何 莉，楊澤林， 李昌平

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054； 2.重慶重視家里安科技有限公司，重慶 400039)

無線紅外報警器的低能耗設(shè)計

何 莉1，楊澤林1， 李昌平2

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 重慶 400054； 2.重慶重視家里安科技有限公司，重慶 400039)

針對無線紅外報警器干電池供電壽命短的問題，對報警器進行了能耗分析。設(shè)計了具有接收解碼功能的無線通訊接口；增加了布防/撤防功能及對紅外傳感器電源通斷的控制，有效避免了無效接收和無效觸發(fā)報警而產(chǎn)生的大量能耗；利用MCU的掉電喚醒功能進行了低能耗模式設(shè)計，給出了系統(tǒng)主程序流程圖，實現(xiàn)報警器的低能耗控制和電源模塊的智能管理及控制；增加了太陽能自供電模塊，采用雙儲能雙充電回路方案，一充一用的管理策略，實現(xiàn)超長時間持續(xù)供電。測試表明：在相同使用工況下，該報警器的電池壽命從3～4個月提升到了18～20個月。

無線紅外報警器；低能耗；無線通訊；布防/撤防；太陽能電源

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，商用物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。一般商用物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)由7×24 h監(jiān)控中心、現(xiàn)場安防主機、監(jiān)控終端裝置三層網(wǎng)絡(luò)組成，有布防和撤防兩種工作模式。無線紅外報警器是其最常用的終端裝置之一，采用干電池供電，利用紅外熱釋電原理監(jiān)測外界入侵事件[1]，具有無需布線、安裝方便等優(yōu)勢。但針對干電池供電無線紅外報警器的能耗問題考慮較少[2-4]，實際使用中發(fā)現(xiàn)，干電池的壽命僅為3～4個月。在量大的情況下，頻繁更換電池給安防企業(yè)帶來巨大的工作量和人力成本，甚至給用戶帶來財產(chǎn)損失，使無線紅外報警器的優(yōu)勢喪失殆盡。結(jié)合實際使用狀況，分析目前使用的報警器功耗原因，改進設(shè)計了無線紅外報警器，增加無線接收、撤防/布防工作模式切換控制，MCU低能耗工作模式設(shè)計等低能耗措施，大大降低了報警器的能耗；同時增加太陽能自供電模塊，可以長時間持續(xù)為報警器供電，提高干電池的續(xù)電能力，使干電池的工作壽命延長至18月以上，有效解決了頻繁更換電池的后顧之憂。

1 能耗分析

紅外報警的硬件原理如圖1所示。

圖1 無線紅外報警硬件原理

無線紅外報警器主要以紅外熱釋電作為檢測原理[4-5]。HC-501熱釋電紅外傳感器是其中一種用于探測外來入侵信號的人體感應(yīng)模塊，采用德國原裝進口LHI778 探頭設(shè)計，具有靈敏度高、可靠性強、功耗低(靜態(tài)電流<50 μA)、全自動感應(yīng)并可實現(xiàn)光敏控制和溫度補償?shù)忍攸c[6]，被選做本報警器的測試探頭。HC-SR501紅外熱釋電傳感器檢測到人體移動和HT7044A電壓監(jiān)測器檢測到電池電壓過低時，輸出信號均變低，并發(fā)出下降沿觸發(fā)信號，經(jīng)報警觸發(fā)電路合成輸出啟動信號，將由VD5026編碼器生成的報警編碼通過315 MHz無線發(fā)射模塊發(fā)送給現(xiàn)場報警主機和監(jiān)控中心。無報警時，編碼器和無線發(fā)射模塊處于關(guān)閉狀態(tài)。經(jīng)測試，紅外報警器的靜態(tài)工作電流小于70 μA，報警工作電流小于24 mA，單次報警持續(xù)工作時間小于2 s，功耗已處于較低水平?？呻姵氐膶嶋H工作壽命遠(yuǎn)低于理論設(shè)計，只有3～4個月。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：商用物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)雖然有撤防和布防兩種工作模式，但這是通過現(xiàn)場或監(jiān)控中心控制切換的，其終端無線紅外報警器并沒有撤防。即在安防系統(tǒng)撤防模式下，現(xiàn)場安防主機和監(jiān)控中心不處理任何報警信號，整個安防系統(tǒng)不響應(yīng)任何報警事件。但是無線紅外報警器沒有接受外部命令切換工作模式，所以即使在不需要安防報警的撤防時段，通常仍有大量頻繁的各種報警事件，使報警器一直處在報警工作狀態(tài)，產(chǎn)生了大量的能耗，這是降低電池壽命的最主要原因。

圖2 紅外報警器工作電流示意圖Fig.2 Schematic diagram of working current of infared alarm

2 報警器低能耗改進措施

2.1 增加紅外報警器的布防/撤防控制

在無線紅外報警器裝置中增加無線接收功能，用以接收現(xiàn)場主機等的命令，使報警器能受控進行工作模式切換。在系統(tǒng)撤防時段不被無效觸發(fā)，以達到降低能耗的目的，是低能耗設(shè)計改進措施的主要思路。其原理電路如圖3所示。

圖3 低能耗報警器硬件原理Fig.3 Hardware schematic diagram of low energy consumption alarm

由于一臺主機監(jiān)控多個無線終端設(shè)備，報警器接收到的串行數(shù)據(jù)沒有直接進入單片機的Rxd端，而是通過VD5027譯碼器與單片機接口進行數(shù)據(jù)傳送。VD5027只有接收到與本機地址相同的數(shù)據(jù)后，才輸出一個正脈沖和4位命令碼，并通過中斷Int1喚醒單片機讀出命令碼執(zhí)行相應(yīng)操作。這樣既避免了多機通訊時被無效通訊喚醒，又提高了通訊的可靠性；同時，單片機接收到布防命令后，通過P1.0接通開關(guān)K1為紅外傳感器供電，報警器處于布防工作狀態(tài)，產(chǎn)生的報警信號通過中斷Int0喚醒單片機，進行報警等工作；而在撤防階段，K1斷開，紅外傳感器斷電，亦處于撤防不工作狀態(tài)，不能進行任何觸發(fā)報警，從而降低報警器的能耗。

2.2 采用MCU的低能耗模式設(shè)計

利用單片機的掉電喚醒功能，對MCU進行低能耗模式設(shè)計:1)選用合適的低能耗單片機；2)采用中斷喚醒工作方式設(shè)計報警器以(中斷)事件驅(qū)動的軟件架構(gòu)[7-9]，單片機常態(tài)處于掉電工作狀態(tài)，進一步實現(xiàn)報警器的低能耗設(shè)計。

該報警器選用的是51系列單片機STC12C2052AD[10]。它只有20多個功能引腳，內(nèi)含E2PROM可在線讀寫數(shù)據(jù)用于保存布/撤防狀態(tài)和電池電壓，還含有8通道8位AD轉(zhuǎn)換器和掉電檢測電路(P1.2)以及3.3～5.5 V寬的工作電壓范圍，具有掉電工作模式，可中斷喚醒，掉電后各引腳電壓維持不變，且電流僅為0.1 μA。特別適合用作本報警器的控制MCU。

軟件程序分為主程序和中斷喚醒服務(wù)程序兩大部分，各程序獨立運行。

主程序的主要工作：上電復(fù)位，對MCU的串口、外部中斷等進行初始化；清除E2PROM中的撤/布防標(biāo)志，報警器初始處于撤防模式；無線接收模塊處于接收狀態(tài)；K2導(dǎo)通，電源模塊處于充電工作模式，流程圖如圖4 所示。

中斷喚醒服務(wù)程序設(shè)有無線接收、紅外觸發(fā)報警、掉電檢測3個中斷源。無線接收中斷根據(jù)接收到的命令，進行撤/布防設(shè)置處理并保存標(biāo)志等；紅外觸發(fā)報警中斷用于檢測并診斷報警器狀態(tài)，向主機發(fā)出報警信息；掉電檢測中斷服務(wù)程序用于對C1、BT2電池電壓進行檢測，針對電池狀態(tài)發(fā)出預(yù)警信息；所有喚醒處理出現(xiàn)均對BT2進行充電管理：從4.5 V到5 V為充電區(qū)，K2導(dǎo)通；從5 V到4.5 V為正常工作放電區(qū)，K2斷開。流程如圖5所示。

圖4 主程序流程Fig.4 Flow chart of the main program

圖5 中斷喚醒服務(wù)程序流程Fig.5 Flow chart of interrupt wake up service program

2.3 改進電源模塊，進一步提高干電池壽命

報警器低能耗設(shè)計的目的是要解決干電池供電壽命不長的問題。因此，為了進一步解決電池壽命問題，增加了太陽能自供電模塊。改進后的電源模塊采用雙電池兩級儲能雙回路充電方案[11-14]，且太陽能自供電模塊能在各種光照環(huán)境下持續(xù)供電，能夠有效地提高電池的續(xù)電能力，從而進一步完善了報警器的低能耗設(shè)計。電源模塊電路原理如圖6所示。

太陽能電源BT0由4塊37 mm×22 mm的太陽能電池板并聯(lián)構(gòu)成，由于光線變化較大使BT0的輸出電壓波動也較大，為了充分收集太陽能，第1級儲能元件采用無需充電管理且無記憶的超級電容鋰電池C1，BT0即可持續(xù)對C1充電。第2級儲能元件為4×1.2 V聚合物鋰電池BT2，利用CN3063鋰電池充電管理芯片對其進行充電管理[15]，CN3063的輸入電壓Vin為：4.35～6 V，輸出電壓Vcc為：4.2 V～Vin，由Rx調(diào)整,Vcc=4.2 V+3.04×10-6×Rx，報警器Vcc設(shè)定為：5.0～5.1 V。VDD接口用于外部電源對供電模塊充電。

圖6 太陽能供電模塊電路原理

對于兩級儲能元件，采用“一充一用”的管理策略。正常工作時，單片機P1.1使K2斷開，報警器由BT2單獨供電，BT0只對C1充電；通過掉電或電壓檢測到BT2電壓過低，則喚醒單片機，閉合K2，啟動充電回路Ⅱ?qū)T2充電，充電完成后又?jǐn)嚅_K2，恢復(fù)正常。這樣可避免BT1，BT2同時供電而又同時失電繼而導(dǎo)致報警器癱瘓。

3 性能測試與結(jié)果

報警器進行低能耗設(shè)計改進完成后，首先對改進前后的產(chǎn)品分別進行了功耗參數(shù)測試，測試方案如圖7所示。圖中觸發(fā)源由人體經(jīng)過來模擬觸發(fā)報警器報警，選用了VICTOR VC9806 4位半數(shù)字萬用表測量報警器的靜態(tài)電流和工作電流，選用DS1074z數(shù)字示波器(70 MHz)測量報警器觸發(fā)報警時的工作持續(xù)時間。

圖7 功耗參數(shù)測試方案示意圖

其次，對改進前后的產(chǎn)品(原來的產(chǎn)品、低能耗設(shè)計后的產(chǎn)品、太陽能自供電低能耗設(shè)計后的產(chǎn)品)3個一組，在相同使用場合，均用4節(jié)5號同一型號干電池供電，進行了多組產(chǎn)品實地應(yīng)用的電池壽命對比測試。近2年的實踐應(yīng)用已表明：低能耗設(shè)計改進后的產(chǎn)品電池壽命可達18～20個月，而增加了太陽能自供電模塊的低能耗設(shè)計后的產(chǎn)品使用時間現(xiàn)在已大于18個月，說明太陽能自供電低能耗設(shè)計后的紅外無線報警器明顯提高了電池使用壽命，實現(xiàn)了低能耗設(shè)計目的。測試結(jié)果見表1。

表1 性能參數(shù)對比

4 結(jié)束語

改進后的報警器將撤防/布防功能下移到無線紅外報警器，減少了報警器在撤防時段的無效能耗；MCU的低能耗模式設(shè)計，進一步降低了報警器的能耗；雙電池兩級儲能、雙回路充電及“一充一用”的太陽能供電管理方案更好地解決了太陽能各種光照環(huán)境下7×24 h的持續(xù)供電，有效地延長了報警器等終端裝置電池的使用壽命，達到了設(shè)計目的。同時，終端裝置采用雙向通訊使商用物聯(lián)網(wǎng)安防網(wǎng)絡(luò)3層網(wǎng)絡(luò)的通訊更加完善通暢，也大大地提高了安防系統(tǒng)的有效性和可靠性。

該報警器低能耗設(shè)計理念也可以用在物聯(lián)網(wǎng)如智能家居等其它應(yīng)用中。

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(責(zé)任編輯 楊文青)

Design of Low Energy-Consumption of Wireless Infrared Alarm

HE Li1， YANG Ze-lin1， LI Chang-ping2

(1.College of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China；2.Chongqing Chongshi Jiali’an Science and Technology Co., Ltd., Chongqing 400039, China)

Due to the battery powered wireless infrared alarm can not be sustained for a long time, the energy consumption of the alarm was analyzed. Wireless communication interface was improved with receiving and decoding function; The function of arming/disarming to turn on or turn off the power of infrared sensor was added, and the energy consumption caused by invalid trigger alarm have been effectively reduced; Using the power down function of MCU, the low energy-consumption mode was designed and the flow charts were given, which could realize the low energy-consumption control of the alarm, the intelligent management and control of the power module; The solar power was designed with the scheme of double-battery and double-charging circuit, and the long time continuous power supply was realized with the management of one-charged and one-supplying. The tests and applications shows that under the same operating conditions, the battery life of the alarm is raised from 3～4 months to 18～20 months.

wireless infrared alarm; low energy-consumption; wireless communication; arming/disarming; solar energy power

2016-11-04

何莉(1971—),女，四川達州人，碩士，副教授，主要從事電子信息、儀器儀表、檢測與控制技術(shù)等研究，E-mail：holy@cqut.edu.cn；通訊作者 楊澤林(1962—)，男，湖北公安縣人，碩士，副教授，主要從事動態(tài)測試、信號處理及嵌入式系統(tǒng)方面研究。

何莉，楊澤林，李昌平.無線紅外報警器的低能耗設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(2):134-139.

format：HE Li，YANG Ze-lin，LI Chang-ping.Design of Low Energy-Consumption of Wireless Infrared Alarm[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):134-139.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.022

TP277

A

1674-8425(2017)02-0134-06