低功耗太陽能無線紅外傳感器

綠尚太陽能科技上海有限公司 李世磊

低功耗太陽能無線紅外傳感器

綠尚太陽能科技上海有限公司 李世磊

基于太陽能電池作為能量的供應形式，采用低功耗設計的思路，紅外傳感應器在探測到人體的活動信號后，通過無線編碼發(fā)射到接收設備，從而可以實現傳感器的靈活安裝及長時間值機。控制電路部分則采用PIC系列的8位單片機，可以達到程序化應用拓展的要求。

低功耗；太陽能；無線編解碼

1.引言

隨著智能家居、物聯網技術的發(fā)展和應用，傳感器越來越成為關鍵的數據信息輸入設備。通過在應用場合中部署不同類型的傳感器，中央控制單元才能夠采集到所需的各類參量如溫度、濕度、壓力等對象數據，進而進行相應的處理，而傳感器的分布范圍越廣，則控制覆蓋的范圍就越大。無線技術的應用可以則延伸傳感器探測的范圍，將監(jiān)測的信息傳送至主機設備。

但是在大規(guī)模應用傳感器的背景下，分布眾多的傳感器的電源供給則是保證系統能夠正常工作的前提。特別是在常規(guī)供電線路不能解決的情況下，降低待機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鍵。本文所介紹的低功耗太陽能無線紅外傳感器就是采用太陽能電池作為電能轉換，對內置充電電池進行補充，結合低功耗設計的技術來實現紅外傳感器的自身供電需求，可以在復雜的安裝環(huán)境中連續(xù)長時間工作。

圖1　太陽能無線紅外傳感器發(fā)射端系統圖

2.太陽能無線紅外傳感器系統

2.1太陽能無線紅外傳感器系統組成

太陽能無線紅外傳感器系統（見圖1）由發(fā)射端及接收端兩部分組成，發(fā)射端包含太陽能電池、紅外接收模塊、主控制MCU電路、編碼電路及無線發(fā)射模塊、蓄電池部件，接收端包含無線接收模塊、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電路負責對接收/發(fā)射的時序信號進行處理，對單元電路進行控制協調以降低待機功耗，同時MCU還對內置充電電池電壓進行監(jiān)測，避免出現過充及過放損壞電池，影響使用的壽命。

圖2　太陽能無線紅外傳感器接收端系統圖

2.2紅外探測單元

發(fā)射端單元用于對監(jiān)測地點的人體移動信號進行采集，并通過無線信號傳送至接收端，為適應安裝地點的靈活性要求，必須體積小巧，感應靈敏度高，同時待機工作電流低。紅外接收模塊采用一體化熱釋紅外傳感器，其特點是將人體探測敏感元與信號差分放大電路集成在電磁屏蔽罩內，內置15位數字AD轉換電路，與預設閥值進行比較后輸出REL電平。與傳統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干擾，抗射頻能力更強。配合菲尼爾透鏡，直線探測距離可達到10米以上，角度達100度。在某些應用場合只需要在夜間對人體移動進行探測，因此增加光敏管作為環(huán)境照度的測試，在低于10Lux的時候無線模塊打開進行發(fā)送，而白天則予以關閉以節(jié)約蓄電池電能（見圖2）。

2.3編/解碼電路

在多個無線傳感器發(fā)射終端安裝的情況下，接收端需要對接收信號進行識別，以判斷傳送信號的傳感器具體位置，因此每個終端會被賦予一個ID，在組網開始時，通過與接收端間配對的方式加入接收端。信號數據幀中加入ID號以便接收端進行解碼。

EV1527可以用于發(fā)射端的編碼地址預設，由于內碼高達20位元，因此可以有效降低批量產品編碼的重復可能性。紅外傳感器只需要發(fā)送接收到的人體動作信號，利用IC的按鍵輸入端D0～D1中的1位作為數據，編碼輸出的數據幀發(fā)送至無線模塊DATA端進行發(fā)射。關于EV1527的具體信號可參考芯片的詳細資料［1］。

表1　發(fā)射端數據幀格式

解碼電路可以由接收端MCU程序完成，通過對無線模塊接收的RFDATA進行數據解析，獲得發(fā)送端的ID號。由于接收端MCU通常會承擔主控電路的其它任務，在多個紅外傳感器安裝在不同地點，不需要對具體地點進行識別的情況下，也可以采用專門的解碼IC的方法，直接輸出數據信號進行處理，這樣可以減輕單片機的工作負擔。

圖3　10P368解碼IC電原理圖

無線信號容易受到信道噪聲的干擾，通常每個發(fā)射端信號數據幀中加入同步頭，觸發(fā)一次發(fā)送多組同樣的數據幀，接收端對同步頭進行監(jiān)測，在同一時刻只要接收到1組則視為有效接收。

2.4無線發(fā)射及接收模塊

數據調制模塊采用ASK方式，中心頻率選擇在433MHz和868MHz兩種以對應不同的國家。發(fā)射部分模塊功率10毫瓦，在開闊地帶配合接收模塊可以達到20米距離，數據發(fā)射時電流消耗10毫安，靜態(tài)時基本不消耗，工作電壓可低至2V。

無線接收模塊采用SYN910R 專用IC，其具有外圍電路簡單、性能穩(wěn)定、靈敏度高的特點。工作電壓3.6～5.5V，接收靈敏度可達-107dBm。接收端的電源供給一般有兩種形式，當接收端與控制對象如報警器等室內裝置相連時，可以采用共用市電電源。但執(zhí)行端如果本身也使用太陽能作為供電時，則需要考慮其在接收待機下的功耗。SYN910R在靜態(tài)接收時，電流達到13毫安，對于電池供電的設備是不能長期工作的。SYN910R設計中加入了休眠功能，因此可以利用ShutDown功能引腳控制IC關閉射頻電路，使靜態(tài)休眠時電流低至1uA。

圖4　無線接收模塊電原理圖

2.5太陽能電池及充電電池

目前普遍使用的太陽能電池種類主要有三種，即多晶硅（Polycrystalline）、單晶硅（Mono-crystalline）以及非晶硅薄膜電池（Amorphous Silicon），前兩者轉換效率較高，適用于陽光充足的環(huán)境中，想比較而言非晶硅薄膜的轉換效率不高，但其成本較低，最重要的是在弱光條件下的特性優(yōu)于多晶及單晶［2］。無線紅外傳感器發(fā)射端在處于發(fā)射狀態(tài)時電流在10～20毫安，如果按照單次發(fā)射1秒鐘，每天發(fā)射1000次，24小時靜態(tài)消耗（待機電流0.5毫安計算），則每天的最大消耗不超過18毫安時，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。

接收端的偵聽功耗全天在50毫安時，由于通常接收端與主機執(zhí)行設備配接，因此可以直接從主機取電。

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線模塊處于發(fā)射狀態(tài)下的電流消耗，因此對于動作狀態(tài)的判斷準確是保證正確發(fā)射的前提，其次由于人體活動本身的不規(guī)律性，當人員一直處于感應區(qū)域時，發(fā)射的頻次的控制也是主要設計考慮的要點。對于前者，由于熱釋紅外傳感器本身屬于被動式感應，因此需要結合使用場合監(jiān)測對象的運動特征來進行判斷是否觸發(fā)發(fā)射。一體化紅外熱釋傳感器內置有數字閥值比較，因此主控MCU可以根據REL低電平持續(xù)時間來作出判斷。對于靜止不動的人體，傳感器無法持續(xù)輸出REL電平，如果人體在感應區(qū)域內保持活動狀態(tài)，則REL電平表現為脈寬不規(guī)則的低電平。結合上述特征，MCU在首次檢測到REL低電平后，如果低電平持續(xù)，則判斷有人體進入，向編碼無線模塊發(fā)出一次發(fā)射指令。在接收端對傳送的信號處理執(zhí)行周期內，發(fā)射模塊維持靜默，但MCU保持對紅外傳感器的狀態(tài)識別，在執(zhí)行周期內如果REL維持低電位或者不規(guī)則低電平，則在執(zhí)行周期結束前再次發(fā)射。當無法確定執(zhí)行時間時，可以按照約定的定時周期進行發(fā)射。

3.2接收端休眠控制

對于電池供電的接收端，受制于太陽能電池板的面積限制，當需要24小時值守時，待機工作電流需要著重控制。基于SYN910R的ShutDown引腳功能可以關閉射頻，利用單片機進行周期性的偵聽及關閉控制，來達到降低接收端功耗的目的。圖5顯示了接收偵聽的時序控制過程，MCU以秒為周期，發(fā)送脈寬為80毫秒的控制信號至接收無線模塊，同時對數據信號端進行偵聽，如果發(fā)現接收到數據，則立即對ShutDown使能失效200毫秒，以接收有效數據確認。由于在無數據接收周期中，僅80毫秒階段射頻工作，其余時間處于關閉狀態(tài)，因此整機平均工作電流降低至1～2毫安。

在白天不需要進行感應識別的使用環(huán)境中，可以利用模塊的光敏管信號，MCU關閉發(fā)射或者接收端，從而進一步降低整機功耗。

圖5　偵聽控制信號時序圖

4.主控制MCU軟件實現

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

圖6　太陽能無線紅外傳感器發(fā)射端流程圖

發(fā)射主程序上電后首先進行系統初始化，設置輸入及輸出端口，對A/D轉換器、延時子程序時鐘進行參數設定，打開充電端口、關閉發(fā)射端口。子程序包含傳感器檢測、電池保護、延時、光控檢測、發(fā)射控制部分，主程序流程圖見附圖6。初始化完成后，MCU對光敏管、充電電池電壓、紅外感應器REL電平進行輪詢，光敏管在外界環(huán)境亮度下降時，電阻阻抗增大，分壓大于預設的閥值時，MCU判斷進入夜晚模式，開啟傳感器探測，如果探測到紅外移動信號，則進行記錄，并進行計時，REL電平達到預設時間時，發(fā)出發(fā)射指令到編碼及無線模塊。當繼續(xù)探測到紅外信號時，與接收端的預設動作時間進行比較，在距離結束時間前再次發(fā)出發(fā)射指令。如果人體已經離開感應區(qū)域，則不再發(fā)射。MCU保持對充電電池電壓進行監(jiān)測，如果達到過充保護點，則關閉充電MOS管回路；如果電池長時間得不到補電而電壓下降至過放保護點時，發(fā)射指令停止并輸出電量警示。

接收端包含無線數據檢測、循環(huán)解碼、光控檢測、本地傳感器檢測、同步信號處理、偵聽、電池保護及延時、初始配對子程序。MCU在初始化設置端口、A/D等參數后，進入偵聽，按照規(guī)定周期及脈寬輸出ShutDown信號，同時對數據端進行探測電平，當探測電平為高電位時則關閉ShutDown，繼續(xù)接收數據，轉入循環(huán)解碼對接收的數據包進行解析，拆分出同步信號與發(fā)射ID、數據，如果ID與配對存儲的ID相同則作相應的輸出信號以啟動執(zhí)行機構動作。首次對發(fā)射子機與接收端聯機時，按下接收端配對按鈕，同時感應發(fā)射端使其發(fā)出數據，接收端在接收到數據串后解析出ID并儲存，同時閃動LED提示組對成功。按照上述方法可對多個發(fā)射端進行配對設置，當需要重新組網時，可以長按配對按鈕進行清除歷史存儲的ID（見圖7）。

5.實際應用及分析

多紅外傳感器系統可以廣泛應用于家庭及公共場所的智能安防、照明系統，作為前端人體活動信號的采集。太陽能應用及低功耗設計使得在具有散射光的走廊、室內環(huán)境中傳感器也可以長期工作，而無須經常更換電池或者專門市電供電，本文以家庭照明舉例來說明實際應用的情況。

圖7　太陽能無線紅外傳感器接收端流程圖

傳統的家庭用感應燈一般用于門廳及走廊、車庫、地下室照明，對在房屋裝修未預鋪設供電線路的情況下，市電感應燈明顯不方便安裝，在此方面太陽能供電的感應燈可以就地安裝，很好地解決了此類矛盾。但單個紅外傳感器的感應范圍有限，如果對于庭院或者希望多個方位人員接近時，門廳燈或者走廊燈則自動點亮，則可以極大地提高用戶的體驗效果。圖8中較好地表示了在多傳感器配合下，人員在接近、走入過程照明燈具自動工作的情況，在此類情況中，可以將多個傳感器及燈具進行配組，達到不同區(qū)域不同照明的目的。

圖8　太陽能無線紅外傳感器庭院照明應用

接收端的輸出信號可以配接不同的需求，當接收端模塊植入用電器如插座、市電燈具或者排風設施，則可以配合無線紅外傳感器自動工作。由于接收端具備對發(fā)射ID的解碼，因此對于智能照明控制系統來說，可以按照協議進行二次開發(fā)進行接入，在智能系統平臺上直觀地顯示位置［3］。或者根據用電設備的使用特征要求，對于不同區(qū)域的照明系統進行控制，例如在學校教室等大區(qū)域照明中，可以多點分布紅外傳感器，中央控制單元對燈具進行分區(qū)域控制，有人員活動的區(qū)域照明點亮，而對無人的方位進行低亮控制，在人員進入范圍后再全亮，可以有效地實現公共照明的節(jié)電。

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

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

［3］黃強，余立建.基于Zigbee的教室照明監(jiān)控系統設計［J］.照明工程學報，2014，25（2）：114-117.

分別在南通電子儀器廠（原電子工業(yè)部儀器定點生產企業(yè)）、南通日報社工作，2003年起參與綠尚太陽能科技（上海）有限公司的創(chuàng)建，先后負責品質、產品研發(fā)、生產制造等工作，對太陽能應用電子產品有豐富的經驗，擁有雙面電極太陽能電池SMT貼裝工藝發(fā)明專利、一體化太陽能平板燈等多項實用新型發(fā)明專利。

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)學校電子測量與儀器專業(yè)，工程師，2013年獲華東理工大學工商管理碩士學位，研究生學歷。