低功耗太阳能无线红外传感器

绿尚太阳能科技上海有限公司 李世磊

低功耗太阳能无线红外传感器

绿尚太阳能科技上海有限公司 李世磊

基于太阳能电池作为能量的供应形式，采用低功耗设计的思路，红外传感应器在探测到人体的活动信号后，通过无线编码发射到接收设备，从而可以实现传感器的灵活安装及长时间值机。控制电路部分则采用PIC系列的8位单片机，可以达到程序化应用拓展的要求。

低功耗；太阳能；无线编解码

1.引言

随着智能家居、物联网技术的发展和应用，传感器越来越成为关键的数据信息输入设备。通过在应用场合中部署不同类型的传感器，中央控制单元才能够采集到所需的各类参量如温度、湿度、压力等对象数据，进而进行相应的处理，而传感器的分布范围越广，则控制覆盖的范围就越大。无线技术的应用可以则延伸传感器探测的范围，将监测的信息传送至主机设备。

但是在大规模应用传感器的背景下，分布众多的传感器的电源供给则是保证系统能够正常工作的前提。特别是在常规供电线路不能解决的情况下，降低待机工作消耗的电流则成为了电池供电的传感器能否正常工作的关键。本文所介绍的低功耗太阳能无线红外传感器就是采用太阳能电池作为电能转换，对内置充电电池进行补充，结合低功耗设计的技术来实现红外传感器的自身供电需求，可以在复杂的安装环境中连续长时间工作。

图1　太阳能无线红外传感器发射端系统图

2.太阳能无线红外传感器系统

2.1太阳能无线红外传感器系统组成

太阳能无线红外传感器系统（见图1）由发射端及接收端两部分组成，发射端包含太阳能电池、红外接收模块、主控制MCU电路、编码电路及无线发射模块、蓄电池部件，接收端包含无线接收模块、解码单元、主控制MCU、本地红外接收模块及蓄电池部件。主控制MCU电路负责对接收/发射的时序信号进行处理，对单元电路进行控制协调以降低待机功耗，同时MCU还对内置充电电池电压进行监测，避免出现过充及过放损坏电池，影响使用的寿命。

图2　太阳能无线红外传感器接收端系统图

2.2红外探测单元

发射端单元用于对监测地点的人体移动信号进行采集，并通过无线信号传送至接收端，为适应安装地点的灵活性要求，必须体积小巧，感应灵敏度高，同时待机工作电流低。红外接收模块采用一体化热释红外传感器，其特点是将人体探测敏感元与信号差分放大电路集成在电磁屏蔽罩内，内置15位数字AD转换电路，与预设阀值进行比较后输出REL电平。与传统的红外传感器加外置模拟放大电路相比，二阶巴特沃斯带通滤波器能够屏蔽其他频率信号干扰，抗射频能力更强。配合菲尼尔透镜，直线探测距离可达到10米以上，角度达100度。在某些应用场合只需要在夜间对人体移动进行探测，因此增加光敏管作为环境照度的测试，在低于10Lux的时候无线模块打开进行发送，而白天则予以关闭以节约蓄电池电能（见图2）。

2.3编/解码电路

在多个无线传感器发射终端安装的情况下，接收端需要对接收信号进行识别，以判断传送信号的传感器具体位置，因此每个终端会被赋予一个ID，在组网开始时，通过与接收端间配对的方式加入接收端。信号数据帧中加入ID号以便接收端进行解码。

EV1527可以用于发射端的编码地址预设，由于内码高达20位元，因此可以有效降低批量产品编码的重复可能性。红外传感器只需要发送接收到的人体动作信号，利用IC的按键输入端D0～D1中的1位作为数据，编码输出的数据帧发送至无线模块DATA端进行发射。关于EV1527的具体信号可参考芯片的详细资料［1］。

表1　发射端数据帧格式

解码电路可以由接收端MCU程序完成，通过对无线模块接收的RFDATA进行数据解析，获得发送端的ID号。由于接收端MCU通常会承担主控电路的其它任务，在多个红外传感器安装在不同地点，不需要对具体地点进行识别的情况下，也可以采用专门的解码IC的方法，直接输出数据信号进行处理，这样可以减轻单片机的工作负担。

图3　10P368解码IC电原理图

无线信号容易受到信道噪声的干扰，通常每个发射端信号数据帧中加入同步头，触发一次发送多组同样的数据帧，接收端对同步头进行监测，在同一时刻只要接收到1组则视为有效接收。

2.4无线发射及接收模块

数据调制模块采用ASK方式，中心频率选择在433MHz和868MHz两种以对应不同的国家。发射部分模块功率10毫瓦，在开阔地带配合接收模块可以达到20米距离，数据发射时电流消耗10毫安，静态时基本不消耗，工作电压可低至2V。

无线接收模块采用SYN910R 专用IC，其具有外围电路简单、性能稳定、灵敏度高的特点。工作电压3.6～5.5V，接收灵敏度可达-107dBm。接收端的电源供给一般有两种形式，当接收端与控制对象如报警器等室内装置相连时，可以采用共用市电电源。但执行端如果本身也使用太阳能作为供电时，则需要考虑其在接收待机下的功耗。SYN910R在静态接收时，电流达到13毫安，对于电池供电的设备是不能长期工作的。SYN910R设计中加入了休眠功能，因此可以利用ShutDown功能引脚控制IC关闭射频电路，使静态休眠时电流低至1uA。

图4　无线接收模块电原理图

2.5太阳能电池及充电电池

目前普遍使用的太阳能电池种类主要有三种，即多晶硅（Polycrystalline）、单晶硅（Mono-crystalline）以及非晶硅薄膜电池（Amorphous Silicon），前两者转换效率较高，适用于阳光充足的环境中，想比较而言非晶硅薄膜的转换效率不高，但其成本较低，最重要的是在弱光条件下的特性优于多晶及单晶［2］。无线红外传感器发射端在处于发射状态时电流在10～20毫安，如果按照单次发射1秒钟，每天发射1000次，24小时静态消耗（待机电流0.5毫安计算），则每天的最大消耗不超过18毫安时，因此采用5mm*3mm面积的非晶硅薄膜电池即可以保证需要。充电电池选用10440规格的磷酸铁锂充电电池，额定工作电压3.2V，考虑天气条件不理想的情况下充电电池得不到正常充电，传感器可连续工作5天，容量可选择200毫安时。

接收端的侦听功耗全天在50毫安时，由于通常接收端与主机执行设备配接，因此可以直接从主机取电。

3.低功耗控制策略

3.1发射频次控制

红外传感器在实际使用环境中，很容易受到各种干扰源的触发，由于发射端的主要功耗是无线模块处于发射状态下的电流消耗，因此对于动作状态的判断准确是保证正确发射的前提，其次由于人体活动本身的不规律性，当人员一直处于感应区域时，发射的频次的控制也是主要设计考虑的要点。对于前者，由于热释红外传感器本身属于被动式感应，因此需要结合使用场合监测对象的运动特征来进行判断是否触发发射。一体化红外热释传感器内置有数字阀值比较，因此主控MCU可以根据REL低电平持续时间来作出判断。对于静止不动的人体，传感器无法持续输出REL电平，如果人体在感应区域内保持活动状态，则REL电平表现为脉宽不规则的低电平。结合上述特征，MCU在首次检测到REL低电平后，如果低电平持续，则判断有人体进入，向编码无线模块发出一次发射指令。在接收端对传送的信号处理执行周期内，发射模块维持静默，但MCU保持对红外传感器的状态识别，在执行周期内如果REL维持低电位或者不规则低电平，则在执行周期结束前再次发射。当无法确定执行时间时，可以按照约定的定时周期进行发射。

3.2接收端休眠控制

对于电池供电的接收端，受制于太阳能电池板的面积限制，当需要24小时值守时，待机工作电流需要着重控制。基于SYN910R的ShutDown引脚功能可以关闭射频，利用单片机进行周期性的侦听及关闭控制，来达到降低接收端功耗的目的。图5显示了接收侦听的时序控制过程，MCU以秒为周期，发送脉宽为80毫秒的控制信号至接收无线模块，同时对数据信号端进行侦听，如果发现接收到数据，则立即对ShutDown使能失效200毫秒，以接收有效数据确认。由于在无数据接收周期中，仅80毫秒阶段射频工作，其余时间处于关闭状态，因此整机平均工作电流降低至1～2毫安。

在白天不需要进行感应识别的使用环境中，可以利用模块的光敏管信号，MCU关闭发射或者接收端，从而进一步降低整机功耗。

图5　侦听控制信号时序图

4.主控制MCU软件实现

主控MCU采用MicroChip 的8位单片机PIC12F系列，该芯片具有指令简单、I/O使用灵活及功耗低的特点，可以满足基本的应用程序编程需要，编译环境则采用MPLAB IDE。

图6　太阳能无线红外传感器发射端流程图

发射主程序上电后首先进行系统初始化，设置输入及输出端口，对A/D转换器、延时子程序时钟进行参数设定，打开充电端口、关闭发射端口。子程序包含传感器检测、电池保护、延时、光控检测、发射控制部分，主程序流程图见附图6。初始化完成后，MCU对光敏管、充电电池电压、红外感应器REL电平进行轮询，光敏管在外界环境亮度下降时，电阻阻抗增大，分压大于预设的阀值时，MCU判断进入夜晚模式，开启传感器探测，如果探测到红外移动信号，则进行记录，并进行计时，REL电平达到预设时间时，发出发射指令到编码及无线模块。当继续探测到红外信号时，与接收端的预设动作时间进行比较，在距离结束时间前再次发出发射指令。如果人体已经离开感应区域，则不再发射。MCU保持对充电电池电压进行监测，如果达到过充保护点，则关闭充电MOS管回路；如果电池长时间得不到补电而电压下降至过放保护点时，发射指令停止并输出电量警示。

接收端包含无线数据检测、循环解码、光控检测、本地传感器检测、同步信号处理、侦听、电池保护及延时、初始配对子程序。MCU在初始化设置端口、A/D等参数后，进入侦听，按照规定周期及脉宽输出ShutDown信号，同时对数据端进行探测电平，当探测电平为高电位时则关闭ShutDown，继续接收数据，转入循环解码对接收的数据包进行解析，拆分出同步信号与发射ID、数据，如果ID与配对存储的ID相同则作相应的输出信号以启动执行机构动作。首次对发射子机与接收端联机时，按下接收端配对按钮，同时感应发射端使其发出数据，接收端在接收到数据串后解析出ID并储存，同时闪动LED提示组对成功。按照上述方法可对多个发射端进行配对设置，当需要重新组网时，可以长按配对按钮进行清除历史存储的ID（见图7）。

5.实际应用及分析

多红外传感器系统可以广泛应用于家庭及公共场所的智能安防、照明系统，作为前端人体活动信号的采集。太阳能应用及低功耗设计使得在具有散射光的走廊、室内环境中传感器也可以长期工作，而无须经常更换电池或者专门市电供电，本文以家庭照明举例来说明实际应用的情况。

图7　太阳能无线红外传感器接收端流程图

传统的家庭用感应灯一般用于门厅及走廊、车库、地下室照明，对在房屋装修未预铺设供电线路的情况下，市电感应灯明显不方便安装，在此方面太阳能供电的感应灯可以就地安装，很好地解决了此类矛盾。但单个红外传感器的感应范围有限，如果对于庭院或者希望多个方位人员接近时，门厅灯或者走廊灯则自动点亮，则可以极大地提高用户的体验效果。图8中较好地表示了在多传感器配合下，人员在接近、走入过程照明灯具自动工作的情况，在此类情况中，可以将多个传感器及灯具进行配组，达到不同区域不同照明的目的。

图8　太阳能无线红外传感器庭院照明应用

接收端的输出信号可以配接不同的需求，当接收端模块植入用电器如插座、市电灯具或者排风设施，则可以配合无线红外传感器自动工作。由于接收端具备对发射ID的解码，因此对于智能照明控制系统来说，可以按照协议进行二次开发进行接入，在智能系统平台上直观地显示位置［3］。或者根据用电设备的使用特征要求，对于不同区域的照明系统进行控制，例如在学校教室等大区域照明中，可以多点分布红外传感器，中央控制单元对灯具进行分区域控制，有人员活动的区域照明点亮，而对无人的方位进行低亮控制，在人员进入范围后再全亮，可以有效地实现公共照明的节电。

［1］周景迁，方任农.EV1527编码芯片的应用及其解码方法［J］.研究与开发，2007，26（6）：35-38.

［2］高鹏.2012的新希望——薄膜太阳能电池发展趋势分析与应用展望［J］.电力技术，2010，19（2）.

［3］黄强，余立建.基于Zigbee的教室照明监控系统设计［J］.照明工程学报，2014，25（2）：114-117.

分别在南通电子仪器厂（原电子工业部仪器定点生产企业）、南通日报社工作，2003年起参与绿尚太阳能科技（上海）有限公司的创建，先后负责品质、产品研发、生产制造等工作，对太阳能应用电子产品有丰富的经验，拥有双面电极太阳能电池SMT贴装工艺发明专利、一体化太阳能平板灯等多项实用新型发明专利。

Low Power Consumption Solar Wireless Infrared Sensor

Li Shilei
（Greenway Electronics Technology Shanghai Co.，Ltd Shanghai 201612）

Based on the using solar as energy supply and the low power consumption technique，the infrared sensor can send coded wireless signals to receiving device，customers can flexibly install these sensors in several places and keep them self-working a long time.The PIC 8-bit MCU is used in control circuit and the programmable design can achieve many purposes of different applications.

low power consumption；solar energy；wireless encoder and decoder

李世磊（1973—），男，1990年毕业于成都航空工业学校电子测量与仪器专业，工程师，2013年获华东理工大学工商管理硕士学位，研究生学历。