基于MSP430单片机的低功耗智能入侵探测器设计

2015-12-15周健

福建开放大学学报 2015年4期

关键词：探测器红外报警

周健

（福建广播电视大学，福建福州，350003）

基于MSP430单片机的低功耗智能入侵探测器设计

周健

（福建广播电视大学，福建福州，350003）

设计了一种智能型被动红外入侵探测器袁其采用超低功耗MSP430单片机袁自动定期采集红外传感器数据并结合智能入侵检测算法袁完成入侵报警功能。硬件设计使用低成本尧小功耗LM324运算放大器袁结合根据MSP430节电模式设计的软件算法袁共同实现探测器低功耗入侵检测功能。相对传统被动红外入侵探测器具有超低功耗尧误报率低尧性能稳定等优点。

智能入侵探测器曰红外传感器曰抗干扰曰MSP430F149曰低功耗

一、前言

近年来使用入侵探测器防盗报警已越来越受人们青睐，其中被动红外探测技术得到了很好的应用。[1]目前市场上的红外入侵探测器按工作方式分主要有主动型和被动型两种。主动型探测器工作期间要向防范区域不断地发出能量，误报率低但耗能较高；而被动型探测器由于本身不向外界发射任何能量，而是由红外传感器直接探测来自移动目标的红外辐射，因此耗能低，可以长期使用，但是存在误报率高的问题，难以满足人们的需求。为解决误报率高的问题，尝试设计一种智能入侵探测器，在减少误报率的同时进一步降低能耗，主要用于建筑物的入侵探测。方案采用TI公司的MSP430F149超低功耗单片机作为主控芯片，利用芯片自带的ADC模块定期采集红外传感器电压变化信号，结合智能入侵探测算法对入侵行为进行判定。相对普通被动入侵探测器在增加成本不多的情况下，有效地降低功耗、减少误报，提高了系统的可靠性。

二、系统硬件设计

为方便系统室外安装，且不受停电影响，采用干电池供电为主并提供外部电源接口的方案。采用干电池供电方案时不用单独布置电源线，系统可以就近安装，不受有无交流电源影响。为进一步提高系统可靠性，加入低电压检测电路，提醒用户及时更换电池。当用户使用外部电源接口供电时，干电池则作为备用电源供停电时使用。同时，为有效节约能源，减少系统耗电量，系统采用多种措施进行节能设计。

(一)MSP430F139单片机控制逻辑及IO口分配

入侵探测器主控芯片选用MSP430F139单片机，它是美国TI公司推出的一种16位超低功耗混合信号处理器，可使用电池长时间工作。1996年问世以来，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。[2]

探测器布防后，单片机平时处于休眠状态以降低功耗。主控芯片MSP430F149定期唤醒红外传感器进行入侵探测，为避免误报警系统检测到入侵行为后先产生一个预报警中断；然后，由中断调用红外传感器进行连续采样，经A/D转换后数据输入主控芯片；最后，主控芯片计算设定周期内的采样均值和方差，根据其大小智能判断是否为入侵行为。当判断产生入侵行为后，主控芯片驱动报警输出报警声音；否则，系统转入休眠状态重新进入下一次布防。为保证探测器工作可靠，设计中加入了电池检测电路，定期检测电池电压变化，一旦电池电压过低就产生低电压报警提醒更换电池，从而保证系统稳定工作。智能入侵探测器系统框图如图1所示：P1.3用于A/D转换输入，P1.4用于接收预报警中断，P2.1用于唤醒信号输出，P2.2用于接收电池电压信号，P2.6用于报警输出。

图1 智能入侵探测器系统框图

(二)红外传感器选型

根据设计要求，主要是针对运动的人体报警。人体有恒定的体温，与周围环境温度存在差别，发出的红外线波长约为9.6um。[3]当人体移动时，这种差别的变化通过菲涅尔透镜被热释电传感器检测到，从而输出报警信号。

人步行活动时的频率为0.1Hz～10Hz，故红外传感器选择双元热释电红外传感器RE200B，其反应频率0.3Hz～3Hz，内装有两个对偶的红外传感器，对人体移动产生的信号敏感，能有效抑制温度变化产生的干扰，[3，4]配合菲涅尔透镜，进一步提高了传感器的灵敏度。

(三)传感器放大电路设计

由于传感器输出的信号非常微弱，容易受到热噪声的干扰，甚至有效信号被淹没在热噪声中，因此既要对有效信号进行放大，又要在放大有效信号的同时不把无用的热噪声放大。与此同时，要从多种噪声干扰中提取有用的微弱信号，要求放大电路应具有低噪声、高增益、低频特性好、抗干扰能力强等特点。

传感器放大电路由实现信号放大功能的前置滤波放大电路和实现预报警信号输出功能的双限电压比较器两部分组成。前置滤波放大电路设计为由带通滤波、两级高增益放大电路构成。电路中串入低通滤波电路，以限制噪声带宽；两级高增益放大电路为系统提供了更大的信号放大倍率；为减小热噪声带来的影响，热释电传感器和前置放大电路之间的物理距离设计为尽可能短。同时，为了产生一个预报警输出信号，在电路中设计了一个双限电压比较器。设计好的传感器放大电路图如图2所示。

运算放大器元件选用低成本、小功耗的集成运算放大器LM324，其具有内部频率补偿、直流电压增益较高和宽电压范围的特性，内置4个放大器正好构成两级滤波放大电路和一个双限电压比较电路，从而满足探测器设计要求。

图2 红外探测前置滤波放大电压比较电路

如图2所示，双元热释电红外传感器D端和5V电源间串联10kΩ电阻R1，用于降低射频干扰，G端接地，S端接47kΩ负载电阻R7，偏置电压约为1V。传感器输出直接耦合到低噪声运放（LM324）构成的带通滤波和第一级放大电路的反向输入端，再由电阻R10、电容C4耦合到第二级反向放大电路进行进一步滤波、放大。

电路放大倍数与频率有关，当输入信号频率为1Hz时，

计算得到上限截止频率15.9Hz，下限截止频率0.07Hz，而人步行活动时的频率为0.1Hz～10Hz，因此基本过滤掉无用的热噪声。电路放大倍数两级约为2000倍。考虑到传感器的固有噪声电压峰值约为50uV，室外热空气流动能够产生接近250uV的噪声，以及其他可能存在的干扰，如空间电磁波干扰和机械振动等，噪声幅值接近100uV。三种噪声叠加最大幅值接近300uV，经两级放大电路后，最大噪声幅值达到600mV（0.6V）。因此，把第二级放大电路偏置在VCC/2，即1.5V，双限电压比较器的高低阈值设置为1.5±0.6V以有效抗噪声干扰。即当放大器输出信号电平大于2.1V或者小于0.9V时，比较器输出高电平，表示探测到移动人体。设置合适的高低阈值可以调节探测器的灵敏度，起到防宠物的功能。此输出信号作为预入侵探测信号输入MCU，MCU接收后发出指令控制红外传感器按给定时间间隔连续采样，采样结果经A/D转换后由主控芯片使用智能算法进行入侵判定。

三、系统软件设计

本探测器采用C语言编程，软件开发效率高、执行速度快、程序结构清晰。软件包括主程序、MCU定期中断唤醒程序、红外采样子程序、电池电压采样子程序、智能判定子程序等。主程序流程图如图3所示。

图3 主程序控制框图

从主程序控制框图可以看出，智能入侵判断算法的核心是，对给定采样周期（1s）内的预入侵信号的均值是否落入区间[C1，C2]和方差是否小于C3进行分析，智能判定是否发生入侵事件，减少误报警。例如均值大于C1或小于C2可以判断为小动物经过或风吹动窗帘，而方差大于C3可以判断为有人快速跑过等非入侵事件。由于系统采用统计的方法，因此较常见的二次检测算法具有更准确的判定能力。

为减少系统功耗，除定期中断进行数据采集和电池检测外，MCU大部分时间工作在节电模式。系统每5s中断唤醒后，开始执行短暂的数据采集。采集的电压信号不经过A/D转换，而直接由双限电压比较器输出预入侵判定信号。只有发生预入侵事件，系统才会进行连续数据采集并启动A/D转换。连续采集的数据经A/D转换后输送给MCU进行计算，通过比较给定周期内的采样信号的均值和方差与预设值的大小。此外，系统每隔二小时进行一次电池电压采样的转换，以检测是否电池欠电压，如果电池欠电压则产生欠电压报警，提醒用户及时更换电池。

预入侵判定的设计使系统在必要时才唤醒进行连续采样，这样既可以降低功耗，又可以减少误判。而预设值C1、C2、C3可以通过软件设置进行灵活调整，确保探测器产生正确的报警输出，防宠物等干扰。基于统计数据的智能报警算法减少了系统的误报率。欠电压报警电路的设计可以防止系统由于电压降低导致的探测灵敏度下降的事件发生，保障探测器工作的可靠性。

四、其他设计

(一)硬件抗干扰设计

1.使用硬件带通滤波器，控制输出信号在0.07～15.9Hz之间，满足信号采集要求。

2.热释电红外传感器D端和3V电源间串联10kΩ电阻，用于降低射频干扰。

3.选用双元热释电红外传感器，可有效抑制温度变化产生的干扰。

4.设计欠电压检测电路，防止由于低电压造成的探测器失灵现象。

(二)软件抗干扰设计

1.采用了计算给定周期内采样的方差，根据采样数据偏离中心的程度可以大大降低误报的机率，因为太阳辐射等产生的温度不会瞬间升高、瞬间结束，而人走动时产生的温度变化会跟随人体运动而改变。

2.在进行数据均值计算时，由于均值反映了一定周期内数据的平均值，合理的设置C1和C2值可有效避开小动物的红外辐射，以减小误报。

3.在进行数据方差计算时，由于方差反映了一定周期内数据的偏移程度，合理的设置C3值可以进一步判断是否有人正在侵入。因为正常入侵的行为不会瞬时发生，必然会持续一段时间。这样可以过滤掉有人快速跑过等事件引起的误报警。

(三)节电设计

选用MSP430超低功耗单片机。系统布防后即进入省电模式，定时中断唤醒红外探测器检测入侵行为。一旦发现可疑入侵行为时，首先通过双限电压比较器产生一个预入侵信号给MCU，MCU控制传感器连续采样；其次，MCU对设定采样周期时间内的红外传感器信号进行采集和计算处理，通过比较周期内信号均值与方差大小智能判断是否为入侵行为；再则，对入侵行为进行报警，延时后系统重新进入布防状态，MCU转入省电模式等待下一个定时中断。系统大部分时间运行在省电模式（LPM3）并使用内部低频振荡器VL0作为ACLK时钟，仅在必要时短暂唤醒MCU执行采样过程，此时才使用耗电相对较大的DC0时钟源。这种设计能有效节约能源，减少系统耗电量。