динамически, без перезагрузки.
Ниже приведены краткие описания схем, которые должны быть проработаны инженерами-схемотехниками и дизайнерами. Каждая схема должна содержать подробную спецификацию, номиналы и топологию.
Взаимодействие STM32U5, PMIC, датчиков, радио КВ, LTE, Starlink, накопителя данных. Обязательно показать шины I²C, SPI, UART, линии управления питанием (EN1..ENx от PMIC). Добавить защиту (TVS, предохранители).
Реализация на базе Cypress S6AE102A с внешними MOSFET, дросселем и входным фильтром от солнечной панели (макс. 50 В, 5 А). Алгоритм MPPT – с помощью датчиков тока/напряжения и встроенного в PMIC модуля.
Двухбалансный смеситель SA612A, управление частотой через I²C от MCU, усилитель мощности на транзисторе RD06HHF1. Фильтр нижних частот для подавления гармоник и балун для антенны.
Подключение EE895 по I²C, цепь 1-Wire для нескольких DS18B20 с паразитным питанием, шунт INA219 для измерения тока всей системы. Развязка питания датчиков через транзисторные ключи, управляемые PMIC.
Все принципиальные схемы, топология печатной платы и 3D-модель корпуса будут подготовлены на этапе инжиниринга. Представленная документация является техническим заданием для проектировщиков.