低功耗運(yùn)動檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

文/蘇渤力 胡治國

低功耗運(yùn)動檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

文/蘇渤力 胡治國

許多工業(yè)和智能樓宇自動化系統(tǒng)都使用運(yùn)動檢測器檢測是否有人從而控制不同的功能，通過關(guān)閉某些功能來提高效率。針對大型無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的功耗限制需求，設(shè)計了由無線通信芯片CC1310、PIR運(yùn)動檢測器、LPV521構(gòu)成濾波器、TLV3691構(gòu)成窗口比較電路及PCB天線構(gòu)成的低功耗運(yùn)動檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。該節(jié)點系統(tǒng)采集運(yùn)動信息（例如占位檢測、入侵檢測、運(yùn)動檢測），通過無線通信芯片CC1310由PCB天線發(fā)送到主控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)智能樓宇的遠(yuǎn)距離實時運(yùn)動檢測。

傳感節(jié)點 數(shù)據(jù)采集 運(yùn)動檢測 無線通信

許多工業(yè)現(xiàn)場和樓宇自動化系統(tǒng)都使用運(yùn)動檢測器檢測是否有人從而控制不同的功能，例如照明，通過在不需要的時候關(guān)閉這些功能來提高效率。這些系統(tǒng)往往需要增加無線傳感器節(jié)點的數(shù)量來實現(xiàn)大范圍控制，采用無線通信方式一方面可以避免連線降低成本，另一方面增強(qiáng)了系統(tǒng)的可拓展性。但是無線傳感器節(jié)點越多耗電越多，頻繁的更換電源會造成成本增加。通過設(shè)計低功耗的運(yùn)動檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實時獲取運(yùn)動感測信息并通過板載天線發(fā)送數(shù)據(jù)到主控系統(tǒng)，實現(xiàn)低功耗、遠(yuǎn)距離、精準(zhǔn)的智能樓宇無線控制。

1 節(jié)點硬件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點的設(shè)計是運(yùn)動檢測的核心，主要是通過PIR運(yùn)動檢測器采集運(yùn)動信息，經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理發(fā)送到無線通信芯片CC1310，CC1310無線通信芯片具有射頻控制子系統(tǒng)，通過其射頻控制子系統(tǒng)將采集到的運(yùn)動信息經(jīng)板載天線發(fā)送出去，主控系統(tǒng)通過板載天線接收運(yùn)動信息。無線傳感器節(jié)點由傳感器模塊、無線通信芯片模塊、PCB天線和電源模塊4部分組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于傳感器輸出的是一個非常小的信號，必須通過放大和濾波操作來放大信號并濾除噪聲，以便獲得合適的輸出信號，最大程度上減少虛假觸發(fā)事件。放大后的模擬輸出信號通過窗口比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用作無線通信芯片的中斷，需要的情況下喚醒CC1310實現(xiàn)節(jié)能的目的。

圖1：硬件結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 無線通信芯片

無線通信芯片是整個系統(tǒng)的核心。為了節(jié)約功耗，傳感器可由芯片內(nèi)專用的超低功耗自主MCU（Sensor Controller）以超低功耗方式進(jìn)行處理，該MCU可配置為處理模擬和數(shù)字傳感器，因此主MCU能夠最大限度的延長休眠時間。主MCU采用關(guān)斷模式，中斷喚醒的工作方式實現(xiàn)節(jié)能的目的。CC1310是超低功耗無線 MCU，兼具低功耗特點與無線和MCU功能，可極大延長傳感器終端節(jié)點的電池壽命。CC1310是一款支持多種標(biāo)準(zhǔn)的器件，軟件協(xié)議棧支持wM-Bus和 IEEE802.15.4g。CC1310器件在支持多個物理層和 RF 標(biāo)準(zhǔn)的平臺中將靈活的超低功耗RF收發(fā)器和強(qiáng)大的48MHz Cortex-M3 MCU相結(jié)合。專用無線控制器 (Cortex-M0)處理ROM或RAM中存儲的低層RF協(xié)議命令，從而確保超低功耗和靈活度，不會以犧牲RF性能為代價來實現(xiàn)低功耗； CC1310具有出色的靈敏度和穩(wěn)定性（可選擇性和阻斷）性能。

圖2：PIR運(yùn)動傳感器示意圖

圖3：模擬信號預(yù)處理電路

圖4：節(jié)點工作流程圖

1.2 PCB天線

天線是一個空間的概念，PCB天線的性能不如獨立天線，但是考慮到節(jié)點小型化、集成化設(shè)計因素，本設(shè)計采用PCB天線。參考德州儀器的技術(shù)文檔：天線快速選擇指南（DN035）、天線選擇詳細(xì)指南（AS058）、開放場所天線測試等文檔，綜合頻率、典型效率、帶寬和尺寸四方面因素選擇了微型螺旋PCB天線。

1.3 PIR運(yùn)動檢測模塊

PIR運(yùn)動傳感器包換兩個或多個元件，如圖2所示，這些元件輸出的電壓與入射紅外輻射量成正比。圖2的下半部分顯示了溫度不同于環(huán)境溫度的人體平行于傳感器表面運(yùn)動并穿過兩個傳感器元件的視野時產(chǎn)生的輸出電壓信號。輸出電壓信號的幅值與運(yùn)動速度以及相對于傳感器的距離成正比，電壓峰峰值在幾百微伏到幾毫伏之間。由于傳感器元件的物理尺寸小，感測空間較小，通常需要將菲涅爾透鏡置于PIR傳感器的前端，通過將紅外能量放大并集中到小型傳感器元件上來拓展感測范圍。菲涅爾透鏡的形狀和尺寸決定最大檢測角和觀察區(qū)域，根據(jù)應(yīng)用所需的視野角度和檢測范圍決定選擇哪種透鏡。

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

該設(shè)計中需要對 PIR 傳感器輸出端的信號進(jìn)行放大和濾波， 使進(jìn)入信號鏈后續(xù)各級的信號的幅值足以提供有用的信息。對于遠(yuǎn)處物體的運(yùn)動而言， PIR 傳感器輸出端的典型信號電平為微伏級， 因此需要進(jìn)行放大，如圖3所示。 首先， 需要通過濾波功能在輸入到達(dá)窗口比較器之前限制系統(tǒng)的噪聲帶寬。 其次，濾波功能還可設(shè)置系統(tǒng)能夠檢測到的運(yùn)動所對應(yīng)的最小和最大速度限值。如圖3所示，第一級和第二級組成的濾波電路實現(xiàn)了采用簡單極點的四階帶通濾波器，各級電路均可實現(xiàn)相同的二階帶通濾波特性。帶通濾波特性所選的截止頻率設(shè)為0.7HZ及10.6HZ。對于90dB左右的總信號增益，各級的通帶增益選定為220，這樣可以最大限度提升所用傳感器偏置點的運(yùn)動靈敏度范圍。為盡可能延長電池使用壽命，本設(shè)計使用 LPV521， 因為其電流消耗很低，每個放大器僅 351 nA（典型值）。此外，LPV521 還集成了電磁干擾 (EMI) 保護(hù)以降低對意外射頻 (RF) 信號的敏感度， 這對于采用高阻抗節(jié)點的低功耗設(shè)計十分有用。

濾波器的第一級作為同相增益級，該級為傳感器提供高阻抗負(fù)載，使其偏置點恒定不變。第二級作為反相增益級，由于該級輸出存在峰峰值噪聲，應(yīng)盡量選取較大的R3以便將系統(tǒng)的動態(tài)電流降至最低水平。公式1為第一級增益，公式2為第二級增益，公式3為總環(huán)路增益。

窗口比較器的設(shè)計需要將經(jīng)過放大和濾波的傳感器輸出轉(zhuǎn)換為可用作 MCU 輸入的數(shù)字信號，該信號作為主MCU的中斷信號，提示其檢測到的運(yùn)動情況。采用TLV3691 構(gòu)成窗口比較器電路，每個比較器的電流消耗可低至75 nA（典型值）。TLV3691 提供 一個具有輸入共模范圍的軌到軌輸入級， 此范圍超出了電源軌 100 mV， 從而可在輸入引腳上的電壓超出電源電壓時防止輸出反相。 這不但能夠提高本本設(shè)計對于電源噪聲的穩(wěn)健性，還能夠在調(diào)整窗口比較器閾值時實現(xiàn)最大的靈活性。

1.5 電源模塊

本設(shè)計采用 CR2032 鋰離子紐扣電池作為電源。 選擇 CR2032 紐扣電池作為電源是因為這類電池普遍適用，尤其在小外形尺寸系統(tǒng)（如傳感器終端節(jié)點） 中的使用更為普遍。鋰離子 CR2032 紐扣電池的電壓特性也非常理想。 輸出電壓在整個放電周期內(nèi)保持相對平穩(wěn)， 直到電池基本耗盡。 電池電量耗盡時，輸出電壓下降相對較快。鋰離子電池的溫度特性同樣優(yōu)于堿性電池， 尤其在低溫條件下的優(yōu)勢明顯。 這種優(yōu)勢是由于鋰離子電池中的非水電解質(zhì)導(dǎo)電性能優(yōu)于堿性電池中常見的水電解質(zhì)。

2 節(jié)點軟件設(shè)計

2.1 節(jié)點工作流程

圖4所示節(jié)點流程圖介紹了本設(shè)計的工作原理。CC1310 首先檢查喚醒源。如果器件由復(fù)位操作喚醒， 則系統(tǒng)第一次得到上電，CC1310 將以待機(jī)模式持續(xù)運(yùn)行2分鐘， 等待PIR傳感器系統(tǒng)上電以及工作點趨于穩(wěn)定。2分鐘后，將查看窗口比較器的輸出，兩比較器在默認(rèn)情況下均應(yīng)輸出低電平，如果任一比較器輸出高電平，CC1310 將發(fā)送一條 ERROR消息并在傳感器工作點穩(wěn)定前額外等待一段時間。PIR傳感器和模擬信號鏈正常工作后，CC1310 將進(jìn)入關(guān)斷模式。CC1310將始終保持關(guān)斷模式，直至PIR傳感器通過作為中斷的窗口比較器輸出告知 MCU 檢測到運(yùn)動情況。如果CC1310由 PIR 傳感器喚醒，則會發(fā)送ON 數(shù)據(jù)包通知主機(jī)控制器檢測到運(yùn)動情況。CC1310將在PIR傳感器靜默1分鐘后向主機(jī)控制器發(fā)送OFF數(shù)據(jù)包并返回關(guān)斷模式。

2.2 無線傳輸

本設(shè)計通過PIR傳感器檢測是否與人存在。CC1310可能廣播3種操作值：0xEE:傳感器在啟動過程中出錯；0xAA:檢測首個運(yùn)動時的ON數(shù)據(jù)包；0xFF：檢測到最后一個運(yùn)動后1分鐘的OFF數(shù)據(jù)包。為了保證無線傳輸正常進(jìn)行，通過SmartRFTM協(xié)議數(shù)據(jù)包監(jiān)聽器軟件“監(jiān)聽”數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)顯示為原始數(shù)據(jù)流，可以針對該數(shù)據(jù)流進(jìn)行后續(xù)分析處理。

3 結(jié)論

根據(jù)工業(yè)和樓宇自動化運(yùn)動檢測需求，文中采用CC1310無線通信芯片和PCB天線相結(jié)合進(jìn)行了無線傳感器節(jié)點設(shè)計，采用兩級濾波電路和窗口比較電路避免了誤觸發(fā)事件，傳感器數(shù)據(jù)采集由超低功耗自主MCU進(jìn)行，主MCU處于關(guān)斷模式極大的降低了系統(tǒng)功耗。由該節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在模擬實驗中取得了良好的表現(xiàn)，低功耗能延長電池的使用壽命、降低成本。

[1]蘇波,李艷秋,于紅云,尚永紅.從環(huán)境中獲取能量的無線傳感器節(jié)點[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2008(09)：15.

[2]張建軍,陳曉,趙意.一種無線傳感器節(jié)點動態(tài)采樣策略[J].電子測量與儀器學(xué)報,2016(02)：15.

作者單位 河北省三河市防災(zāi)科技學(xué)院 河北省三河市101601