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        基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)報(bào)警及環(huán)境監(jiān)測智能終端的設(shè)計(jì)

        2017-11-27 10:23:19嚴(yán)曉華鄭國莘
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2017年11期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)融合低功耗智能家居

        嚴(yán)曉華+鄭國莘

        摘 要:文章從家庭應(yīng)用環(huán)境出發(fā),設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居家環(huán)境監(jiān)測及安防報(bào)警的無線智能終端。該智能終端集成溫濕度、甲醛、二氧化碳及有機(jī)物濃度傳感器,實(shí)現(xiàn)家居空氣質(zhì)量檢測。融合加速度、微波、熱釋電多種傳感器數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警功能。該智能終端具有功耗低、壽命長、安裝簡便、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),具備一定的先進(jìn)性及實(shí)用性。

        關(guān)鍵詞:智能家居;低功耗;數(shù)據(jù)融合;傳感器

        中圖分類號:TP393.04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-1302(2017)11-00-03

        0 引 言

        隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展,人口流動加劇,各類治安事件頻發(fā),導(dǎo)致普通家庭對防盜報(bào)警設(shè)備的需求量逐年增加[1-3]。同時(shí),隨著人們生活品質(zhì)的提高,對居家環(huán)境的要求也隨之水漲船高,很多民眾希望掌握自己居住場所的空氣質(zhì)量、溫濕度等信息[4]。所以一種同時(shí)具備防盜報(bào)警及環(huán)境監(jiān)測功能、安裝簡單、維護(hù)便利的設(shè)備便應(yīng)運(yùn)而生。本文從上述背景出發(fā),設(shè)計(jì)了一款同時(shí)具備防盜報(bào)警及環(huán)境監(jiān)測功能的智能終端,從該設(shè)備的軟件及硬件著手,簡要描述該設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn),并根據(jù)該設(shè)備的特點(diǎn)詳細(xì)闡述了該設(shè)備功耗測試要領(lǐng),給出相關(guān)測試數(shù)據(jù),測試結(jié)果表明,該智能終端的低功耗特征明顯,非常適合在居家環(huán)境中使用。

        1 智能終端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        智能終端硬件電路主要由主控、傳感器、射頻三部分組成。傳感器包含加速度傳感器、熱釋電傳感器、微波傳感器、甲醛及二氧化碳傳感器。加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器,可以用于檢測由于傾斜、運(yùn)動、振動和沖擊等產(chǎn)生的力變化[5]。集成的熱釋電與微波傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于墻面上,實(shí)現(xiàn)家庭非法入侵檢測[6-8];安裝的溫濕度、甲醛及二氧化碳等傳感器則實(shí)時(shí)采集房間內(nèi)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),將其周期性發(fā)送到后臺服務(wù)器,實(shí)時(shí)監(jiān)控居室環(huán)境狀態(tài)[9,10]。

        主控芯片對上述傳感器的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、整理、計(jì)算及分析,進(jìn)而對當(dāng)前居室內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行判斷,并將結(jié)果通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備則會將此類信息通過Internet網(wǎng)絡(luò)把該數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器或?qū)?yīng)的手機(jī)App,最終實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境監(jiān)控及防盜報(bào)警等功能。智能終端相關(guān)硬件框架如圖1所示。

        LGAQS-HT01五合一傳感器模塊,可以用來檢測環(huán)境溫濕度、甲醛、二氧化碳濃度及揮發(fā)性有機(jī)物的濃度,可以很方便地應(yīng)用于室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測場合。該模塊簡化了設(shè)計(jì),非常適合應(yīng)用于低功耗電池供電的場合。

        本智能終端采用被動式熱釋電紅外傳感器實(shí)現(xiàn)人體感應(yīng),型號為HC-SR501。被動式熱釋電紅外探頭很容易受其他熱源影響,導(dǎo)致后端數(shù)據(jù)分析困難。為了避免上述問題,輔以微波傳感器,型號為HB100,借助微波的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)移動目標(biāo)探測。使用熱釋電紅外、微波傳感器克服了單一技術(shù)的缺陷,能夠降低系統(tǒng)的誤判率[11,12]。

        集成的加速度傳感器型號為MMA8452Q。智能終端安裝于門窗之后,加速度傳感器會感應(yīng)門窗的位移變化,并輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)至主控芯片,主控將對該數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比,實(shí)現(xiàn)門窗強(qiáng)行開啟、大力破壞等異常行為判斷,最終觸發(fā)警報(bào)器發(fā)出警報(bào)聲并發(fā)送警報(bào)信息,通知主人進(jìn)行防盜保護(hù),從而更好地防止盜賊入室行竊[13,14]。

        無線模塊是智能終端對外的數(shù)據(jù)通道,是與外界信息交互的窗口,無線發(fā)射功率、發(fā)射頻次及接收靈敏度幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)決定了智能終端的功能特性,對產(chǎn)品的性能和功能起到?jīng)Q定性作用。為此,無線模塊化硬件的設(shè)計(jì)需要配合相關(guān)仿真軟件調(diào)整各類參數(shù)來實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。

        本著滿足不同物聯(lián)網(wǎng)場景應(yīng)用、硬件方便裁剪,即滿足功能多樣且結(jié)構(gòu)靈活的目的,實(shí)現(xiàn)智能終端的硬件設(shè)計(jì)。本智能終端采用模塊化設(shè)計(jì)方案,硬件具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

        由于智能終端采用電池供電,電池容量及設(shè)備的能量消耗決定了整個(gè)產(chǎn)品的壽命。為此,智能終端的設(shè)計(jì)原則在滿足功能要求的背景下,應(yīng)盡量減少外圍傳感器及射頻的工作頻次,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,對整體功耗進(jìn)行優(yōu)化。

        1.1 傳感器工作模式設(shè)定

        (1)對于有中斷觸發(fā)模式的傳感器,如加速度傳感器、五合一傳感器,主控芯片對傳感器數(shù)據(jù)的獲取采用傳感器中斷喚醒模式替代主動查詢模式,讓主控芯片有更長的休眠時(shí)間。

        (2)對于沒有中斷觸發(fā)的傳感器,如熱釋電及微波傳感器,根據(jù)傳感器自身的響應(yīng)時(shí)間,利用主控芯片內(nèi)部低功耗定時(shí)器設(shè)定采樣窗口,在該窗口時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取,在其余時(shí)間內(nèi),關(guān)閉傳感器的供電電源,使該傳感模塊消耗最少的能量。

        1.2 射頻芯片工作模式設(shè)定

        (1)射頻數(shù)據(jù)發(fā)送之前開啟CSMA模式,只有在信道空閑時(shí)才會利用射頻模塊發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率,間接降低系統(tǒng)整體功耗。

        (2)射頻數(shù)據(jù)的發(fā)送采用中斷模式,主控芯片將數(shù)據(jù)送入射頻芯片的FIFO之后,主控芯片將進(jìn)入休眠模式直至數(shù)據(jù)發(fā)送完成中斷喚醒主控芯片,減少系統(tǒng)在射頻數(shù)據(jù)發(fā)送周期內(nèi)不必要的能量損耗。

        (3)射頻數(shù)據(jù)的接收采用中斷模式,如果智能終端需要接收來自其父節(jié)點(diǎn)的信息,如智能終端發(fā)送完數(shù)據(jù)后在等待ACK過程中,主控芯片將進(jìn)入休眠模式直至射頻數(shù)據(jù)接收完成中斷喚醒主控芯片,減少主控芯片在射頻數(shù)據(jù)接收周期內(nèi)的能量損耗。

        (4)無需數(shù)據(jù)收發(fā)可把射頻模塊置于休眠模式,減少射頻模塊不必要的能量損耗。

        1.3 主控芯片工作模式設(shè)定

        (1)對于沒有使用的IO口,全部設(shè)置成輸入高阻模式,降低主控芯片IO的漏電流;對于已經(jīng)使用的IO口,則要根據(jù)外部電路特性設(shè)置相應(yīng)的邏輯電平。

        (2)由于主控芯片喚醒或復(fù)位時(shí),默認(rèn)采用內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘,所以采用內(nèi)部RC振蕩器作為主時(shí)鐘,縮短主控芯片的喚醒時(shí)間,降低功耗。

        (3)對于時(shí)間控制精度比較敏感的部件,如傳感器采樣周期、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘,采用32.768 kHz外部振蕩器時(shí)鐘為主控,提供精確的低頻時(shí)鐘,保證系統(tǒng)時(shí)鐘的精確性。endprint

        智能終端的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

        2 功耗測試

        為了評估智能終端的工作壽命,需要對實(shí)際功耗進(jìn)行測量與評估。本項(xiàng)目通過功率分析儀實(shí)現(xiàn)對功耗的測量,型號為泰克PA1000。功耗測量具體流程如下:

        (1)待測智能終端電路板串聯(lián)功率分析儀,并接上穩(wěn)壓電源;

        (2)將穩(wěn)壓電源輸出設(shè)置為4 V,電流輸出上限設(shè)置為100 mA;

        (3)將功率分析儀設(shè)為直流測量,檔位設(shè)為100 mA,采樣設(shè)置為平均電流采樣。具體測試方案如圖 4所示。

        由于智能終端采用鋰亞電池為其供電,所以在設(shè)計(jì)過程中需要考慮智能終端的整體耗能狀況。而智能終端的功耗不僅與主控芯片電路特性有著密切的關(guān)聯(lián),外圍傳感器及射頻芯片的工作頻次及模式對整個(gè)系統(tǒng)的功耗也起到?jīng)Q定性作用。

        根據(jù)智能終端的功能需求,分別測量各傳感子模塊及射頻模塊的工作時(shí)間,相關(guān)數(shù)據(jù)見表1所列。

        為得到系統(tǒng)的整體功耗,需要設(shè)置以下幾個(gè)假設(shè)條件:

        假設(shè)條件1:射頻數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為Frf send;

        假設(shè)條件2:射頻工作的平均電流為Irf avr;

        假設(shè)條件3:射頻工作的持續(xù)時(shí)間為Trf avr;

        假設(shè)條件4:傳感器采樣頻率為Fsensor;

        假設(shè)條件5:傳感器采樣平均功耗為Isensor avr;

        假設(shè)條件6:傳感器單次采樣持續(xù)的時(shí)間為Tsensor avr;

        假設(shè)條件7:主控休眠模式下,待機(jī)功耗為Iidle;

        由以上7個(gè)條件可以得到一天消耗的能量:

        Iall=Irf avr·Trf avr·Frf send+Isensor avr·Tsensor avr·Fsensor+Iidle (1)

        在實(shí)際應(yīng)用中,采用ER14505鋰亞電池為智能終端供電,該電池單節(jié)容量為2 400 mA·h。根據(jù)公式(1)及表1的條件,相應(yīng)的測試結(jié)果見表 2所列。

        3 結(jié) 語

        本文設(shè)計(jì)的智能終端從家庭實(shí)際需求出發(fā),旨在滿足家庭環(huán)境監(jiān)測及防盜需求。本智能終端設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù),以實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境參數(shù)監(jiān)測及防盜報(bào)警功能,可有效降低入侵監(jiān)控的誤報(bào)率。由于該設(shè)備采用電池供電,功耗決定了該設(shè)備的使用壽命,為此,在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮了每個(gè)功能子模塊的功耗特性,保證每個(gè)子模塊功耗最優(yōu)化。實(shí)際測試表明,該智能終端功耗性能優(yōu)越,能夠滿足一般家庭環(huán)境監(jiān)測及防盜報(bào)警的需求。

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