基于物聯網技術報警及環境監測智能終端的設計

嚴曉華+鄭國莘

摘 要：文章從家庭應用環境出發，設計了一款基于物聯網技術的居家環境監測及安防報警的無線智能終端。該智能終端集成溫濕度、甲醛、二氧化碳及有機物濃度傳感器，實現家居空氣質量檢測。融合加速度、微波、熱釋電多種傳感器數據，實現防盜報警功能。該智能終端具有功耗低、壽命長、安裝簡便、穩定可靠等特點，具備一定的先進性及實用性。

關鍵詞：智能家居；低功耗；數據融合；傳感器

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

0 引 言

隨著社會的進步與發展，人口流動加劇，各類治安事件頻發，導致普通家庭對防盜報警設備的需求量逐年增加[1-3]。同時，隨著人們生活品質的提高，對居家環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量、溫濕度等信息[4]。所以一種同時具備防盜報警及環境監測功能、安裝簡單、維護便利的設備便應運而生。本文從上述背景出發，設計了一款同時具備防盜報警及環境監測功能的智能終端，從該設備的軟件及硬件著手，簡要描述該設備的設計要點，并根據該設備的特點詳細闡述了該設備功耗測試要領，給出相關測試數據，測試結果表明，該智能終端的低功耗特征明顯，非常適合在居家環境中使用。

1 智能終端硬件系統設計與實現

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、運動、振動和沖擊等產生的力變化[5]。集成的熱釋電與微波傳感器節點安裝于墻面上，實現家庭非法入侵檢測[6-8]；安裝的溫濕度、甲醛及二氧化碳等傳感器則實時采集房間內的空氣質量數據，將其周期性發送到后臺服務器，實時監控居室環境狀態[9，10]。

主控芯片對上述傳感器的輸出進行實時采集、整理、計算及分析，進而對當前居室內的狀態進行判斷，并將結果通過ZigBee網絡發送到數據網關設備。數據網關設備則會將此類信息通過Internet網絡把該數據傳輸到遠程服務器或對應的手機App，最終實現居家環境監控及防盜報警等功能。智能終端相關硬件框架如圖1所示。

LGAQS-HT01五合一傳感器模塊，可以用來檢測環境溫濕度、甲醛、二氧化碳濃度及揮發性有機物的濃度，可以很方便地應用于室內空氣質量檢測場合。該模塊簡化了設計，非常適合應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現人體感應，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，導致后端數據分析困難。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實現移動目標探測。使用熱釋電紅外、微波傳感器克服了單一技術的缺陷，能夠降低系統的誤判率[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門窗的位移變化，并輸出相應的數據至主控芯片，主控將對該數據進行運算并與預設值進行對比，實現門窗強行開啟、大力破壞等異常行為判斷，最終觸發警報器發出警報聲并發送警報信息，通知主人進行防盜保護，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據通道，是與外界信息交互的窗口，無線發射功率、發射頻次及接收靈敏度幾個關鍵指標決定了智能終端的功能特性，對產品的性能和功能起到決定性作用。為此，無線模塊化硬件的設計需要配合相關仿真軟件調整各類參數來實現性能的最優化。

本著滿足不同物聯網場景應用、硬件方便裁剪，即滿足功能多樣且結構靈活的目的，實現智能終端的硬件設計。本智能終端采用模塊化設計方案，硬件具體實現如圖2所示。

由于智能終端采用電池供電，電池容量及設備的能量消耗決定了整個產品的壽命。為此，智能終端的設計原則在滿足功能要求的背景下，應盡量減少外圍傳感器及射頻的工作頻次，在系統設計過程中，對整體功耗進行優化。

1.1 傳感器工作模式設定

（1）對于有中斷觸發模式的傳感器，如加速度傳感器、五合一傳感器，主控芯片對傳感器數據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間。

（2）對于沒有中斷觸發的傳感器，如熱釋電及微波傳感器，根據傳感器自身的響應時間，利用主控芯片內部低功耗定時器設定采樣窗口，在該窗口時間內實現數據的獲取，在其余時間內，關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定

（1）射頻數據發送之前開啟CSMA模式，只有在信道空閑時才會利用射頻模塊發送相應數據，提高數據發送的成功率，間接降低系統整體功耗。

（2）射頻數據的發送采用中斷模式，主控芯片將數據送入射頻芯片的FIFO之后，主控芯片將進入休眠模式直至數據發送完成中斷喚醒主控芯片，減少系統在射頻數據發送周期內不必要的能量損耗。

（3）射頻數據的接收采用中斷模式，如果智能終端需要接收來自其父節點的信息，如智能終端發送完數據后在等待ACK過程中，主控芯片將進入休眠模式直至射頻數據接收完成中斷喚醒主控芯片，減少主控芯片在射頻數據接收周期內的能量損耗。

（4）無需數據收發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定

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

（2）由于主控芯片喚醒或復位時，默認采用內部RC振蕩器產生的時鐘，所以采用內部RC振蕩器作為主時鐘，縮短主控芯片的喚醒時間，降低功耗。

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

智能終端的軟件實現流程如圖3所示。

2 功耗測試

為了評估智能終端的工作壽命，需要對實際功耗進行測量與評估。本項目通過功率分析儀實現對功耗的測量，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功率分析儀，并接上穩壓電源；

（2）將穩壓電源輸出設置為4 V，電流輸出上限設置為100 mA；

（3）將功率分析儀設為直流測量，檔位設為100 mA，采樣設置為平均電流采樣。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，所以在設計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聯，外圍傳感器及射頻芯片的工作頻次及模式對整個系統的功耗也起到決定性作用。

根據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間，相關數據見表1所列。

為得到系統的整體功耗，需要設置以下幾個假設條件：

假設條件1：射頻數據發送頻率為Frf send；

假設條件2：射頻工作的平均電流為Irf avr；

假設條件3：射頻工作的持續時間為Trf avr；

假設條件4：傳感器采樣頻率為Fsensor；

假設條件5：傳感器采樣平均功耗為Isensor avr；

假設條件6：傳感器單次采樣持續的時間為Tsensor avr；

假設條件7：主控休眠模式下，待機功耗為Iidle；

由以上7個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）

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

3 結 語

本文設計的智能終端從家庭實際需求出發，旨在滿足家庭環境監測及防盜需求。本智能終端設計采用物聯網技術、多傳感器數據融合技術，以實現居家環境參數監測及防盜報警功能，可有效降低入侵監控的誤報率。由于該設備采用電池供電，功耗決定了該設備的使用壽命，為此，在實際設計中考慮了每個功能子模塊的功耗特性，保證每個子模塊功耗最優化。實際測試表明，該智能終端功耗性能優越，能夠滿足一般家庭環境監測及防盜報警的需求。

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