无线红外报警器的低能耗设计

何 莉，杨泽林， 李昌平

(1.重庆理工大学 电气与电子工程学院， 重庆 400054； 2.重庆重视家里安科技有限公司，重庆 400039)

无线红外报警器的低能耗设计

何 莉1，杨泽林1， 李昌平2

(1.重庆理工大学 电气与电子工程学院， 重庆 400054； 2.重庆重视家里安科技有限公司，重庆 400039)

针对无线红外报警器干电池供电寿命短的问题，对报警器进行了能耗分析。设计了具有接收解码功能的无线通讯接口；增加了布防/撤防功能及对红外传感器电源通断的控制，有效避免了无效接收和无效触发报警而产生的大量能耗；利用MCU的掉电唤醒功能进行了低能耗模式设计，给出了系统主程序流程图，实现报警器的低能耗控制和电源模块的智能管理及控制；增加了太阳能自供电模块，采用双储能双充电回路方案，一充一用的管理策略，实现超长时间持续供电。测试表明：在相同使用工况下，该报警器的电池寿命从3～4个月提升到了18～20个月。

无线红外报警器；低能耗；无线通讯；布防/撤防；太阳能电源

随着物联网技术的发展，商用物联网安防系统得到了广泛应用。一般商用物联网安防系统由7×24 h监控中心、现场安防主机、监控终端装置三层网络组成，有布防和撤防两种工作模式。无线红外报警器是其最常用的终端装置之一，采用干电池供电，利用红外热释电原理监测外界入侵事件[1]，具有无需布线、安装方便等优势。但针对干电池供电无线红外报警器的能耗问题考虑较少[2-4]，实际使用中发现，干电池的寿命仅为3～4个月。在量大的情况下，频繁更换电池给安防企业带来巨大的工作量和人力成本，甚至给用户带来财产损失，使无线红外报警器的优势丧失殆尽。结合实际使用状况，分析目前使用的报警器功耗原因，改进设计了无线红外报警器，增加无线接收、撤防/布防工作模式切换控制，MCU低能耗工作模式设计等低能耗措施，大大降低了报警器的能耗；同时增加太阳能自供电模块，可以长时间持续为报警器供电，提高干电池的续电能力，使干电池的工作寿命延长至18月以上，有效解决了频繁更换电池的后顾之忧。

1 能耗分析

红外报警的硬件原理如图1所示。

图1 无线红外报警硬件原理

无线红外报警器主要以红外热释电作为检测原理[4-5]。HC-501热释电红外传感器是其中一种用于探测外来入侵信号的人体感应模块，采用德国原装进口LHI778 探头设计，具有灵敏度高、可靠性强、功耗低(静态电流<50 μA)、全自动感应并可实现光敏控制和温度补偿等特点[6]，被选做本报警器的测试探头。HC-SR501红外热释电传感器检测到人体移动和HT7044A电压监测器检测到电池电压过低时，输出信号均变低，并发出下降沿触发信号，经报警触发电路合成输出启动信号，将由VD5026编码器生成的报警编码通过315 MHz无线发射模块发送给现场报警主机和监控中心。无报警时，编码器和无线发射模块处于关闭状态。经测试，红外报警器的静态工作电流小于70 μA，报警工作电流小于24 mA，单次报警持续工作时间小于2 s，功耗已处于较低水平。可电池的实际工作寿命远低于理论设计，只有3～4个月。经分析发现：商用物联网安防系统虽然有撤防和布防两种工作模式，但这是通过现场或监控中心控制切换的，其终端无线红外报警器并没有撤防。即在安防系统撤防模式下，现场安防主机和监控中心不处理任何报警信号，整个安防系统不响应任何报警事件。但是无线红外报警器没有接受外部命令切换工作模式，所以即使在不需要安防报警的撤防时段，通常仍有大量频繁的各种报警事件，使报警器一直处在报警工作状态，产生了大量的能耗，这是降低电池寿命的最主要原因。

图2 红外报警器工作电流示意图Fig.2 Schematic diagram of working current of infared alarm

2 报警器低能耗改进措施

2.1 增加红外报警器的布防/撤防控制

在无线红外报警器装置中增加无线接收功能，用以接收现场主机等的命令，使报警器能受控进行工作模式切换。在系统撤防时段不被无效触发，以达到降低能耗的目的，是低能耗设计改进措施的主要思路。其原理电路如图3所示。

图3 低能耗报警器硬件原理Fig.3 Hardware schematic diagram of low energy consumption alarm

由于一台主机监控多个无线终端设备，报警器接收到的串行数据没有直接进入单片机的Rxd端，而是通过VD5027译码器与单片机接口进行数据传送。VD5027只有接收到与本机地址相同的数据后，才输出一个正脉冲和4位命令码，并通过中断Int1唤醒单片机读出命令码执行相应操作。这样既避免了多机通讯时被无效通讯唤醒，又提高了通讯的可靠性；同时，单片机接收到布防命令后，通过P1.0接通开关K1为红外传感器供电，报警器处于布防工作状态，产生的报警信号通过中断Int0唤醒单片机，进行报警等工作；而在撤防阶段，K1断开，红外传感器断电，亦处于撤防不工作状态，不能进行任何触发报警，从而降低报警器的能耗。

2.2 采用MCU的低能耗模式设计

利用单片机的掉电唤醒功能，对MCU进行低能耗模式设计:1)选用合适的低能耗单片机；2)采用中断唤醒工作方式设计报警器以(中断)事件驱动的软件架构[7-9]，单片机常态处于掉电工作状态，进一步实现报警器的低能耗设计。

该报警器选用的是51系列单片机STC12C2052AD[10]。它只有20多个功能引脚，内含E2PROM可在线读写数据用于保存布/撤防状态和电池电压，还含有8通道8位AD转换器和掉电检测电路(P1.2)以及3.3～5.5 V宽的工作电压范围，具有掉电工作模式，可中断唤醒，掉电后各引脚电压维持不变，且电流仅为0.1 μA。特别适合用作本报警器的控制MCU。

软件程序分为主程序和中断唤醒服务程序两大部分，各程序独立运行。

主程序的主要工作：上电复位，对MCU的串口、外部中断等进行初始化；清除E2PROM中的撤/布防标志，报警器初始处于撤防模式；无线接收模块处于接收状态；K2导通，电源模块处于充电工作模式，流程图如图4 所示。

中断唤醒服务程序设有无线接收、红外触发报警、掉电检测3个中断源。无线接收中断根据接收到的命令，进行撤/布防设置处理并保存标志等；红外触发报警中断用于检测并诊断报警器状态，向主机发出报警信息；掉电检测中断服务程序用于对C1、BT2电池电压进行检测，针对电池状态发出预警信息；所有唤醒处理出现均对BT2进行充电管理：从4.5 V到5 V为充电区，K2导通；从5 V到4.5 V为正常工作放电区，K2断开。流程如图5所示。

图4 主程序流程Fig.4 Flow chart of the main program

图5 中断唤醒服务程序流程Fig.5 Flow chart of interrupt wake up service program

2.3 改进电源模块，进一步提高干电池寿命

报警器低能耗设计的目的是要解决干电池供电寿命不长的问题。因此，为了进一步解决电池寿命问题，增加了太阳能自供电模块。改进后的电源模块采用双电池两级储能双回路充电方案[11-14]，且太阳能自供电模块能在各种光照环境下持续供电，能够有效地提高电池的续电能力，从而进一步完善了报警器的低能耗设计。电源模块电路原理如图6所示。

太阳能电源BT0由4块37 mm×22 mm的太阳能电池板并联构成，由于光线变化较大使BT0的输出电压波动也较大，为了充分收集太阳能，第1级储能元件采用无需充电管理且无记忆的超级电容锂电池C1，BT0即可持续对C1充电。第2级储能元件为4×1.2 V聚合物锂电池BT2，利用CN3063锂电池充电管理芯片对其进行充电管理[15]，CN3063的输入电压Vin为：4.35～6 V，输出电压Vcc为：4.2 V～Vin，由Rx调整,Vcc=4.2 V+3.04×10-6×Rx，报警器Vcc设定为：5.0～5.1 V。VDD接口用于外部电源对供电模块充电。

图6 太阳能供电模块电路原理

对于两级储能元件，采用“一充一用”的管理策略。正常工作时，单片机P1.1使K2断开，报警器由BT2单独供电，BT0只对C1充电；通过掉电或电压检测到BT2电压过低，则唤醒单片机，闭合K2，启动充电回路Ⅱ对BT2充电，充电完成后又断开K2，恢复正常。这样可避免BT1，BT2同时供电而又同时失电继而导致报警器瘫痪。

3 性能测试与结果

报警器进行低能耗设计改进完成后，首先对改进前后的产品分别进行了功耗参数测试，测试方案如图7所示。图中触发源由人体经过来模拟触发报警器报警，选用了VICTOR VC9806 4位半数字万用表测量报警器的静态电流和工作电流，选用DS1074z数字示波器(70 MHz)测量报警器触发报警时的工作持续时间。

图7 功耗参数测试方案示意图

其次，对改进前后的产品(原来的产品、低能耗设计后的产品、太阳能自供电低能耗设计后的产品)3个一组，在相同使用场合，均用4节5号同一型号干电池供电，进行了多组产品实地应用的电池寿命对比测试。近2年的实践应用已表明：低能耗设计改进后的产品电池寿命可达18～20个月，而增加了太阳能自供电模块的低能耗设计后的产品使用时间现在已大于18个月，说明太阳能自供电低能耗设计后的红外无线报警器明显提高了电池使用寿命，实现了低能耗设计目的。测试结果见表1。

表1 性能参数对比

4 结束语

改进后的报警器将撤防/布防功能下移到无线红外报警器，减少了报警器在撤防时段的无效能耗；MCU的低能耗模式设计，进一步降低了报警器的能耗；双电池两级储能、双回路充电及“一充一用”的太阳能供电管理方案更好地解决了太阳能各种光照环境下7×24 h的持续供电，有效地延长了报警器等终端装置电池的使用寿命，达到了设计目的。同时，终端装置采用双向通讯使商用物联网安防网络3层网络的通讯更加完善通畅，也大大地提高了安防系统的有效性和可靠性。

该报警器低能耗设计理念也可以用在物联网如智能家居等其它应用中。

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(责任编辑 杨文青)

Design of Low Energy-Consumption of Wireless Infrared Alarm

HE Li1， YANG Ze-lin1， LI Chang-ping2

(1.College of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China；2.Chongqing Chongshi Jiali’an Science and Technology Co., Ltd., Chongqing 400039, China)

Due to the battery powered wireless infrared alarm can not be sustained for a long time, the energy consumption of the alarm was analyzed. Wireless communication interface was improved with receiving and decoding function; The function of arming/disarming to turn on or turn off the power of infrared sensor was added, and the energy consumption caused by invalid trigger alarm have been effectively reduced; Using the power down function of MCU, the low energy-consumption mode was designed and the flow charts were given, which could realize the low energy-consumption control of the alarm, the intelligent management and control of the power module; The solar power was designed with the scheme of double-battery and double-charging circuit, and the long time continuous power supply was realized with the management of one-charged and one-supplying. The tests and applications shows that under the same operating conditions, the battery life of the alarm is raised from 3～4 months to 18～20 months.

wireless infrared alarm; low energy-consumption; wireless communication; arming/disarming; solar energy power

2016-11-04

何莉(1971—),女，四川达州人，硕士，副教授，主要从事电子信息、仪器仪表、检测与控制技术等研究，E-mail：holy@cqut.edu.cn；通讯作者 杨泽林(1962—)，男，湖北公安县人，硕士，副教授，主要从事动态测试、信号处理及嵌入式系统方面研究。

何莉，杨泽林，李昌平.无线红外报警器的低能耗设计[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(2):134-139.

format：HE Li，YANG Ze-lin，LI Chang-ping.Design of Low Energy-Consumption of Wireless Infrared Alarm[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):134-139.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.022

TP277

A

1674-8425(2017)02-0134-06