低功耗太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器

綠尚太陽(yáng)能科技上海有限公司 李世磊

低功耗太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器

綠尚太陽(yáng)能科技上海有限公司 李世磊

基于太陽(yáng)能電池作為能量的供應(yīng)形式，采用低功耗設(shè)計(jì)的思路，紅外傳感應(yīng)器在探測(cè)到人體的活動(dòng)信號(hào)后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)編碼發(fā)射到接收設(shè)備，從而可以實(shí)現(xiàn)傳感器的靈活安裝及長(zhǎng)時(shí)間值機(jī)?？刂齐娐凡糠謩t采用PIC系列的8位單片機(jī)，可以達(dá)到程序化應(yīng)用拓展的要求。

低功耗；太陽(yáng)能；無(wú)線(xiàn)編解碼

1.引言

隨著智能家居、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，傳感器越來(lái)越成為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息輸入設(shè)備。通過(guò)在應(yīng)用場(chǎng)合中部署不同類(lèi)型的傳感器，中央控制單元才能夠采集到所需的各類(lèi)參量如溫度、濕度、壓力等對(duì)象數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的處理，而傳感器的分布范圍越廣，則控制覆蓋的范圍就越大。無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用可以則延伸傳感器探測(cè)的范圍，將監(jiān)測(cè)的信息傳送至主機(jī)設(shè)備。

但是在大規(guī)模應(yīng)用傳感器的背景下，分布眾多的傳感器的電源供給則是保證系統(tǒng)能夠正常工作的前提。特別是在常規(guī)供電線(xiàn)路不能解決的情況下，降低待機(jī)工作消耗的電流則成為了電池供電的傳感器能否正常工作的關(guān)鍵。本文所介紹的低功耗太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器就是采用太陽(yáng)能電池作為電能轉(zhuǎn)換，對(duì)內(nèi)置充電電池進(jìn)行補(bǔ)充，結(jié)合低功耗設(shè)計(jì)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外傳感器的自身供電需求，可以在復(fù)雜的安裝環(huán)境中連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作。

圖1　太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器發(fā)射端系統(tǒng)圖

2.太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器系統(tǒng)

2.1太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器系統(tǒng)組成

太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）由發(fā)射端及接收端兩部分組成，發(fā)射端包含太陽(yáng)能電池、紅外接收模塊、主控制MCU電路、編碼電路及無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、蓄電池部件，接收端包含無(wú)線(xiàn)接收模塊、解碼單元、主控制MCU、本地紅外接收模塊及蓄電池部件。主控制MCU電路負(fù)責(zé)對(duì)接收/發(fā)射的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)單元電路進(jìn)行控制協(xié)調(diào)以降低待機(jī)功耗，同時(shí)MCU還對(duì)內(nèi)置充電電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免出現(xiàn)過(guò)充及過(guò)放損壞電池，影響使用的壽命。

圖2　太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器接收端系統(tǒng)圖

2.2紅外探測(cè)單元

發(fā)射端單元用于對(duì)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的人體移動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳送至接收端，為適應(yīng)安裝地點(diǎn)的靈活性要求，必須體積小巧，感應(yīng)靈敏度高，同時(shí)待機(jī)工作電流低。紅外接收模塊采用一體化熱釋紅外傳感器，其特點(diǎn)是將人體探測(cè)敏感元與信號(hào)差分放大電路集成在電磁屏蔽罩內(nèi)，內(nèi)置15位數(shù)字AD轉(zhuǎn)換電路，與預(yù)設(shè)閥值進(jìn)行比較后輸出REL電平。與傳統(tǒng)的紅外傳感器加外置模擬放大電路相比，二階巴特沃斯帶通濾波器能夠屏蔽其他頻率信號(hào)干擾，抗射頻能力更強(qiáng)。配合菲尼爾透鏡，直線(xiàn)探測(cè)距離可達(dá)到10米以上，角度達(dá)100度。在某些應(yīng)用場(chǎng)合只需要在夜間對(duì)人體移動(dòng)進(jìn)行探測(cè)，因此增加光敏管作為環(huán)境照度的測(cè)試，在低于10Lux的時(shí)候無(wú)線(xiàn)模塊打開(kāi)進(jìn)行發(fā)送，而白天則予以關(guān)閉以節(jié)約蓄電池電能（見(jiàn)圖2）。

2.3編/解碼電路

在多個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器發(fā)射終端安裝的情況下，接收端需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，以判斷傳送信號(hào)的傳感器具體位置，因此每個(gè)終端會(huì)被賦予一個(gè)ID，在組網(wǎng)開(kāi)始時(shí)，通過(guò)與接收端間配對(duì)的方式加入接收端。信號(hào)數(shù)據(jù)幀中加入ID號(hào)以便接收端進(jìn)行解碼。

EV1527可以用于發(fā)射端的編碼地址預(yù)設(shè)，由于內(nèi)碼高達(dá)20位元，因此可以有效降低批量產(chǎn)品編碼的重復(fù)可能性。紅外傳感器只需要發(fā)送接收到的人體動(dòng)作信號(hào)，利用IC的按鍵輸入端D0～D1中的1位作為數(shù)據(jù)，編碼輸出的數(shù)據(jù)幀發(fā)送至無(wú)線(xiàn)模塊DATA端進(jìn)行發(fā)射。關(guān)于EV1527的具體信號(hào)可參考芯片的詳細(xì)資料［1］。

表1　發(fā)射端數(shù)據(jù)幀格式

解碼電路可以由接收端MCU程序完成，通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)模塊接收的RFDATA進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，獲得發(fā)送端的ID號(hào)。由于接收端MCU通常會(huì)承擔(dān)主控電路的其它任務(wù)，在多個(gè)紅外傳感器安裝在不同地點(diǎn)，不需要對(duì)具體地點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別的情況下，也可以采用專(zhuān)門(mén)的解碼IC的方法，直接輸出數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，這樣可以減輕單片機(jī)的工作負(fù)擔(dān)。

圖3　10P368解碼IC電原理圖

無(wú)線(xiàn)信號(hào)容易受到信道噪聲的干擾，通常每個(gè)發(fā)射端信號(hào)數(shù)據(jù)幀中加入同步頭，觸發(fā)一次發(fā)送多組同樣的數(shù)據(jù)幀，接收端對(duì)同步頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在同一時(shí)刻只要接收到1組則視為有效接收。

2.4無(wú)線(xiàn)發(fā)射及接收模塊

數(shù)據(jù)調(diào)制模塊采用ASK方式，中心頻率選擇在433MHz和868MHz兩種以對(duì)應(yīng)不同的國(guó)家。發(fā)射部分模塊功率10毫瓦，在開(kāi)闊地帶配合接收模塊可以達(dá)到20米距離，數(shù)據(jù)發(fā)射時(shí)電流消耗10毫安，靜態(tài)時(shí)基本不消耗，工作電壓可低至2V。

無(wú)線(xiàn)接收模塊采用SYN910R 專(zhuān)用IC，其具有外圍電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、靈敏度高的特點(diǎn)。工作電壓3.6～5.5V，接收靈敏度可達(dá)-107dBm。接收端的電源供給一般有兩種形式，當(dāng)接收端與控制對(duì)象如報(bào)警器等室內(nèi)裝置相連時(shí)，可以采用共用市電電源。但執(zhí)行端如果本身也使用太陽(yáng)能作為供電時(shí)，則需要考慮其在接收待機(jī)下的功耗。SYN910R在靜態(tài)接收時(shí)，電流達(dá)到13毫安，對(duì)于電池供電的設(shè)備是不能長(zhǎng)期工作的。SYN910R設(shè)計(jì)中加入了休眠功能，因此可以利用ShutDown功能引腳控制IC關(guān)閉射頻電路，使靜態(tài)休眠時(shí)電流低至1uA。

圖4　無(wú)線(xiàn)接收模塊電原理圖

2.5太陽(yáng)能電池及充電電池

目前普遍使用的太陽(yáng)能電池種類(lèi)主要有三種，即多晶硅（Polycrystalline）、單晶硅（Mono-crystalline）以及非晶硅薄膜電池（Amorphous Silicon），前兩者轉(zhuǎn)換效率較高，適用于陽(yáng)光充足的環(huán)境中，想比較而言非晶硅薄膜的轉(zhuǎn)換效率不高，但其成本較低，最重要的是在弱光條件下的特性?xún)?yōu)于多晶及單晶［2］。無(wú)線(xiàn)紅外傳感器發(fā)射端在處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)電流在10～20毫安，如果按照單次發(fā)射1秒鐘，每天發(fā)射1000次，24小時(shí)靜態(tài)消耗（待機(jī)電流0.5毫安計(jì)算），則每天的最大消耗不超過(guò)18毫安時(shí)，因此采用5mm*3mm面積的非晶硅薄膜電池即可以保證需要。充電電池選用10440規(guī)格的磷酸鐵鋰充電電池，額定工作電壓3.2V，考慮天氣條件不理想的情況下充電電池得不到正常充電，傳感器可連續(xù)工作5天，容量可選擇200毫安時(shí)。

接收端的偵聽(tīng)功耗全天在50毫安時(shí)，由于通常接收端與主機(jī)執(zhí)行設(shè)備配接，因此可以直接從主機(jī)取電。

3.低功耗控制策略

3.1發(fā)射頻次控制

紅外傳感器在實(shí)際使用環(huán)境中，很容易受到各種干擾源的觸發(fā)，由于發(fā)射端的主要功耗是無(wú)線(xiàn)模塊處于發(fā)射狀態(tài)下的電流消耗，因此對(duì)于動(dòng)作狀態(tài)的判斷準(zhǔn)確是保證正確發(fā)射的前提，其次由于人體活動(dòng)本身的不規(guī)律性，當(dāng)人員一直處于感應(yīng)區(qū)域時(shí)，發(fā)射的頻次的控制也是主要設(shè)計(jì)考慮的要點(diǎn)。對(duì)于前者，由于熱釋紅外傳感器本身屬于被動(dòng)式感應(yīng)，因此需要結(jié)合使用場(chǎng)合監(jiān)測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)特征來(lái)進(jìn)行判斷是否觸發(fā)發(fā)射。一體化紅外熱釋傳感器內(nèi)置有數(shù)字閥值比較，因此主控MCU可以根據(jù)REL低電平持續(xù)時(shí)間來(lái)作出判斷。對(duì)于靜止不動(dòng)的人體，傳感器無(wú)法持續(xù)輸出REL電平，如果人體在感應(yīng)區(qū)域內(nèi)保持活動(dòng)狀態(tài)，則REL電平表現(xiàn)為脈寬不規(guī)則的低電平。結(jié)合上述特征，MCU在首次檢測(cè)到REL低電平后，如果低電平持續(xù)，則判斷有人體進(jìn)入，向編碼無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)出一次發(fā)射指令。在接收端對(duì)傳送的信號(hào)處理執(zhí)行周期內(nèi)，發(fā)射模塊維持靜默，但MCU保持對(duì)紅外傳感器的狀態(tài)識(shí)別，在執(zhí)行周期內(nèi)如果REL維持低電位或者不規(guī)則低電平，則在執(zhí)行周期結(jié)束前再次發(fā)射。當(dāng)無(wú)法確定執(zhí)行時(shí)間時(shí)，可以按照約定的定時(shí)周期進(jìn)行發(fā)射。

3.2接收端休眠控制

對(duì)于電池供電的接收端，受制于太陽(yáng)能電池板的面積限制，當(dāng)需要24小時(shí)值守時(shí)，待機(jī)工作電流需要著重控制?；赟YN910R的ShutDown引腳功能可以關(guān)閉射頻，利用單片機(jī)進(jìn)行周期性的偵聽(tīng)及關(guān)閉控制，來(lái)達(dá)到降低接收端功耗的目的。圖5顯示了接收偵聽(tīng)的時(shí)序控制過(guò)程，MCU以秒為周期，發(fā)送脈寬為80毫秒的控制信號(hào)至接收無(wú)線(xiàn)模塊，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)端進(jìn)行偵聽(tīng)，如果發(fā)現(xiàn)接收到數(shù)據(jù)，則立即對(duì)ShutDown使能失效200毫秒，以接收有效數(shù)據(jù)確認(rèn)。由于在無(wú)數(shù)據(jù)接收周期中，僅80毫秒階段射頻工作，其余時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，因此整機(jī)平均工作電流降低至1～2毫安。

在白天不需要進(jìn)行感應(yīng)識(shí)別的使用環(huán)境中，可以利用模塊的光敏管信號(hào)，MCU關(guān)閉發(fā)射或者接收端，從而進(jìn)一步降低整機(jī)功耗。

圖5　偵聽(tīng)控制信號(hào)時(shí)序圖

4.主控制MCU軟件實(shí)現(xiàn)

主控MCU采用MicroChip 的8位單片機(jī)PIC12F系列，該芯片具有指令簡(jiǎn)單、I/O使用靈活及功耗低的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足基本的應(yīng)用程序編程需要，編譯環(huán)境則采用MPLAB IDE。

圖6　太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器發(fā)射端流程圖

發(fā)射主程序上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，設(shè)置輸入及輸出端口，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器、延時(shí)子程序時(shí)鐘進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，打開(kāi)充電端口、關(guān)閉發(fā)射端口。子程序包含傳感器檢測(cè)、電池保護(hù)、延時(shí)、光控檢測(cè)、發(fā)射控制部分，主程序流程圖見(jiàn)附圖6。初始化完成后，MCU對(duì)光敏管、充電電池電壓、紅外感應(yīng)器REL電平進(jìn)行輪詢(xún)，光敏管在外界環(huán)境亮度下降時(shí)，電阻阻抗增大，分壓大于預(yù)設(shè)的閥值時(shí)，MCU判斷進(jìn)入夜晚模式，開(kāi)啟傳感器探測(cè)，如果探測(cè)到紅外移動(dòng)信號(hào)，則進(jìn)行記錄，并進(jìn)行計(jì)時(shí)，REL電平達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，發(fā)出發(fā)射指令到編碼及無(wú)線(xiàn)模塊。當(dāng)繼續(xù)探測(cè)到紅外信號(hào)時(shí)，與接收端的預(yù)設(shè)動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行比較，在距離結(jié)束時(shí)間前再次發(fā)出發(fā)射指令。如果人體已經(jīng)離開(kāi)感應(yīng)區(qū)域，則不再發(fā)射。MCU保持對(duì)充電電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果達(dá)到過(guò)充保護(hù)點(diǎn)，則關(guān)閉充電MOS管回路；如果電池長(zhǎng)時(shí)間得不到補(bǔ)電而電壓下降至過(guò)放保護(hù)點(diǎn)時(shí)，發(fā)射指令停止并輸出電量警示。

接收端包含無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)、循環(huán)解碼、光控檢測(cè)、本地傳感器檢測(cè)、同步信號(hào)處理、偵聽(tīng)、電池保護(hù)及延時(shí)、初始配對(duì)子程序。MCU在初始化設(shè)置端口、A/D等參數(shù)后，進(jìn)入偵聽(tīng)，按照規(guī)定周期及脈寬輸出ShutDown信號(hào)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)端進(jìn)行探測(cè)電平，當(dāng)探測(cè)電平為高電位時(shí)則關(guān)閉ShutDown，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入循環(huán)解碼對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，拆分出同步信號(hào)與發(fā)射ID、數(shù)據(jù)，如果ID與配對(duì)存儲(chǔ)的ID相同則作相應(yīng)的輸出信號(hào)以啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。首次對(duì)發(fā)射子機(jī)與接收端聯(lián)機(jī)時(shí)，按下接收端配對(duì)按鈕，同時(shí)感應(yīng)發(fā)射端使其發(fā)出數(shù)據(jù)，接收端在接收到數(shù)據(jù)串后解析出ID并儲(chǔ)存，同時(shí)閃動(dòng)LED提示組對(duì)成功。按照上述方法可對(duì)多個(gè)發(fā)射端進(jìn)行配對(duì)設(shè)置，當(dāng)需要重新組網(wǎng)時(shí)，可以長(zhǎng)按配對(duì)按鈕進(jìn)行清除歷史存儲(chǔ)的ID（見(jiàn)圖7）。

5.實(shí)際應(yīng)用及分析

多紅外傳感器系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于家庭及公共場(chǎng)所的智能安防、照明系統(tǒng)，作為前端人體活動(dòng)信號(hào)的采集。太陽(yáng)能應(yīng)用及低功耗設(shè)計(jì)使得在具有散射光的走廊、室內(nèi)環(huán)境中傳感器也可以長(zhǎng)期工作，而無(wú)須經(jīng)常更換電池或者專(zhuān)門(mén)市電供電，本文以家庭照明舉例來(lái)說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用的情況。

圖7　太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器接收端流程圖

傳統(tǒng)的家庭用感應(yīng)燈一般用于門(mén)廳及走廊、車(chē)庫(kù)、地下室照明，對(duì)在房屋裝修未預(yù)鋪設(shè)供電線(xiàn)路的情況下，市電感應(yīng)燈明顯不方便安裝，在此方面太陽(yáng)能供電的感應(yīng)燈可以就地安裝，很好地解決了此類(lèi)矛盾。但單個(gè)紅外傳感器的感應(yīng)范圍有限，如果對(duì)于庭院或者希望多個(gè)方位人員接近時(shí)，門(mén)廳燈或者走廊燈則自動(dòng)點(diǎn)亮，則可以極大地提高用戶(hù)的體驗(yàn)效果。圖8中較好地表示了在多傳感器配合下，人員在接近、走入過(guò)程照明燈具自動(dòng)工作的情況，在此類(lèi)情況中，可以將多個(gè)傳感器及燈具進(jìn)行配組，達(dá)到不同區(qū)域不同照明的目的。

圖8　太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)紅外傳感器庭院照明應(yīng)用

接收端的輸出信號(hào)可以配接不同的需求，當(dāng)接收端模塊植入用電器如插座、市電燈具或者排風(fēng)設(shè)施，則可以配合無(wú)線(xiàn)紅外傳感器自動(dòng)工作。由于接收端具備對(duì)發(fā)射ID的解碼，因此對(duì)于智能照明控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以按照協(xié)議進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行接入，在智能系統(tǒng)平臺(tái)上直觀(guān)地顯示位置［3］?；蛘吒鶕?jù)用電設(shè)備的使用特征要求，對(duì)于不同區(qū)域的照明系統(tǒng)進(jìn)行控制，例如在學(xué)校教室等大區(qū)域照明中，可以多點(diǎn)分布紅外傳感器，中央控制單元對(duì)燈具進(jìn)行分區(qū)域控制，有人員活動(dòng)的區(qū)域照明點(diǎn)亮，而對(duì)無(wú)人的方位進(jìn)行低亮控制，在人員進(jìn)入范圍后再全亮，可以有效地實(shí)現(xiàn)公共照明的節(jié)電。

［1］周景遷，方任農(nóng).EV1527編碼芯片的應(yīng)用及其解碼方法［J］.研究與開(kāi)發(fā)，2007，26（6）：35-38.

［2］高鵬.2012的新希望——薄膜太陽(yáng)能電池發(fā)展趨勢(shì)分析與應(yīng)用展望［J］.電力技術(shù)，2010，19（2）.

［3］黃強(qiáng)，余立建.基于Zigbee的教室照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2014，25（2）：114-117.

分別在南通電子儀器廠(chǎng)（原電子工業(yè)部?jī)x器定點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)）、南通日?qǐng)?bào)社工作，2003年起參與綠尚太陽(yáng)能科技（上海）有限公司的創(chuàng)建，先后負(fù)責(zé)品質(zhì)、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造等工作，對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用電子產(chǎn)品有豐富的經(jīng)驗(yàn)，擁有雙面電極太陽(yáng)能電池SMT貼裝工藝發(fā)明專(zhuān)利、一體化太陽(yáng)能平板燈等多項(xiàng)實(shí)用新型發(fā)明專(zhuān)利。

Low Power Consumption Solar Wireless Infrared Sensor

Li Shilei
（Greenway Electronics Technology Shanghai Co.，Ltd Shanghai 201612）

Based on the using solar as energy supply and the low power consumption technique，the infrared sensor can send coded wireless signals to receiving device，customers can flexibly install these sensors in several places and keep them self-working a long time.The PIC 8-bit MCU is used in control circuit and the programmable design can achieve many purposes of different applications.

low power consumption；solar energy；wireless encoder and decoder

李世磊（1973—），男，1990年畢業(yè)于成都航空工業(yè)學(xué)校電子測(cè)量與儀器專(zhuān)業(yè)，工程師，2013年獲華東理工大學(xué)工商管理碩士學(xué)位，研究生學(xué)歷。