基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)報(bào)警及環(huán)境監(jiān)測(cè)智能終端的設(shè)計(jì)

嚴(yán)曉華+鄭國(guó)莘

摘 要：文章從家庭應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居家環(huán)境監(jiān)測(cè)及安防報(bào)警的無(wú)線智能終端。該智能終端集成溫濕度、甲醛、二氧化碳及有機(jī)物濃度傳感器，實(shí)現(xiàn)家居空氣質(zhì)量檢測(cè)。融合加速度、微波、熱釋電多種傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警功能。該智能終端具有功耗低、壽命長(zhǎng)、安裝簡(jiǎn)便、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，具備一定的先進(jìn)性及實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：智能家居；低功耗；數(shù)據(jù)融合；傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）11-00-03

0 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人口流動(dòng)加劇，各類(lèi)治安事件頻發(fā)，導(dǎo)致普通家庭對(duì)防盜報(bào)警設(shè)備的需求量逐年增加[1-3]。同時(shí)，隨著人們生活品質(zhì)的提高，對(duì)居家環(huán)境的要求也隨之水漲船高，很多民眾希望掌握自己居住場(chǎng)所的空氣質(zhì)量、溫濕度等信息[4]。所以一種同時(shí)具備防盜報(bào)警及環(huán)境監(jiān)測(cè)功能、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)便利的設(shè)備便應(yīng)運(yùn)而生。本文從上述背景出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款同時(shí)具備防盜報(bào)警及環(huán)境監(jiān)測(cè)功能的智能終端，從該設(shè)備的軟件及硬件著手，簡(jiǎn)要描述該設(shè)備的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并根據(jù)該設(shè)備的特點(diǎn)詳細(xì)闡述了該設(shè)備功耗測(cè)試要領(lǐng)，給出相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果表明，該智能終端的低功耗特征明顯，非常適合在居家環(huán)境中使用。

1 智能終端硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(cè)量加速度的傳感器，可以用于檢測(cè)由于傾斜、運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和沖擊等產(chǎn)生的力變化[5]。集成的熱釋電與微波傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于墻面上，實(shí)現(xiàn)家庭非法入侵檢測(cè)[6-8]；安裝的溫濕度、甲醛及二氧化碳等傳感器則實(shí)時(shí)采集房間內(nèi)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，將其周期性發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，實(shí)時(shí)監(jiān)控居室環(huán)境狀態(tài)[9，10]。

主控芯片對(duì)上述傳感器的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、整理、計(jì)算及分析，進(jìn)而對(duì)當(dāng)前居室內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，并將結(jié)果通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備則會(huì)將此類(lèi)信息通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)把該數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器或?qū)?yīng)的手機(jī)App，最終實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境監(jiān)控及防盜報(bào)警等功能。智能終端相關(guān)硬件框架如圖1所示。

LGAQS-HT01五合一傳感器模塊，可以用來(lái)檢測(cè)環(huán)境溫濕度、甲醛、二氧化碳濃度及揮發(fā)性有機(jī)物的濃度，可以很方便地應(yīng)用于室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)場(chǎng)合。該模塊簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，非常適合應(yīng)用于低功耗電池供電的場(chǎng)合。

本智能終端采用被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器實(shí)現(xiàn)人體感應(yīng)，型號(hào)為HC-SR501。被動(dòng)式熱釋電紅外探頭很容易受其他熱源影響，導(dǎo)致后端數(shù)據(jù)分析困難。為了避免上述問(wèn)題，輔以微波傳感器，型號(hào)為HB100，借助微波的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)。使用熱釋電紅外、微波傳感器克服了單一技術(shù)的缺陷，能夠降低系統(tǒng)的誤判率[11，12]。

集成的加速度傳感器型號(hào)為MMA8452Q。智能終端安裝于門(mén)窗之后，加速度傳感器會(huì)感應(yīng)門(mén)窗的位移變化，并輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)至主控芯片，主控將對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)門(mén)窗強(qiáng)行開(kāi)啟、大力破壞等異常行為判斷，最終觸發(fā)警報(bào)器發(fā)出警報(bào)聲并發(fā)送警報(bào)信息，通知主人進(jìn)行防盜保護(hù)，從而更好地防止盜賊入室行竊[13，14]。

無(wú)線模塊是智能終端對(duì)外的數(shù)據(jù)通道，是與外界信息交互的窗口，無(wú)線發(fā)射功率、發(fā)射頻次及接收靈敏度幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)決定了智能終端的功能特性，對(duì)產(chǎn)品的性能和功能起到?jīng)Q定性作用。為此，無(wú)線模塊化硬件的設(shè)計(jì)需要配合相關(guān)仿真軟件調(diào)整各類(lèi)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。

本著滿足不同物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)用、硬件方便裁剪，即滿足功能多樣且結(jié)構(gòu)靈活的目的，實(shí)現(xiàn)智能終端的硬件設(shè)計(jì)。本智能終端采用模塊化設(shè)計(jì)方案，硬件具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

由于智能終端采用電池供電，電池容量及設(shè)備的能量消耗決定了整個(gè)產(chǎn)品的壽命。為此，智能終端的設(shè)計(jì)原則在滿足功能要求的背景下，應(yīng)盡量減少外圍傳感器及射頻的工作頻次，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)整體功耗進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 傳感器工作模式設(shè)定

（1）對(duì)于有中斷觸發(fā)模式的傳感器，如加速度傳感器、五合一傳感器，主控芯片對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的獲取采用傳感器中斷喚醒模式替代主動(dòng)查詢模式，讓主控芯片有更長(zhǎng)的休眠時(shí)間。

（2）對(duì)于沒(méi)有中斷觸發(fā)的傳感器，如熱釋電及微波傳感器，根據(jù)傳感器自身的響應(yīng)時(shí)間，利用主控芯片內(nèi)部低功耗定時(shí)器設(shè)定采樣窗口，在該窗口時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取，在其余時(shí)間內(nèi)，關(guān)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(shè)定

（1）射頻數(shù)據(jù)發(fā)送之前開(kāi)啟CSMA模式，只有在信道空閑時(shí)才會(huì)利用射頻模塊發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率，間接降低系統(tǒng)整體功耗。

（2）射頻數(shù)據(jù)的發(fā)送采用中斷模式，主控芯片將數(shù)據(jù)送入射頻芯片的FIFO之后，主控芯片將進(jìn)入休眠模式直至數(shù)據(jù)發(fā)送完成中斷喚醒主控芯片，減少系統(tǒng)在射頻數(shù)據(jù)發(fā)送周期內(nèi)不必要的能量損耗。

（3）射頻數(shù)據(jù)的接收采用中斷模式，如果智能終端需要接收來(lái)自其父節(jié)點(diǎn)的信息，如智能終端發(fā)送完數(shù)據(jù)后在等待ACK過(guò)程中，主控芯片將進(jìn)入休眠模式直至射頻數(shù)據(jù)接收完成中斷喚醒主控芯片，減少主控芯片在射頻數(shù)據(jù)接收周期內(nèi)的能量損耗。

（4）無(wú)需數(shù)據(jù)收發(fā)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(shè)定

（1）對(duì)于沒(méi)有使用的IO口，全部設(shè)置成輸入高阻模式，降低主控芯片IO的漏電流；對(duì)于已經(jīng)使用的IO口，則要根據(jù)外部電路特性設(shè)置相應(yīng)的邏輯電平。

（2）由于主控芯片喚醒或復(fù)位時(shí)，默認(rèn)采用內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘，所以采用內(nèi)部RC振蕩器作為主時(shí)鐘，縮短主控芯片的喚醒時(shí)間，降低功耗。

（3）對(duì)于時(shí)間控制精度比較敏感的部件，如傳感器采樣周期、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，采用32.768 kHz外部振蕩器時(shí)鐘為主控，提供精確的低頻時(shí)鐘，保證系統(tǒng)時(shí)鐘的精確性。endprint

智能終端的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

2 功耗測(cè)試

為了評(píng)估智能終端的工作壽命，需要對(duì)實(shí)際功耗進(jìn)行測(cè)量與評(píng)估。本項(xiàng)目通過(guò)功率分析儀實(shí)現(xiàn)對(duì)功耗的測(cè)量，型號(hào)為泰克PA1000。功耗測(cè)量具體流程如下：

（1）待測(cè)智能終端電路板串聯(lián)功率分析儀，并接上穩(wěn)壓電源；

（2）將穩(wěn)壓電源輸出設(shè)置為4 V，電流輸出上限設(shè)置為100 mA；

（3）將功率分析儀設(shè)為直流測(cè)量，檔位設(shè)為100 mA，采樣設(shè)置為平均電流采樣。具體測(cè)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(shè)計(jì)過(guò)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(guān)聯(lián)，外圍傳感器及射頻芯片的工作頻次及模式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功耗也起到?jīng)Q定性作用。

根據(jù)智能終端的功能需求，分別測(cè)量各傳感子模塊及射頻模塊的工作時(shí)間，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

為得到系統(tǒng)的整體功耗，需要設(shè)置以下幾個(gè)假設(shè)條件：

假設(shè)條件1：射頻數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為Frf send；

假設(shè)條件2：射頻工作的平均電流為Irf avr；

假設(shè)條件3：射頻工作的持續(xù)時(shí)間為T(mén)rf avr；

假設(shè)條件4：傳感器采樣頻率為Fsensor；

假設(shè)條件5：傳感器采樣平均功耗為Isensor avr；

假設(shè)條件6：傳感器單次采樣持續(xù)的時(shí)間為T(mén)sensor avr；

假設(shè)條件7：主控休眠模式下，待機(jī)功耗為Iidle；

由以上7個(gè)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(shí)際應(yīng)用中，采用ER14505鋰亞電池為智能終端供電，該電池單節(jié)容量為2 400 mA·h。根據(jù)公式（1）及表1的條件，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 2所列。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能終端從家庭實(shí)際需求出發(fā)，旨在滿足家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)及防盜需求。本智能終端設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)及防盜報(bào)警功能，可有效降低入侵監(jiān)控的誤報(bào)率。由于該設(shè)備采用電池供電，功耗決定了該設(shè)備的使用壽命，為此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮了每個(gè)功能子模塊的功耗特性，保證每個(gè)子模塊功耗最優(yōu)化。實(shí)際測(cè)試表明，該智能終端功耗性能優(yōu)越，能夠滿足一般家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)及防盜報(bào)警的需求。

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