太陽能低功耗無線紅外報警器設(shè)計

楊澤林,何 莉,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)

太陽能低功耗無線紅外報警器設(shè)計

楊澤林1,何 莉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)

隨著安防技術(shù)的不斷發(fā)展，無線紅外報警器得到了非常廣泛的應(yīng)用。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，電池供電的無線紅外報警器存在不能長時間持續(xù)供電的應(yīng)用缺陷。因此，對無線紅外報警器的工作原理和工作模式重新進(jìn)行了分析和研究，并結(jié)合布防/撤防的實際應(yīng)用情況，提出了一種太陽能低功耗無線紅外報警器的改進(jìn)設(shè)計方案，實現(xiàn)了進(jìn)一步降低報警器的功耗、增加報警器電池使用壽命的目的。該報警器增加了太陽能供電電源模塊，具有接收解碼功能的無線收發(fā)模塊及接口電路；根據(jù)報警器的布防/撤防命令，增加了對紅外探頭電源的通斷控制；利用CPU的掉電喚醒功能，編寫了報警器測控軟件程序，實現(xiàn)了報警器的低功耗工作模式設(shè)計。實際測試和應(yīng)用表明：該設(shè)計有效降低了報警器的功耗，實現(xiàn)了報警器18個月的超長時間持續(xù)供電。其設(shè)計思想對其他移動太陽能電源和低功耗設(shè)備的設(shè)計也有很好的借鑒意義。

太陽能； 物聯(lián)網(wǎng)； 安防； 紅外報警器； 單片機(jī)； 無線通信

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)中，紅外報警器是最常用的終端設(shè)備之一，無線紅外報警器以其安裝方便、無需布線或可用在無法布線的場合等優(yōu)點而受到歡迎。目前無線紅外報警器產(chǎn)品多采用干電池供電，較少針對低功耗作專門的技術(shù)處理與設(shè)計[1-5]。實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：干電池供電時間僅有3～4個月，在客戶安裝紅外報警器量大的情況下，僅不定期更換電池就給安防企業(yè)帶來了巨大的工作量和人工成本；而且隨著干電池供電能力的降低，報警器將不能正常工作，失去安防報警的作用。本文設(shè)計了一種太陽能供電的低功耗無線紅外報警器。

實際測試和應(yīng)用表明：該報警器在布防/撤防模式下，靜態(tài)電流分別小于50 μA和30 μA，大大降低了報警器的靜態(tài)功耗；在室內(nèi)弱光環(huán)境下，報警器能夠正常工作一年以上，且報警觸發(fā)、數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠。

1 報警器組成

報警器由太陽能供電模塊、315 MHz無線收發(fā)模塊、HN911熱釋電紅外報警模塊與供電開關(guān)、單片機(jī)等組成，如圖1所示。

圖1 報警器組成框圖

該報警器選用的CPU是STC12C5201AD單片機(jī)，它是一款高速低功耗的增強(qiáng)型8051單片機(jī)，特別適合作為該報警器的控制CPU。它只有20多個功能引腳，內(nèi)含可在線讀寫的EEPROM、8通道8位高速ADC模塊和掉電檢測電路(P1.2)，工作電壓范圍為3.3～5.5 V；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。

工作時，單片機(jī)處于掉電工作狀態(tài)。當(dāng)無線收發(fā)模塊收到有效命令或在布防模式下紅外探頭觸發(fā)報警時，均輸出一個脈沖信號喚醒單片機(jī)；CPU根據(jù)讀出的命令碼進(jìn)入相應(yīng)工作狀態(tài)，并進(jìn)行報警器工作狀態(tài)檢測、報警數(shù)據(jù)通信傳輸、電池充電管理等處理；處理結(jié)束后再次進(jìn)入掉電狀態(tài)，等待下次喚醒。

2 太陽能供電模塊設(shè)計

該報警器設(shè)計了雙電池兩級儲能充電的電源模塊，采用非晶硅太陽能電池板供電，將充電管理簡單且無充電記憶的超級電容鋰電池作為儲能元件。針對非晶硅太陽能電池板可在室內(nèi)弱光工作和微電流的特點，報警器供電模塊采用兩級充電儲能方案[6-7]：太陽能電池板持續(xù)對Ⅰ級電池充電，CPU控制DC/DC穩(wěn)壓電源斷續(xù)對Ⅱ級電池充電，以降低太陽能供電模塊自身的功耗。太陽能供電模塊電路原理如圖2所示。

圖2 太陽能供電模塊電路原理圖

太陽能電源BT由四塊37 mm×22 mm的非晶硅太陽能電池板并聯(lián)構(gòu)成，可在室內(nèi)弱光環(huán)境下工作。當(dāng)光照度≤200 lx(室內(nèi)弱光)時，其輸出電壓/電流小于5.5 V/40 μA；當(dāng)光照度≥6 000 lx(最大日光)時，其輸出電壓/電流小于7.5 V/24 mA，屬于弱電流供電。兩級超級電容鋰電池分別是電容C2和C4，報警器供電模塊BT直接對Ⅰ級供電電池C2持續(xù)充電；Ⅱ級電池C4供電由穩(wěn)壓電源LT1073完成。LT1073是一款通用微功耗DC/DC 5 V穩(wěn)壓電源，雖然其工作電流僅為0.1 mA，但對于BT也是一個不小的負(fù)載，因此設(shè)計了CPU，以實現(xiàn)對Ⅱ級供電電池C4的充電控制和管理：利用CPU P1.1輸出控制Q1通斷LT1073的工作電源，從而在減輕BT負(fù)擔(dān)的同時降低報警器的功耗。通過掉電或電壓檢測到C4電壓過低時，喚醒單片機(jī)控制Q1導(dǎo)通，LT1073工作，完成對C4充電和整個電路的供電；充電完畢再控制Q1斷開，LT1073不工作，僅由C4對電路供電，從而進(jìn)一步降低供電模塊自身功耗。VDD為外接充電電源接口，可對供電模塊充電。

3 無線接收模塊設(shè)計

報警器無線通信頻段為315 MHz，如果將無線接收解調(diào)處理后的信號或數(shù)據(jù)直接輸出到單片機(jī)的Rxd，則干擾信號和非本機(jī)數(shù)據(jù)/命令將會頻繁地喚醒單片機(jī)工作，大大增加電路功耗。為此，在收發(fā)模塊和單片機(jī)之間增加了具有接收解碼功能的接口電路VD5027。無線接收電路原理圖如圖3所示。

圖3 無線接收電路原理圖

收發(fā)模塊接收的信號和數(shù)據(jù)先經(jīng)VD5027芯片解碼后再傳輸給單片機(jī)，只有當(dāng)VD5027收到與本機(jī)A0～A7地址碼相同的數(shù)據(jù)時，VT才輸出一個正脈沖，喚醒單片機(jī)，CPU讀取D0～D3上的命令碼并進(jìn)行相應(yīng)處理。這樣，報警器徹底避免了由于非本機(jī)數(shù)據(jù)和干擾頻繁無效喚醒單片機(jī)而導(dǎo)致的功耗增加，同時還進(jìn)一步提高了通信的可靠性。

4 紅外報警模塊設(shè)計

無線紅外報警器主要采用紅外熱釋電的檢測報警原理，選用的微功耗HN911熱釋電紅外探頭模塊就是一個將熱釋電紅外傳感器、放大器信號處理電路以及高、低電平輸出電路等集成于一體的傳感器件。它具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)及使用方便等特點，主要用來探測人體發(fā)射出來的紅外線能量，適用于人體移動的探測報警系統(tǒng)[8]。其靜態(tài)工作電流≤20 μA，但觸發(fā)工作電流≥20 mA。當(dāng)其觸發(fā)時，輸出正脈沖喚醒單片機(jī)工作。事實上，報警系統(tǒng)有撤防和布防兩種工作模式。當(dāng)報警器工作在撤防模式時，后臺監(jiān)控中心不響應(yīng)處理報警器的報警信號。因此，結(jié)合報警布防/撤防指令控制紅外探頭的電源；在撤防模式下，CPU切斷紅外探頭的電源，可以有效避免由于各種原因造成的報警器無效觸發(fā)啟動，大大降低了報警器的功耗。

紅外探頭模塊電路原理如圖4所示。利用Q2通斷報警器紅外報警模塊的工作電源，在收到撤防命令后，CPU通過P1.3輸出低電平，控制Q2斷開紅外模塊電源，使其不能觸發(fā)。在撤防后禁止熱釋電紅外傳感器工作，也是降低電路功耗的有效措施之一。

圖4 紅外探頭模塊電路原理圖

5 軟件設(shè)計

利用單片機(jī)的掉電喚醒功能，設(shè)計了報警器的軟件架構(gòu)[9-10]，實現(xiàn)了對太陽能供電及電池的管理控制以及報警器電路的低功耗控制。軟件程序主要由加電/復(fù)位處理程序、無線接收中斷喚醒處理程序和報警觸發(fā)中斷喚醒處理程序三個獨立部分組成，工作可靠性良好。報警器軟件設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 報警器軟件設(shè)計流程圖

加電/復(fù)位處理程序：上電復(fù)位，對CPU的串口、外部中斷等進(jìn)行初始化；清除EEPROM中的撤布防標(biāo)志，報警器初始狀態(tài)處于撤防工作模式；無線接收模塊處于接收狀態(tài)、太陽能供電模塊Q1導(dǎo)通，電源模塊處于充電工作模式。

無線接收中斷喚醒處理程序：根據(jù)接收到的命令，完成撤防/布防設(shè)置并保存標(biāo)志，并進(jìn)行軟件復(fù)位等其他處理。報警觸發(fā)中斷喚醒處理程序：用于檢測并診斷報警器狀態(tài)，向主機(jī)發(fā)出報警信號。所有中斷喚醒處理程序之后都將進(jìn)行電池狀態(tài)檢測，從而對電池C4進(jìn)行充電管理。從4.5 V到5 V為充電區(qū)，Q1導(dǎo)通；從5 V到4.5 V為放電區(qū)，Q1斷開，具有施密特特性。

6 結(jié)束語

太陽能低功耗無線紅外報警器采用的太陽能雙電池兩級儲能供電方案合理，電路簡單實用，功耗低；無線收發(fā)模塊和紅外報警模塊的低功耗設(shè)計處理效果顯著；利用單片機(jī)中斷喚醒功能設(shè)計的測控軟件，架構(gòu)科學(xué)、合理，可靠性高。

這款太陽能低功耗無線紅外報警器改進(jìn)設(shè)計完成后，已投入小批量生產(chǎn)使用；最長使用時間達(dá)18個月以上，性能穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計目的。通過與在市場上購買使用的前期產(chǎn)品進(jìn)行同條件對比測試，證明了該報警器具有更低的功耗和更好的測控性能，且電池使用壽命得到了明顯增加。

其設(shè)計思想可廣泛用于基于物聯(lián)網(wǎng)的安防系統(tǒng)和智能家居的室內(nèi)外終端設(shè)備，也可用于移動太陽能電源和其他低功耗設(shè)備。

[1] 陳國鈞.紅外探測無線遙控數(shù)顯防盜報警系統(tǒng)研究[J].機(jī)電信息,2014(12):154-155.

[2] 謝文蟯,譚藝,王磊.基于單片機(jī)STC90C516的超聲波紅外報警系統(tǒng)設(shè)計[J].蘭州工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2013,20(5):1-4.

[3] 羅樂.紅外傳感器數(shù)據(jù)采集防盜報警器系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化， 2012,34(9):138-140.

[4] 楊進(jìn)松，王軍利，一種熱釋電紅外無線報警器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012,35(15)：34-36.

[5] 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(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理， 2015,32(9):92-94.

[6] 張靜靜，趙澤，陳海明,等.一種高效的太陽能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報，2012，33(9):1952-1958.

[7] 劉永鑫,洪添勝,岳學(xué)軍,等.太陽能低功耗滴灌控制裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(20):20-26.

[8] 周海波.基于HN911的紅外線報警系統(tǒng)[J].長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008,25(3)：55-57.

[9] 王越，龐振營，王帥，等．嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015(4):67-72．

[10]張安然.一種低功耗有源標(biāo)簽的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化儀表，2014，35(7)：56-59.

Design of the Low Power Consumption Wireless Infrared Alarm Device Powered by Solar Energy

YANG Zelin1,HE Li1,LI Changping2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Chongqing University of Technology，Chongqing 400054,China;2.Chongqing Guardian JIALI’AN Science and Technology Co.,Ltd.,Chongqing 400039,China)

Along with the development of security technology,the wireless infrared alarm devices have been widely used.But in practical applications，it is found that the battery-powered wireless infrared alarm devices cannot operate without long duration of continuous power supply.Based on the analysis and research on the operational principle and working mode of the wireless infrared alarm devices,and combining with the practical application of arming/disarming,an improved design scheme for low power consumption wireless infrared alarm device powered by solar energy is proposed.The designing purpose of further reducing power consumption and improving the life cycle of batteries for the device is implemented.In the device,the solar powered power supply module,the wireless transceiver module and interface circuit with decoding function are added,and in accordance with the arming/disarming commands,the on/off control for the power supply of infrared probe is equipped.By adopting the power-down wake-up function of CPU,the program of measurement and control is written,to realize the design of operation mode under low power consumption.The practical tests and applications show that the design effectively reduces the power consumption of the alarm device,and achieves the capability of 18-month continuously power supplying.The design concept is good reference for designing other mobile solar power supplies and equipment with low power consumption.

Solar energy; IoT; Security; Infrared alarm device； Single chip machine; Wireless communication

楊澤林(1962—)，男，碩士，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)、自動化儀器儀表方向的研究。E-mail：yzl@cqut.edu.cn。

TH816； TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704021

修改稿收到日期：2016-12-05