一種低功耗藍牙MEMS振動傳感器及其應(yīng)用

方逸洲，趙中瑞，張青野，張鵬程，艾麥提·布拉丁，曾佑軒，王 玨

（1. 上海儀電（集團）有限公司中央研究院，上海 200233；2. 上海南洋萬邦軟件技術(shù)有限公司，上海 200233）

0 引言

MEMS（micro electro mechanical system）是微機電系統(tǒng)的簡稱，其主要特點是將傳感信號采集、傳感信號處理、結(jié)果信號輸出融合為一體。MEMS芯片的應(yīng)用非常廣泛，典型的MEMS芯片產(chǎn)品包括手機里的MEMS 硅麥克風、運動手環(huán)中的MEMS 加速度芯片、工業(yè)監(jiān)測中的MEMS壓力、MEMS溫濕度芯片等。

本文的研究面向智慧零售場景，設(shè)計了一種低功耗藍牙MEMS 振動傳感器，可以分析客戶對商超在售物品的拿取等動作行為，進而給出客戶對商超物品的感興趣指數(shù)。同時結(jié)合藍牙無線廣播特性和藍牙網(wǎng)關(guān)，設(shè)計了一種移窗過濾均值計算算法，實現(xiàn)了較為準確的傳感器位置判斷，可用于商超物品的防盜管理。本文設(shè)計的傳感器，在軟硬件層面對產(chǎn)品功耗進行了深入研究和設(shè)計，采用一顆CR2032 紐扣電池即可長時間工作。

本文在藍牙無線通訊領(lǐng)域，提出了一種基于廣播的藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸方式。藍牙網(wǎng)關(guān)通過廣播掃描可以同時接收多個傳感器上傳的數(shù)據(jù)，并可通過快速周期掃描，結(jié)合本文設(shè)計的移窗過濾均值計算算法，實現(xiàn)對傳感器距離的判斷。本文設(shè)計的傳感器是基于MEMS 加速度芯片的，MEMS 加速度芯片輸出x/y/z三軸的加速度測量值，且可以結(jié)合濾波、中斷等配置，針對應(yīng)用場景開發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)處理模型［1］。

本文設(shè)計的低功耗藍牙MEMS 振動傳感器，結(jié)合藍牙網(wǎng)關(guān)及相關(guān)處理算法，實現(xiàn)了智慧零售場景下的防盜管理、客戶對商品動作行為和興趣度分析等功能。重點研究了MEMS 振動傳感器的低功耗設(shè)計、MEMS 加速度芯片數(shù)據(jù)處理算法、藍牙廣播無線數(shù)據(jù)傳輸、藍牙接收信號強度的移窗過濾均值計算算法等，最終實現(xiàn)了面向智慧零售場景的應(yīng)用推廣。

本文的研究成果已部署在全國十余個零售門店中，累計部署低功耗藍牙MEMS 振動傳感器近1000臺。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

面向智慧零售場景，本文設(shè)計的低功耗藍牙MEMS振動傳感器及其應(yīng)用系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 低功耗藍牙MEMS傳感器系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)的主要技術(shù)實現(xiàn)路徑如下：

門店需要監(jiān)管的每件零售品上，加裝一個低功耗藍牙MEMS 振動傳感器，傳感器采集零售品的加速度信息，并通過藍牙SoC 芯片中設(shè)計的數(shù)據(jù)處理模型，計算出客戶對零售品的拿取等動作操作，再通過藍牙廣播將計算分析結(jié)果傳輸?shù)剿{牙網(wǎng)關(guān)2。本系統(tǒng)部署時，每個藍牙MEMS 振動傳感器具有唯一的序列號，且與對應(yīng)的零售品綁定，該綁定關(guān)系會導入到智慧門店管理平臺中，管理平臺根據(jù)序列號呈現(xiàn)相關(guān)零售品的信息。

藍牙網(wǎng)關(guān)2部署在門店的中心位置，其內(nèi)置功率放大與接收信號增強電路，可以覆蓋整個門店。藍牙網(wǎng)關(guān)2通過增強型藍牙廣播掃描，同時接收門店所有傳感器的廣播數(shù)據(jù)包，解析出其中的計算分析結(jié)果數(shù)據(jù)，再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街腔坶T店管理平臺。

智慧門店管理平臺接收到藍牙網(wǎng)關(guān)2上傳的MQTT 數(shù)據(jù)包后，解析藍牙MEMS 傳感器的序列號和動作分析結(jié)果，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的綁定關(guān)系表，分析出零售商品和客戶對其的相關(guān)操作，并將結(jié)果呈現(xiàn)在管理平臺界面上。

藍牙網(wǎng)關(guān)1部署在門店的出入口，用于出入口的防盜管理，其內(nèi)部無需內(nèi)置功率放大與接收信號增強電路。藍牙網(wǎng)關(guān)1 的覆蓋范圍為1～4 m，部署時可以通過移動端配置軟件進行調(diào)整。將報警識別距離配置到藍牙網(wǎng)關(guān)1中后，如果有零售品進入到藍牙網(wǎng)關(guān)1的范圍內(nèi)，藍牙網(wǎng)關(guān)1通過接收信號強度的快速周期掃描和移窗過濾均值計算算法，可以較為準確地識別到該零售品，并通過聲光報警方式進行警示，實現(xiàn)防盜功能。

2 藍牙MEMS振動傳感器開發(fā)

2.1 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的MEMS 振動傳感器硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 低功耗藍牙MEMS振動傳感器硬件框圖

主要模塊的技術(shù)路徑如下：

主控制器：該技術(shù)方案無需額外的處理器芯片，選用CC2540F256 藍牙片上系統(tǒng)芯片作為主控制器，在完成數(shù)據(jù)采集、處理的同時，還可通過藍牙廣播進行數(shù)據(jù)傳輸［2］。

MEMS 加速度芯片：選用LIS3DH，該芯片在50 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率情況下，低功耗模式下的理論功耗僅6 uA，適合低功耗傳感器的設(shè)計。

巴倫平衡濾波電路是射頻收發(fā)系統(tǒng)中實現(xiàn)平衡轉(zhuǎn)換、阻抗變換等功能的關(guān)鍵模塊，本文采用2450BM15A0002芯片，實現(xiàn)該部分功能。

供電：傳統(tǒng)的傳感器產(chǎn)品，都需要穩(wěn)壓電源芯片。本文設(shè)計的傳感器無需額外的穩(wěn)壓電源芯片，采用CR2032 紐扣電池直接供電的技術(shù)路徑。CC2540F256 的供電電壓是2～3.6 V，LIS3DH 的供電電壓是1.71～3.6 V。以武漢力興（火炬）電源有限公司生產(chǎn)的CR2032 為例，其標稱電壓為3 V，標稱容量是210 mAh，放電曲線如圖3所示，可以滿足本文傳感器的無穩(wěn)壓電源芯片直接供電的設(shè)計方案。

圖3 武漢力興（火炬）電源有限公司生產(chǎn)的CR2032放電曲線

本文設(shè)計的傳感器實物如圖4所示。左邊為產(chǎn)品硬件電路正面俯視圖，右邊為產(chǎn)品組裝圖。產(chǎn)品尺寸較小，僅為3.7 cm×4.5 cm，可通過掛繩便捷地綁定在零售商品上。

圖4 藍牙低功耗MEMS振動傳感器實物圖

2.2 低功耗設(shè)計

藍牙低功耗MEMS 振動傳感器的低功耗設(shè)計包括硬件和軟件兩方面：

2.2.1 硬件低功耗設(shè)計

本傳感器的硬件低功耗設(shè)計主要包括芯片選型、藍牙芯片引腳電平處理、電源處理三方面。芯片選型方面，選用支持低功耗模式和低功耗中斷觸發(fā)的MEMS 加速度芯片LIS3DH，選用支持藍牙低功耗標準的片上系統(tǒng)芯片CC2540F256。引腳電平方面，由于LIS3DH 通過I2C 接口與CC2540F256 通訊，SDA 和SCL 兩線上有上拉電阻，作為I2C 主機的CC2540F256發(fā)送完停止信號后，需要避免上拉電阻兩邊電壓差導致的電流消耗。同時，本傳感器硬件設(shè)計時考慮到兼容性，將LIS3DH 的兩個中斷輸出引腳接到了CC2540F256 的兩個引腳，針對未用到的INT2 引腳，需要將CC2540F256 對應(yīng)的引腳配置為輸出低電平，防止電流消耗。電源處理方面，如果采用常規(guī)的穩(wěn)壓電源芯片設(shè)計方案，會導致漏電流，本產(chǎn)品采用CR2032 直接供電方式，減少電流消耗。

2.2.2 軟件低功耗設(shè)計

軟件方面的低功耗主要針對芯片工作模式的配置，CC2540F256 需要工作在POWER_SAVING 模式下。LIS3DH 的工作模式設(shè)計較為復(fù)雜，包括：配置量程為±2 G；配置50 Hz的數(shù)據(jù)輸出速率；配置為低功耗模式并使能x/y/z 三軸輸出；配置高通濾波器為正常模式；配置數(shù)據(jù)輸出到寄存器和輸入輸出緩存器，并使能輸入輸出緩存器；使能LIS3DH 的中斷輸出引腳1，中斷輸出信號為高有效；中斷闕值為16 mG；觸發(fā)中斷的持續(xù)時間為40 ms。通過配置相應(yīng)的闕值，可以實現(xiàn)動作、非動作的檢測［3］。

軟件方面，還對藍牙廣播信號進行了低功耗處理。在沒有操作、動作時，關(guān)閉藍牙廣播；當LIS3DH 中斷輸出的信號累積到一定程度，判斷形成有效的操作動作時，打開藍牙廣播并進行快速周期性廣播數(shù)據(jù)上報，一段時間后再關(guān)閉藍牙廣播。

通過上述的軟硬件低功耗設(shè)計，采用圖5所示測試方法對產(chǎn)品靜態(tài)電流進行測試，為0.008 mA，如圖6所示。

圖5 藍牙MEMS振動傳感器靜態(tài)電流測試方法

圖6 藍牙MEMS振動傳感器實測靜態(tài)電流

2.3 MEMS信號處理算法

針對智慧零售場景下客戶對零售品的動作行為，本文在對LIS3DH 進行相關(guān)設(shè)計配置后，還設(shè)計了一套MEMS 信號處理算法，如圖7 所示。

圖7 MEMS信號處理算法

通過圖7的MEMS信號處理算法，可以使得傳感器在無客戶動作時，工作在靜態(tài)休眠模式，降低功耗。同時，有效動作闕值、指定核驗周期、指定核驗次數(shù)均可以通過藍牙進行再配置調(diào)整，便于適配不同場景下的零售品動作。

3 藍牙無線傳輸與無線信號處理算法

3.1 基于廣播的無線傳輸

如圖1 所示，本文研究的智慧門店場景下，會有多個傳感器。如果采用傳統(tǒng)的藍牙點對多星型網(wǎng)絡(luò)連接方式進行數(shù)據(jù)傳輸，其連接數(shù)量受限、傳輸距離較近，難以滿足實際場景要求。本文設(shè)計了一套基于廣播的點對多藍牙傳輸方式，藍牙傳感器的廣播包字段格式見表1。

表1 藍牙傳感器的廣播包字段格式

藍牙網(wǎng)關(guān)快速周期掃描藍牙傳感器，并通過INESA_SERV_UUID 進行過濾識別，可以有效過濾掉其他非本文設(shè)計的藍牙設(shè)備。藍牙網(wǎng)關(guān)設(shè)置的廣播包單次掃描緩存空間最多支持40個藍牙傳感器設(shè)備，即支持單一門店的同時40名客戶對零售商品發(fā)生動作的數(shù)據(jù)上傳。經(jīng)門店部署驗證，該技術(shù)方案可以滿足場景需求。

3.2 基于移窗過濾均值計算的防盜報警算法

零售門店還有防盜的需求，顧客攜帶未結(jié)算的商品離開門店時，行走過程中的振動會喚醒藍牙MEMS 振動傳感器，使其處于藍牙廣播狀態(tài)，從而被藍牙網(wǎng)關(guān)1識別到。考慮到防盜識別距離較近，藍牙網(wǎng)關(guān)1內(nèi)部不需要功率放大和接收信號靈敏度增強電路。如圖1所示，在門店出入口部署的藍牙網(wǎng)關(guān)1，其內(nèi)部運行本文設(shè)計的接收信號靈敏度的移窗過濾均值計算算法，算法流程如圖8所示。

圖8 移窗過濾均值計算算法

基于上述算法，對本文的藍牙網(wǎng)關(guān)1計算出的接收信號強度，以及網(wǎng)關(guān)與藍牙傳感器的距離進行了重復(fù)性測試，經(jīng)過測試，形成對應(yīng)關(guān)系表（表2），便于現(xiàn)場部署時進行配置。

表2 本文藍牙網(wǎng)關(guān)1與距離對應(yīng)關(guān)系

4 現(xiàn)場部署與平臺展示

藍牙網(wǎng)關(guān)采集到的數(shù)據(jù)，通過MQTT 發(fā)送到管理平臺，數(shù)據(jù)包格式采用JSON 格式，包括網(wǎng)關(guān)序列號、傳感器序列號、傳感器剩余電量、動作計數(shù)累加值、網(wǎng)關(guān)部署門店地址等信息，具體格式為：｛“Gateway_ID”：“網(wǎng)關(guān)序列號”；“Command”：“Move”；“Tag_ID”：“標簽序列號”；“Power”：電量值；“Tag_Count”：累加值；“Addr”：“shanghai”｝。

本文設(shè)計的藍牙MEMS 振動傳感器、藍牙網(wǎng)關(guān)和管理平臺系統(tǒng)，部署在上海某大型展會的門店后，可以較為準確地分析出客戶對在售零售品的動作次數(shù)，如圖9 所示，2 合1 抓絨毯（黑色款）是該門店中客戶最感興趣的商品。管理平臺還對接了商品管理系統(tǒng)，詳細展示了商品分類、數(shù)量等信息。

圖9 智慧門店管理平臺

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種低功耗藍牙MEMS 振動傳感器，重點研究了MEMS 振動傳感器的軟硬件低功耗設(shè)計、MEMS 加速度信號的數(shù)據(jù)處理算法，并設(shè)計了一種基于藍牙廣播的數(shù)據(jù)通訊方式和接收信號強度的移窗過濾均值計算算法。通過相關(guān)技術(shù)研究與開發(fā)部署，構(gòu)建了一套包含藍牙MEMS 振動傳感器、藍牙網(wǎng)關(guān)和管理平臺的智慧門店系統(tǒng)，可以采集和統(tǒng)計客戶對零售商品的行為動作、對門店零售品的防盜警示等功能。本文的相關(guān)研究還可以推廣到人員定位管理［4］、人員行為分析等更多的場景中。