周健

（福建廣播電視大學，福建福州，350003）

基于MSP430單片機的低功耗智能入侵探測器設(shè)計

周健

（福建廣播電視大學，福建福州，350003）

設(shè)計了一種智能型被動紅外入侵探測器袁其采用超低功耗MSP430單片機袁自動定期采集紅外傳感器數(shù)據(jù)并結(jié)合智能入侵檢測算法袁完成入侵報警功能。硬件設(shè)計使用低成本堯小功耗LM324運算放大器袁結(jié)合根據(jù)MSP430節(jié)電模式設(shè)計的軟件算法袁共同實現(xiàn)探測器低功耗入侵檢測功能。相對傳統(tǒng)被動紅外入侵探測器具有超低功耗堯誤報率低堯性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

智能入侵探測器曰紅外傳感器曰抗干擾曰MSP430F149曰低功耗

一、前言

近年來使用入侵探測器防盜報警已越來越受人們青睞，其中被動紅外探測技術(shù)得到了很好的應(yīng)用。[1]目前市場上的紅外入侵探測器按工作方式分主要有主動型和被動型兩種。主動型探測器工作期間要向防范區(qū)域不斷地發(fā)出能量，誤報率低但耗能較高；而被動型探測器由于本身不向外界發(fā)射任何能量，而是由紅外傳感器直接探測來自移動目標的紅外輻射，因此耗能低，可以長期使用，但是存在誤報率高的問題，難以滿足人們的需求。為解決誤報率高的問題，嘗試設(shè)計一種智能入侵探測器，在減少誤報率的同時進一步降低能耗，主要用于建筑物的入侵探測。方案采用TI公司的MSP430F149超低功耗單片機作為主控芯片，利用芯片自帶的ADC模塊定期采集紅外傳感器電壓變化信號，結(jié)合智能入侵探測算法對入侵行為進行判定。相對普通被動入侵探測器在增加成本不多的情況下，有效地降低功耗、減少誤報，提高了系統(tǒng)的可靠性。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

為方便系統(tǒng)室外安裝，且不受停電影響，采用干電池供電為主并提供外部電源接口的方案。采用干電池供電方案時不用單獨布置電源線，系統(tǒng)可以就近安裝，不受有無交流電源影響。為進一步提高系統(tǒng)可靠性，加入低電壓檢測電路，提醒用戶及時更換電池。當用戶使用外部電源接口供電時，干電池則作為備用電源供停電時使用。同時，為有效節(jié)約能源，減少系統(tǒng)耗電量，系統(tǒng)采用多種措施進行節(jié)能設(shè)計。

(一)MSP430F139單片機控制邏輯及IO口分配

入侵探測器主控芯片選用MSP430F139單片機，它是美國TI公司推出的一種16位超低功耗混合信號處理器，可使用電池長時間工作。1996年問世以來，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。[2]

探測器布防后，單片機平時處于休眠狀態(tài)以降低功耗。主控芯片MSP430F149定期喚醒紅外傳感器進行入侵探測，為避免誤報警系統(tǒng)檢測到入侵行為后先產(chǎn)生一個預報警中斷；然后，由中斷調(diào)用紅外傳感器進行連續(xù)采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)輸入主控芯片；最后，主控芯片計算設(shè)定周期內(nèi)的采樣均值和方差，根據(jù)其大小智能判斷是否為入侵行為。當判斷產(chǎn)生入侵行為后，主控芯片驅(qū)動報警輸出報警聲音；否則，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)重新進入下一次布防。為保證探測器工作可靠，設(shè)計中加入了電池檢測電路，定期檢測電池電壓變化，一旦電池電壓過低就產(chǎn)生低電壓報警提醒更換電池，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。智能入侵探測器系統(tǒng)框圖如圖1所示：P1.3用于A/D轉(zhuǎn)換輸入，P1.4用于接收預報警中斷，P2.1用于喚醒信號輸出，P2.2用于接收電池電壓信號，P2.6用于報警輸出。

圖1 智能入侵探測器系統(tǒng)框圖

(二)紅外傳感器選型

根據(jù)設(shè)計要求，主要是針對運動的人體報警。人體有恒定的體溫，與周圍環(huán)境溫度存在差別，發(fā)出的紅外線波長約為9.6um。[3]當人體移動時，這種差別的變化通過菲涅爾透鏡被熱釋電傳感器檢測到，從而輸出報警信號。

人步行活動時的頻率為0.1Hz～10Hz，故紅外傳感器選擇雙元熱釋電紅外傳感器RE200B，其反應(yīng)頻率0.3Hz～3Hz，內(nèi)裝有兩個對偶的紅外傳感器，對人體移動產(chǎn)生的信號敏感，能有效抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，[3，4]配合菲涅爾透鏡，進一步提高了傳感器的靈敏度。

(三)傳感器放大電路設(shè)計

由于傳感器輸出的信號非常微弱，容易受到熱噪聲的干擾，甚至有效信號被淹沒在熱噪聲中，因此既要對有效信號進行放大，又要在放大有效信號的同時不把無用的熱噪聲放大。與此同時，要從多種噪聲干擾中提取有用的微弱信號，要求放大電路應(yīng)具有低噪聲、高增益、低頻特性好、抗干擾能力強等特點。

傳感器放大電路由實現(xiàn)信號放大功能的前置濾波放大電路和實現(xiàn)預報警信號輸出功能的雙限電壓比較器兩部分組成。前置濾波放大電路設(shè)計為由帶通濾波、兩級高增益放大電路構(gòu)成。電路中串入低通濾波電路，以限制噪聲帶寬；兩級高增益放大電路為系統(tǒng)提供了更大的信號放大倍率；為減小熱噪聲帶來的影響，熱釋電傳感器和前置放大電路之間的物理距離設(shè)計為盡可能短。同時，為了產(chǎn)生一個預報警輸出信號，在電路中設(shè)計了一個雙限電壓比較器。設(shè)計好的傳感器放大電路圖如圖2所示。

運算放大器元件選用低成本、小功耗的集成運算放大器LM324，其具有內(nèi)部頻率補償、直流電壓增益較高和寬電壓范圍的特性，內(nèi)置4個放大器正好構(gòu)成兩級濾波放大電路和一個雙限電壓比較電路，從而滿足探測器設(shè)計要求。

圖2 紅外探測前置濾波放大電壓比較電路

如圖2所示，雙元熱釋電紅外傳感器D端和5V電源間串聯(lián)10kΩ電阻R1，用于降低射頻干擾，G端接地，S端接47kΩ負載電阻R7，偏置電壓約為1V。傳感器輸出直接耦合到低噪聲運放（LM324）構(gòu)成的帶通濾波和第一級放大電路的反向輸入端，再由電阻R10、電容C4耦合到第二級反向放大電路進行進一步濾波、放大。

電路放大倍數(shù)與頻率有關(guān)，當輸入信號頻率為1Hz時，

計算得到上限截止頻率15.9Hz，下限截止頻率0.07Hz，而人步行活動時的頻率為0.1Hz～10Hz，因此基本過濾掉無用的熱噪聲。電路放大倍數(shù)兩級約為2000倍?？紤]到傳感器的固有噪聲電壓峰值約為50uV，室外熱空氣流動能夠產(chǎn)生接近250uV的噪聲，以及其他可能存在的干擾，如空間電磁波干擾和機械振動等，噪聲幅值接近100uV。三種噪聲疊加最大幅值接近300uV，經(jīng)兩級放大電路后，最大噪聲幅值達到600mV（0.6V）。因此，把第二級放大電路偏置在VCC/2，即1.5V，雙限電壓比較器的高低閾值設(shè)置為1.5±0.6V以有效抗噪聲干擾。即當放大器輸出信號電平大于2.1V或者小于0.9V時，比較器輸出高電平，表示探測到移動人體。設(shè)置合適的高低閾值可以調(diào)節(jié)探測器的靈敏度，起到防寵物的功能。此輸出信號作為預入侵探測信號輸入MCU，MCU接收后發(fā)出指令控制紅外傳感器按給定時間間隔連續(xù)采樣，采樣結(jié)果經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由主控芯片使用智能算法進行入侵判定。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本探測器采用C語言編程，軟件開發(fā)效率高、執(zhí)行速度快、程序結(jié)構(gòu)清晰。軟件包括主程序、MCU定期中斷喚醒程序、紅外采樣子程序、電池電壓采樣子程序、智能判定子程序等。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序控制框圖

從主程序控制框圖可以看出，智能入侵判斷算法的核心是，對給定采樣周期（1s）內(nèi)的預入侵信號的均值是否落入?yún)^(qū)間[C1，C2]和方差是否小于C3進行分析，智能判定是否發(fā)生入侵事件，減少誤報警。例如均值大于C1或小于C2可以判斷為小動物經(jīng)過或風吹動窗簾，而方差大于C3可以判斷為有人快速跑過等非入侵事件。由于系統(tǒng)采用統(tǒng)計的方法，因此較常見的二次檢測算法具有更準確的判定能力。

為減少系統(tǒng)功耗，除定期中斷進行數(shù)據(jù)采集和電池檢測外，MCU大部分時間工作在節(jié)電模式。系統(tǒng)每5s中斷喚醒后，開始執(zhí)行短暫的數(shù)據(jù)采集。采集的電壓信號不經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，而直接由雙限電壓比較器輸出預入侵判定信號。只有發(fā)生預入侵事件，系統(tǒng)才會進行連續(xù)數(shù)據(jù)采集并啟動A/D轉(zhuǎn)換。連續(xù)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸送給MCU進行計算，通過比較給定周期內(nèi)的采樣信號的均值和方差與預設(shè)值的大小。此外，系統(tǒng)每隔二小時進行一次電池電壓采樣的轉(zhuǎn)換，以檢測是否電池欠電壓，如果電池欠電壓則產(chǎn)生欠電壓報警，提醒用戶及時更換電池。

預入侵判定的設(shè)計使系統(tǒng)在必要時才喚醒進行連續(xù)采樣，這樣既可以降低功耗，又可以減少誤判。而預設(shè)值C1、C2、C3可以通過軟件設(shè)置進行靈活調(diào)整，確保探測器產(chǎn)生正確的報警輸出，防寵物等干擾?；诮y(tǒng)計數(shù)據(jù)的智能報警算法減少了系統(tǒng)的誤報率。欠電壓報警電路的設(shè)計可以防止系統(tǒng)由于電壓降低導致的探測靈敏度下降的事件發(fā)生，保障探測器工作的可靠性。

四、其他設(shè)計

(一)硬件抗干擾設(shè)計

1.使用硬件帶通濾波器，控制輸出信號在0.07～15.9Hz之間，滿足信號采集要求。

2.熱釋電紅外傳感器D端和3V電源間串聯(lián)10kΩ電阻，用于降低射頻干擾。

3.選用雙元熱釋電紅外傳感器，可有效抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾。

4.設(shè)計欠電壓檢測電路，防止由于低電壓造成的探測器失靈現(xiàn)象。

(二)軟件抗干擾設(shè)計

1.采用了計算給定周期內(nèi)采樣的方差，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)偏離中心的程度可以大大降低誤報的機率，因為太陽輻射等產(chǎn)生的溫度不會瞬間升高、瞬間結(jié)束，而人走動時產(chǎn)生的溫度變化會跟隨人體運動而改變。

2.在進行數(shù)據(jù)均值計算時，由于均值反映了一定周期內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值，合理的設(shè)置C1和C2值可有效避開小動物的紅外輻射，以減小誤報。

3.在進行數(shù)據(jù)方差計算時，由于方差反映了一定周期內(nèi)數(shù)據(jù)的偏移程度，合理的設(shè)置C3值可以進一步判斷是否有人正在侵入。因為正常入侵的行為不會瞬時發(fā)生，必然會持續(xù)一段時間。這樣可以過濾掉有人快速跑過等事件引起的誤報警。

(三)節(jié)電設(shè)計

選用MSP430超低功耗單片機。系統(tǒng)布防后即進入省電模式，定時中斷喚醒紅外探測器檢測入侵行為。一旦發(fā)現(xiàn)可疑入侵行為時，首先通過雙限電壓比較器產(chǎn)生一個預入侵信號給MCU，MCU控制傳感器連續(xù)采樣；其次，MCU對設(shè)定采樣周期時間內(nèi)的紅外傳感器信號進行采集和計算處理，通過比較周期內(nèi)信號均值與方差大小智能判斷是否為入侵行為；再則，對入侵行為進行報警，延時后系統(tǒng)重新進入布防狀態(tài)，MCU轉(zhuǎn)入省電模式等待下一個定時中斷。系統(tǒng)大部分時間運行在省電模式（LPM3）并使用內(nèi)部低頻振蕩器VL0作為ACLK時鐘，僅在必要時短暫喚醒MCU執(zhí)行采樣過程，此時才使用耗電相對較大的DC0時鐘源。這種設(shè)計能有效節(jié)約能源，減少系統(tǒng)耗電量。

五、結(jié)論

使用雙紅外傳感器智能入侵探測器進行入侵行為智能檢測，能有效減少系統(tǒng)誤報率。系統(tǒng)特別進行了抗干擾和省電設(shè)計，適合安裝在室外長期使用，后期維護工作量小。合理設(shè)置C1、C2、C3值可以減少系統(tǒng)誤報警、提高系統(tǒng)的可靠性。

[1]郭志華.淺談被動紅外探測器技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].中國安防袁2010袁(12).

[2]謝興紅袁林凡強袁吳雄英.MSP430單片機基礎(chǔ)與實踐[M].北京院北京航空航天大學出版社袁2008袁(1).

[3]劉舒祺袁施國梁.基于熱釋電紅外傳感器的報警系統(tǒng)[J].國外電子元器件袁2005袁(3).

[4]彭飛.無線智能報警器的設(shè)計[J].芯片應(yīng)用袁2004袁(2).

[責任編輯：姚青群]

TN215

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1008-7346(2015)04-0052-04

2015-06-30

周健袁男袁湖南長沙人袁福建廣播電視大學晉安校區(qū)講師。