無線紅外報警器的低能耗設計

何 莉，楊澤林， 李昌平

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 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計

何 莉1，楊澤林1， 李昌平2

(1.重慶理工大學 電氣與電子工程學院， 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報警而產生的大量能耗；利用MCU的掉電喚醒功能進行了低能耗模式設計，給出了系統主程序流程圖，實現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，實現超長時間持續供電。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

隨著物聯網技術的發展，商用物聯網安防系統得到了廣泛應用。一般商用物聯網安防系統由7×24 h監控中心、現場安防主機、監控終端裝置三層網絡組成，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測外界入侵事件[1]，具有無需布線、安裝方便等優勢。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]，實際使用中發現，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帶來巨大的工作量和人力成本，甚至給用戶帶來財產損失，使無線紅外報警器的優勢喪失殆盡。結合實際使用狀況，分析目前使用的報警器功耗原因，改進設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，可以長時間持續為報警器供電，提高干電池的續電能力，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模塊，采用德國原裝進口LHI778 探頭設計，具有靈敏度高、可靠性強、功耗低(靜態電流<50 μA)、全自動感應并可實現光敏控制和溫度補償等特點[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電壓監測器檢測到電池電壓過低時，輸出信號均變低，并發出下降沿觸發信號，經報警觸發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無線發射模塊發送給現場報警主機和監控中心。無報警時，編碼器和無線發射模塊處于關閉狀態。經測試，紅外報警器的靜態工作電流小于70 μA，報警工作電流小于24 mA，單次報警持續工作時間小于2 s，功耗已處于較低水平。可電池的實際工作壽命遠低于理論設計，只有3～4個月。經分析發現：商用物聯網安防系統雖然有撤防和布防兩種工作模式，但這是通過現場或監控中心控制切換的，其終端無線紅外報警器并沒有撤防。即在安防系統撤防模式下，現場安防主機和監控中心不處理任何報警信號，整個安防系統不響應任何報警事件。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，產生了大量的能耗，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。在系統撤防時段不被無效觸發，以達到降低能耗的目的，是低能耗設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

由于一臺主機監控多個無線終端設備，報警器接收到的串行數據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據傳送。VD5027只有接收到與本機地址相同的數據后，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行相應操作。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K1為紅外傳感器供電，報警器處于布防工作狀態，產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，不能進行任何觸發報警，從而降低報警器的能耗。

2.2 采用MCU的低能耗模式設計

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

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，內含E2PROM可在線讀寫數據用于保存布/撤防狀態和電池電壓，還含有8通道8位AD轉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程序兩大部分，各程序獨立運行。

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

中斷喚醒服務程序設有無線接收、紅外觸發報警、掉電檢測3個中斷源。無線接收中斷根據接收到的命令，進行撤/布防設置處理并保存標志等；紅外觸發報警中斷用于檢測并診斷報警器狀態，向主機發出報警信息；掉電檢測中斷服務程序用于對C1、BT2電池電壓進行檢測，針對電池狀態發出預警信息；所有喚醒處理出現均對BT2進行充電管理：從4.5 V到5 V為充電區，K2導通；從5 V到4.5 V為正常工作放電區，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境下持續供電，能夠有效地提高電池的續電能力，從而進一步完善了報警器的低能耗設計。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構成，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調整,Vcc=4.2 V+3.04×10-6×Rx，報警器Vcc設定為：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對BT2充電，充電完成后又斷開K2，恢復正常。這樣可避免BT1，BT2同時供電而又同時失電繼而導致報警器癱瘓。

3 性能測試與結果

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

圖7 功耗參數測試方案示意圖

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

表1 性能參數對比

4 結束語

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境下7×24 h的持續供電，有效地延長了報警器等終端裝置電池的使用壽命，達到了設計目的。同時，終端裝置采用雙向通訊使商用物聯網安防網絡3層網絡的通訊更加完善通暢，也大大地提高了安防系統的有效性和可靠性。

該報警器低能耗設計理念也可以用在物聯網如智能家居等其它應用中。

[1] 郝海峰，陶麗芳.基于89C52的紅外熱釋電防盜報警器設計[J].科技視界.2015(23):144-145.

HAO Haifeng,TAO Lifang.Design of infrared pyroelectric alarm system based on 89C52[J].Science & Technology Vision,2015(23):144-145.

[2] 陳國鈞.紅外探測無線遙控數顯防盜報警系統研究[J].機電信息.2014(12):154-155.

CHEN Guojun.Research of Infrared detection wireless remote control digital alarm system[J].Mechanical and Electrical Information,2014(12):154-155.

[3] 羅樂.紅外傳感器數據采集防盜報警器系統設計[J].制造業自動化.2012,34(9):138-140.

LUO Le.Based on the improved infrared anti-theft alarm system design and research[J].Manufacturing Automation,2012,34(9):138-140.

[4] 楊進松，王軍利.一種熱釋電紅外無線報警器設計[J].現代電子技術.2012.35(15)：34-36.

YANG Jinsong,WANG Junli.Design of pyroelectric infrared wireless alarm system[J].Modern Electronics Technique,2012,35(15)：34-36.

[5] 黃敏.紅外無線報警器原理與設計[J].數字技術與應用,2014(6)：51.

HUANG Min.Principle and design of infrared wireless alarm system[J].Digital Technology and Application,2014(6)：51.

[6] 深圳市捷深科技有限公司.HC-SR501人體感應模塊說明書[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/4c777a8702d276a200292e4f.html?re=view(出處:百度文庫).

Shenzhen Jieshen Technology Co.Ltd.HC-SR501 Human body induction module[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/4c777a8702d276a200292e4f.html?re=view.

[7] 楊澤林,何云祥,陳以東.嵌入式高精度錐度(角)測量儀的研制[J].儀表技術,2009(12):3-5.

YANG Zelin,HE Yunxiang,CHEN Yidong.Design of Embedded High Precision Cone Angle Measuring Device[J].Instrumentation Technology,2009( 12):3-5.

[8] 姜志海，黃玉清，劉連鑫.單片機原理及應用[M].2版.北京：電子工業出版社，2013.

JIANG Zhihai,HUANG Y uqing,LIU Lianxin.Principle and application of single chip microcomputer[M].2th Edition.Beijing:Electronic Industry Press,2013.

[9] 王志剛，李偉，賈宇飛.基于單片機的無線防盜報警器研究與設計[J].電子設計工程,2015,23(20):134-136.

WANG Zhigang,LI Wei,JIA Yufei.Research and design based on single chip wireless burglar alarm[J].Electronic Design Engineering,2015,23(20):134-136.

[10]STCmicro Technology Co.,Ltd.STC12C2052AD 8-bit microcontroller usermenu.2005.

[11]張勇，邱忠媛，宋清弋，等.物理實驗中簡易太陽能紅外報警器設計[J].實驗技術與管理，2015,32(9):92-94.

ZHANG Yong,QIU Zhongyuan,SONG Qingyi,et al.Design of simple solar infrared alarm in physical experiment[J].Experimental Technology and Management,2015,32(9):92-94.

[12]張靜靜,趙澤，陳海明，等.一種高效的太陽能傳感器網絡節點系統設計與實現[J].儀器儀表學報， 2012，33(9):1952-1958.

ZHANG Jingjing,ZHAO Ze.CHEN Haining,et al.Design and implementation of a high-efficiency solar energy-harvesting sensor node system[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2012,33(9):1952-1958.

[13]王戰備.基于太陽能的無線傳感器網絡節點供電系統設計[J].渭南師范學院學報,2013,28(12):64-68.

WANG Zhanbei.Design of Wireless Sensor Network Node Power System Based on Solar Energy[J].Journal of Weinan Normal University,2013,28(12):64-68.

[14]劉永鑫,洪添勝,岳學軍，等.太陽能低功耗滴灌控制裝置的設計與實現[J].農業工程學報，2012.28(20):20-26.

LIU Yongxi,HONG Tianshen,YUE Xuejun,et al.Design and experiment of drip irrigation control device with low-power solar energy[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2012,28(20):20-26.

[15]如韻電子.CN3063 可用太陽能電池供電的鋰電池充電管理芯片數據手冊[K].2011.

CONSONANCE.CN3063 Lithium battery charging management chip with solar battery power supply.Data Sheets[K].2011.

[16]高安同，陳榮剛．鋰離子電池健康預測方法[J]．重慶理工大學學報(自然科學)，2014(2):102-105．

GAO Antong，CHEN Ronggang Methods of Li-ion Battery Health Prediction[J]．Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2014(2):102-105．

[17]王越，龐振營，王帥，等． 嵌入式無線視頻監控系統的設計與實現[J]．重慶理工大學學報(自然科學)，2015(4):67-72．

WANG Yue，PANG Zhenying，WANG Shuai，et al． Design and Implementation of Embedded Wireless Video Monitoring System[J]． Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2015(4):67-72．

(責任編輯 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，主要從事動態測試、信號處理及嵌入式系統方面研究。

何莉，楊澤林，李昌平.無線紅外報警器的低能耗設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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