方逸洲，趙中瑞，張青野，張鵬程，艾麥提·布拉丁，曾佑軒，王 玨

（1. 上海儀電（集團(tuán)）有限公司中央研究院，上海 200233；2. 上海南洋萬邦軟件技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

MEMS（micro electro mechanical system）是微機(jī)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，其主要特點(diǎn)是將傳感信號(hào)采集、傳感信號(hào)處理、結(jié)果信號(hào)輸出融合為一體。MEMS芯片的應(yīng)用非常廣泛，典型的MEMS芯片產(chǎn)品包括手機(jī)里的MEMS 硅麥克風(fēng)、運(yùn)動(dòng)手環(huán)中的MEMS 加速度芯片、工業(yè)監(jiān)測(cè)中的MEMS壓力、MEMS溫濕度芯片等。

本文的研究面向智慧零售場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種低功耗藍(lán)牙MEMS 振動(dòng)傳感器，可以分析客戶對(duì)商超在售物品的拿取等動(dòng)作行為，進(jìn)而給出客戶對(duì)商超物品的感興趣指數(shù)。同時(shí)結(jié)合藍(lán)牙無線廣播特性和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，設(shè)計(jì)了一種移窗過濾均值計(jì)算算法，實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的傳感器位置判斷，可用于商超物品的防盜管理。本文設(shè)計(jì)的傳感器，在軟硬件層面對(duì)產(chǎn)品功耗進(jìn)行了深入研究和設(shè)計(jì)，采用一顆CR2032 紐扣電池即可長(zhǎng)時(shí)間工作。

本文在藍(lán)牙無線通訊領(lǐng)域，提出了一種基于廣播的藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸方式。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)通過廣播掃描可以同時(shí)接收多個(gè)傳感器上傳的數(shù)據(jù)，并可通過快速周期掃描，結(jié)合本文設(shè)計(jì)的移窗過濾均值計(jì)算算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器距離的判斷。本文設(shè)計(jì)的傳感器是基于MEMS 加速度芯片的，MEMS 加速度芯片輸出x/y/z三軸的加速度測(cè)量值，且可以結(jié)合濾波、中斷等配置，針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)處理模型［1］。

本文設(shè)計(jì)的低功耗藍(lán)牙MEMS 振動(dòng)傳感器，結(jié)合藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)及相關(guān)處理算法，實(shí)現(xiàn)了智慧零售場(chǎng)景下的防盜管理、客戶對(duì)商品動(dòng)作行為和興趣度分析等功能。重點(diǎn)研究了MEMS 振動(dòng)傳感器的低功耗設(shè)計(jì)、MEMS 加速度芯片數(shù)據(jù)處理算法、藍(lán)牙廣播無線數(shù)據(jù)傳輸、藍(lán)牙接收信號(hào)強(qiáng)度的移窗過濾均值計(jì)算算法等，最終實(shí)現(xiàn)了面向智慧零售場(chǎng)景的應(yīng)用推廣。

本文的研究成果已部署在全國(guó)十余個(gè)零售門店中，累計(jì)部署低功耗藍(lán)牙MEMS 振動(dòng)傳感器近1000臺(tái)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

面向智慧零售場(chǎng)景，本文設(shè)計(jì)的低功耗藍(lán)牙MEMS振動(dòng)傳感器及其應(yīng)用系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 低功耗藍(lán)牙MEMS傳感器系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)的主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑如下：

門店需要監(jiān)管的每件零售品上，加裝一個(gè)低功耗藍(lán)牙MEMS 振動(dòng)傳感器，傳感器采集零售品的加速度信息，并通過藍(lán)牙SoC 芯片中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理模型，計(jì)算出客戶對(duì)零售品的拿取等動(dòng)作操作，再通過藍(lán)牙廣播將計(jì)算分析結(jié)果傳輸?shù)剿{(lán)牙網(wǎng)關(guān)2。本系統(tǒng)部署時(shí)，每個(gè)藍(lán)牙MEMS 振動(dòng)傳感器具有唯一的序列號(hào)，且與對(duì)應(yīng)的零售品綁定，該綁定關(guān)系會(huì)導(dǎo)入到智慧門店管理平臺(tái)中，管理平臺(tái)根據(jù)序列號(hào)呈現(xiàn)相關(guān)零售品的信息。

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)2部署在門店的中心位置，其內(nèi)置功率放大與接收信號(hào)增強(qiáng)電路，可以覆蓋整個(gè)門店。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)2通過增強(qiáng)型藍(lán)牙廣播掃描，同時(shí)接收門店所有傳感器的廣播數(shù)據(jù)包，解析出其中的計(jì)算分析結(jié)果數(shù)據(jù)，再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街腔坶T店管理平臺(tái)。

智慧門店管理平臺(tái)接收到藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)2上傳的MQTT 數(shù)據(jù)包后，解析藍(lán)牙MEMS 傳感器的序列號(hào)和動(dòng)作分析結(jié)果，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中的綁定關(guān)系表，分析出零售商品和客戶對(duì)其的相關(guān)操作，并將結(jié)果呈現(xiàn)在管理平臺(tái)界面上。

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1部署在門店的出入口，用于出入口的防盜管理，其內(nèi)部無需內(nèi)置功率放大與接收信號(hào)增強(qiáng)電路。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1 的覆蓋范圍為1～4 m，部署時(shí)可以通過移動(dòng)端配置軟件進(jìn)行調(diào)整。將報(bào)警識(shí)別距離配置到藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1中后，如果有零售品進(jìn)入到藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1的范圍內(nèi)，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1通過接收信號(hào)強(qiáng)度的快速周期掃描和移窗過濾均值計(jì)算算法，可以較為準(zhǔn)確地識(shí)別到該零售品，并通過聲光報(bào)警方式進(jìn)行警示，實(shí)現(xiàn)防盜功能。

2 藍(lán)牙MEMS振動(dòng)傳感器開發(fā)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的MEMS 振動(dòng)傳感器硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 低功耗藍(lán)牙MEMS振動(dòng)傳感器硬件框圖

主要模塊的技術(shù)路徑如下：

主控制器：該技術(shù)方案無需額外的處理器芯片，選用CC2540F256 藍(lán)牙片上系統(tǒng)芯片作為主控制器，在完成數(shù)據(jù)采集、處理的同時(shí)，還可通過藍(lán)牙廣播進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［2］。

MEMS 加速度芯片：選用LIS3DH，該芯片在50 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率情況下，低功耗模式下的理論功耗僅6 uA，適合低功耗傳感器的設(shè)計(jì)。

巴倫平衡濾波電路是射頻收發(fā)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)平衡轉(zhuǎn)換、阻抗變換等功能的關(guān)鍵模塊，本文采用2450BM15A0002芯片，實(shí)現(xiàn)該部分功能。

供電：傳統(tǒng)的傳感器產(chǎn)品，都需要穩(wěn)壓電源芯片。本文設(shè)計(jì)的傳感器無需額外的穩(wěn)壓電源芯片，采用CR2032 紐扣電池直接供電的技術(shù)路徑。CC2540F256 的供電電壓是2～3.6 V，LIS3DH 的供電電壓是1.71～3.6 V。以武漢力興（火炬）電源有限公司生產(chǎn)的CR2032 為例，其標(biāo)稱電壓為3 V，標(biāo)稱容量是210 mAh，放電曲線如圖3所示，可以滿足本文傳感器的無穩(wěn)壓電源芯片直接供電的設(shè)計(jì)方案。

圖3 武漢力興（火炬）電源有限公司生產(chǎn)的CR2032放電曲線

本文設(shè)計(jì)的傳感器實(shí)物如圖4所示。左邊為產(chǎn)品硬件電路正面俯視圖，右邊為產(chǎn)品組裝圖。產(chǎn)品尺寸較小，僅為3.7 cm×4.5 cm，可通過掛繩便捷地綁定在零售商品上。

圖4 藍(lán)牙低功耗MEMS振動(dòng)傳感器實(shí)物圖

2.2 低功耗設(shè)計(jì)

藍(lán)牙低功耗MEMS 振動(dòng)傳感器的低功耗設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩方面：

2.2.1 硬件低功耗設(shè)計(jì)

本傳感器的硬件低功耗設(shè)計(jì)主要包括芯片選型、藍(lán)牙芯片引腳電平處理、電源處理三方面。芯片選型方面，選用支持低功耗模式和低功耗中斷觸發(fā)的MEMS 加速度芯片LIS3DH，選用支持藍(lán)牙低功耗標(biāo)準(zhǔn)的片上系統(tǒng)芯片CC2540F256。引腳電平方面，由于LIS3DH 通過I2C 接口與CC2540F256 通訊，SDA 和SCL 兩線上有上拉電阻，作為I2C 主機(jī)的CC2540F256發(fā)送完停止信號(hào)后，需要避免上拉電阻兩邊電壓差導(dǎo)致的電流消耗。同時(shí)，本傳感器硬件設(shè)計(jì)時(shí)考慮到兼容性，將LIS3DH 的兩個(gè)中斷輸出引腳接到了CC2540F256 的兩個(gè)引腳，針對(duì)未用到的INT2 引腳，需要將CC2540F256 對(duì)應(yīng)的引腳配置為輸出低電平，防止電流消耗。電源處理方面，如果采用常規(guī)的穩(wěn)壓電源芯片設(shè)計(jì)方案，會(huì)導(dǎo)致漏電流，本產(chǎn)品采用CR2032 直接供電方式，減少電流消耗。

2.2.2 軟件低功耗設(shè)計(jì)

軟件方面的低功耗主要針對(duì)芯片工作模式的配置，CC2540F256 需要工作在POWER_SAVING 模式下。LIS3DH 的工作模式設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，包括：配置量程為±2 G；配置50 Hz的數(shù)據(jù)輸出速率；配置為低功耗模式并使能x/y/z 三軸輸出；配置高通濾波器為正常模式；配置數(shù)據(jù)輸出到寄存器和輸入輸出緩存器，并使能輸入輸出緩存器；使能LIS3DH 的中斷輸出引腳1，中斷輸出信號(hào)為高有效；中斷闕值為16 mG；觸發(fā)中斷的持續(xù)時(shí)間為40 ms。通過配置相應(yīng)的闕值，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作、非動(dòng)作的檢測(cè)［3］。

軟件方面，還對(duì)藍(lán)牙廣播信號(hào)進(jìn)行了低功耗處理。在沒有操作、動(dòng)作時(shí)，關(guān)閉藍(lán)牙廣播；當(dāng)LIS3DH 中斷輸出的信號(hào)累積到一定程度，判斷形成有效的操作動(dòng)作時(shí)，打開藍(lán)牙廣播并進(jìn)行快速周期性廣播數(shù)據(jù)上報(bào)，一段時(shí)間后再關(guān)閉藍(lán)牙廣播。

通過上述的軟硬件低功耗設(shè)計(jì)，采用圖5所示測(cè)試方法對(duì)產(chǎn)品靜態(tài)電流進(jìn)行測(cè)試，為0.008 mA，如圖6所示。

圖5 藍(lán)牙MEMS振動(dòng)傳感器靜態(tài)電流測(cè)試方法

圖6 藍(lán)牙MEMS振動(dòng)傳感器實(shí)測(cè)靜態(tài)電流

2.3 MEMS信號(hào)處理算法

針對(duì)智慧零售場(chǎng)景下客戶對(duì)零售品的動(dòng)作行為，本文在對(duì)LIS3DH 進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)配置后，還設(shè)計(jì)了一套MEMS 信號(hào)處理算法，如圖7 所示。

圖7 MEMS信號(hào)處理算法

通過圖7的MEMS信號(hào)處理算法，可以使得傳感器在無客戶動(dòng)作時(shí)，工作在靜態(tài)休眠模式，降低功耗。同時(shí)，有效動(dòng)作闕值、指定核驗(yàn)周期、指定核驗(yàn)次數(shù)均可以通過藍(lán)牙進(jìn)行再配置調(diào)整，便于適配不同場(chǎng)景下的零售品動(dòng)作。

3 藍(lán)牙無線傳輸與無線信號(hào)處理算法

3.1 基于廣播的無線傳輸

如圖1 所示，本文研究的智慧門店場(chǎng)景下，會(huì)有多個(gè)傳感器。如果采用傳統(tǒng)的藍(lán)牙點(diǎn)對(duì)多星型網(wǎng)絡(luò)連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其連接數(shù)量受限、傳輸距離較近，難以滿足實(shí)際場(chǎng)景要求。本文設(shè)計(jì)了一套基于廣播的點(diǎn)對(duì)多藍(lán)牙傳輸方式，藍(lán)牙傳感器的廣播包字段格式見表1。

表1 藍(lán)牙傳感器的廣播包字段格式

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)快速周期掃描藍(lán)牙傳感器，并通過INESA_SERV_UUID 進(jìn)行過濾識(shí)別，可以有效過濾掉其他非本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙設(shè)備。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)設(shè)置的廣播包單次掃描緩存空間最多支持40個(gè)藍(lán)牙傳感器設(shè)備，即支持單一門店的同時(shí)40名客戶對(duì)零售商品發(fā)生動(dòng)作的數(shù)據(jù)上傳。經(jīng)門店部署驗(yàn)證，該技術(shù)方案可以滿足場(chǎng)景需求。

3.2 基于移窗過濾均值計(jì)算的防盜報(bào)警算法

零售門店還有防盜的需求，顧客攜帶未結(jié)算的商品離開門店時(shí)，行走過程中的振動(dòng)會(huì)喚醒藍(lán)牙MEMS 振動(dòng)傳感器，使其處于藍(lán)牙廣播狀態(tài)，從而被藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1識(shí)別到?？紤]到防盜識(shí)別距離較近，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1內(nèi)部不需要功率放大和接收信號(hào)靈敏度增強(qiáng)電路。如圖1所示，在門店出入口部署的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1，其內(nèi)部運(yùn)行本文設(shè)計(jì)的接收信號(hào)靈敏度的移窗過濾均值計(jì)算算法，算法流程如圖8所示。

圖8 移窗過濾均值計(jì)算算法

基于上述算法，對(duì)本文的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1計(jì)算出的接收信號(hào)強(qiáng)度，以及網(wǎng)關(guān)與藍(lán)牙傳感器的距離進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)試，經(jīng)過測(cè)試，形成對(duì)應(yīng)關(guān)系表（表2），便于現(xiàn)場(chǎng)部署時(shí)進(jìn)行配置。

表2 本文藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)1與距離對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 現(xiàn)場(chǎng)部署與平臺(tái)展示

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)采集到的數(shù)據(jù)，通過MQTT 發(fā)送到管理平臺(tái)，數(shù)據(jù)包格式采用JSON 格式，包括網(wǎng)關(guān)序列號(hào)、傳感器序列號(hào)、傳感器剩余電量、動(dòng)作計(jì)數(shù)累加值、網(wǎng)關(guān)部署門店地址等信息，具體格式為：｛“Gateway_ID”：“網(wǎng)關(guān)序列號(hào)”；“Command”：“Move”；“Tag_ID”：“標(biāo)簽序列號(hào)”；“Power”：電量值；“Tag_Count”：累加值；“Addr”：“shanghai”｝。

本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙MEMS 振動(dòng)傳感器、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)和管理平臺(tái)系統(tǒng)，部署在上海某大型展會(huì)的門店后，可以較為準(zhǔn)確地分析出客戶對(duì)在售零售品的動(dòng)作次數(shù)，如圖9 所示，2 合1 抓絨毯（黑色款）是該門店中客戶最感興趣的商品。管理平臺(tái)還對(duì)接了商品管理系統(tǒng)，詳細(xì)展示了商品分類、數(shù)量等信息。

圖9 智慧門店管理平臺(tái)

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種低功耗藍(lán)牙MEMS 振動(dòng)傳感器，重點(diǎn)研究了MEMS 振動(dòng)傳感器的軟硬件低功耗設(shè)計(jì)、MEMS 加速度信號(hào)的數(shù)據(jù)處理算法，并設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙廣播的數(shù)據(jù)通訊方式和接收信號(hào)強(qiáng)度的移窗過濾均值計(jì)算算法。通過相關(guān)技術(shù)研究與開發(fā)部署，構(gòu)建了一套包含藍(lán)牙MEMS 振動(dòng)傳感器、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)和管理平臺(tái)的智慧門店系統(tǒng)，可以采集和統(tǒng)計(jì)客戶對(duì)零售商品的行為動(dòng)作、對(duì)門店零售品的防盜警示等功能。本文的相關(guān)研究還可以推廣到人員定位管理［4］、人員行為分析等更多的場(chǎng)景中。