太阳能低功耗无线红外报警器设计

杨泽林,何 莉,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)

太阳能低功耗无线红外报警器设计

杨泽林1,何 莉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)

随着安防技术的不断发展，无线红外报警器得到了非常广泛的应用。但在实际应用中发现，电池供电的无线红外报警器存在不能长时间持续供电的应用缺陷。因此，对无线红外报警器的工作原理和工作模式重新进行了分析和研究，并结合布防/撤防的实际应用情况，提出了一种太阳能低功耗无线红外报警器的改进设计方案，实现了进一步降低报警器的功耗、增加报警器电池使用寿命的目的。该报警器增加了太阳能供电电源模块，具有接收解码功能的无线收发模块及接口电路；根据报警器的布防/撤防命令，增加了对红外探头电源的通断控制；利用CPU的掉电唤醒功能，编写了报警器测控软件程序，实现了报警器的低功耗工作模式设计。实际测试和应用表明：该设计有效降低了报警器的功耗，实现了报警器18个月的超长时间持续供电。其设计思想对其他移动太阳能电源和低功耗设备的设计也有很好的借鉴意义。

太阳能； 物联网； 安防； 红外报警器； 单片机； 无线通信

0 引言

在物联网安防系统中，红外报警器是最常用的终端设备之一，无线红外报警器以其安装方便、无需布线或可用在无法布线的场合等优点而受到欢迎。目前无线红外报警器产品多采用干电池供电，较少针对低功耗作专门的技术处理与设计[1-5]。实际应用中发现：干电池供电时间仅有3～4个月，在客户安装红外报警器量大的情况下，仅不定期更换电池就给安防企业带来了巨大的工作量和人工成本；而且随着干电池供电能力的降低，报警器将不能正常工作，失去安防报警的作用。本文设计了一种太阳能供电的低功耗无线红外报警器。

实际测试和应用表明：该报警器在布防/撤防模式下，静态电流分别小于50 μA和30 μA，大大降低了报警器的静态功耗；在室内弱光环境下，报警器能够正常工作一年以上，且报警触发、数据通信稳定可靠。

1 报警器组成

报警器由太阳能供电模块、315 MHz无线收发模块、HN911热释电红外报警模块与供电开关、单片机等组成，如图1所示。

图1 报警器组成框图

该报警器选用的CPU是STC12C5201AD单片机，它是一款高速低功耗的增强型8051单片机，特别适合作为该报警器的控制CPU。它只有20多个功能引脚，内含可在线读写的EEPROM、8通道8位高速ADC模块和掉电检测电路(P1.2)，工作电压范围为3.3～5.5 V；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。

工作时，单片机处于掉电工作状态。当无线收发模块收到有效命令或在布防模式下红外探头触发报警时，均输出一个脉冲信号唤醒单片机；CPU根据读出的命令码进入相应工作状态，并进行报警器工作状态检测、报警数据通信传输、电池充电管理等处理；处理结束后再次进入掉电状态，等待下次唤醒。

2 太阳能供电模块设计

该报警器设计了双电池两级储能充电的电源模块，采用非晶硅太阳能电池板供电，将充电管理简单且无充电记忆的超级电容锂电池作为储能元件。针对非晶硅太阳能电池板可在室内弱光工作和微电流的特点，报警器供电模块采用两级充电储能方案[6-7]：太阳能电池板持续对Ⅰ级电池充电，CPU控制DC/DC稳压电源断续对Ⅱ级电池充电，以降低太阳能供电模块自身的功耗。太阳能供电模块电路原理如图2所示。

图2 太阳能供电模块电路原理图

太阳能电源BT由四块37 mm×22 mm的非晶硅太阳能电池板并联构成，可在室内弱光环境下工作。当光照度≤200 lx(室内弱光)时，其输出电压/电流小于5.5 V/40 μA；当光照度≥6 000 lx(最大日光)时，其输出电压/电流小于7.5 V/24 mA，属于弱电流供电。两级超级电容锂电池分别是电容C2和C4，报警器供电模块BT直接对Ⅰ级供电电池C2持续充电；Ⅱ级电池C4供电由稳压电源LT1073完成。LT1073是一款通用微功耗DC/DC 5 V稳压电源，虽然其工作电流仅为0.1 mA，但对于BT也是一个不小的负载，因此设计了CPU，以实现对Ⅱ级供电电池C4的充电控制和管理：利用CPU P1.1输出控制Q1通断LT1073的工作电源，从而在减轻BT负担的同时降低报警器的功耗。通过掉电或电压检测到C4电压过低时，唤醒单片机控制Q1导通，LT1073工作，完成对C4充电和整个电路的供电；充电完毕再控制Q1断开，LT1073不工作，仅由C4对电路供电，从而进一步降低供电模块自身功耗。VDD为外接充电电源接口，可对供电模块充电。

3 无线接收模块设计

报警器无线通信频段为315 MHz，如果将无线接收解调处理后的信号或数据直接输出到单片机的Rxd，则干扰信号和非本机数据/命令将会频繁地唤醒单片机工作，大大增加电路功耗。为此，在收发模块和单片机之间增加了具有接收解码功能的接口电路VD5027。无线接收电路原理图如图3所示。

图3 无线接收电路原理图

收发模块接收的信号和数据先经VD5027芯片解码后再传输给单片机，只有当VD5027收到与本机A0～A7地址码相同的数据时，VT才输出一个正脉冲，唤醒单片机，CPU读取D0～D3上的命令码并进行相应处理。这样，报警器彻底避免了由于非本机数据和干扰频繁无效唤醒单片机而导致的功耗增加，同时还进一步提高了通信的可靠性。

4 红外报警模块设计

无线红外报警器主要采用红外热释电的检测报警原理，选用的微功耗HN911热释电红外探头模块就是一个将热释电红外传感器、放大器信号处理电路以及高、低电平输出电路等集成于一体的传感器件。它具有灵敏度高、抗干扰能力强及使用方便等特点，主要用来探测人体发射出来的红外线能量，适用于人体移动的探测报警系统[8]。其静态工作电流≤20 μA，但触发工作电流≥20 mA。当其触发时，输出正脉冲唤醒单片机工作。事实上，报警系统有撤防和布防两种工作模式。当报警器工作在撤防模式时，后台监控中心不响应处理报警器的报警信号。因此，结合报警布防/撤防指令控制红外探头的电源；在撤防模式下，CPU切断红外探头的电源，可以有效避免由于各种原因造成的报警器无效触发启动，大大降低了报警器的功耗。

红外探头模块电路原理如图4所示。利用Q2通断报警器红外报警模块的工作电源，在收到撤防命令后，CPU通过P1.3输出低电平，控制Q2断开红外模块电源，使其不能触发。在撤防后禁止热释电红外传感器工作，也是降低电路功耗的有效措施之一。

图4 红外探头模块电路原理图

5 软件设计

利用单片机的掉电唤醒功能，设计了报警器的软件架构[9-10]，实现了对太阳能供电及电池的管理控制以及报警器电路的低功耗控制。软件程序主要由加电/复位处理程序、无线接收中断唤醒处理程序和报警触发中断唤醒处理程序三个独立部分组成，工作可靠性良好。报警器软件设计流程如图5所示。

图5 报警器软件设计流程图

加电/复位处理程序：上电复位，对CPU的串口、外部中断等进行初始化；清除EEPROM中的撤布防标志，报警器初始状态处于撤防工作模式；无线接收模块处于接收状态、太阳能供电模块Q1导通，电源模块处于充电工作模式。

无线接收中断唤醒处理程序：根据接收到的命令，完成撤防/布防设置并保存标志，并进行软件复位等其他处理。报警触发中断唤醒处理程序：用于检测并诊断报警器状态，向主机发出报警信号。所有中断唤醒处理程序之后都将进行电池状态检测，从而对电池C4进行充电管理。从4.5 V到5 V为充电区，Q1导通；从5 V到4.5 V为放电区，Q1断开，具有施密特特性。

6 结束语

太阳能低功耗无线红外报警器采用的太阳能双电池两级储能供电方案合理，电路简单实用，功耗低；无线收发模块和红外报警模块的低功耗设计处理效果显著；利用单片机中断唤醒功能设计的测控软件，架构科学、合理，可靠性高。

这款太阳能低功耗无线红外报警器改进设计完成后，已投入小批量生产使用；最长使用时间达18个月以上，性能稳定，达到了设计目的。通过与在市场上购买使用的前期产品进行同条件对比测试，证明了该报警器具有更低的功耗和更好的测控性能，且电池使用寿命得到了明显增加。

其设计思想可广泛用于基于物联网的安防系统和智能家居的室内外终端设备，也可用于移动太阳能电源和其他低功耗设备。

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Design of the Low Power Consumption Wireless Infrared Alarm Device Powered by Solar Energy

YANG Zelin1,HE Li1,LI Changping2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Chongqing University of Technology，Chongqing 400054,China;2.Chongqing Guardian JIALI’AN Science and Technology Co.,Ltd.,Chongqing 400039,China)

Along with the development of security technology,the wireless infrared alarm devices have been widely used.But in practical applications，it is found that the battery-powered wireless infrared alarm devices cannot operate without long duration of continuous power supply.Based on the analysis and research on the operational principle and working mode of the wireless infrared alarm devices,and combining with the practical application of arming/disarming,an improved design scheme for low power consumption wireless infrared alarm device powered by solar energy is proposed.The designing purpose of further reducing power consumption and improving the life cycle of batteries for the device is implemented.In the device,the solar powered power supply module,the wireless transceiver module and interface circuit with decoding function are added,and in accordance with the arming/disarming commands,the on/off control for the power supply of infrared probe is equipped.By adopting the power-down wake-up function of CPU,the program of measurement and control is written,to realize the design of operation mode under low power consumption.The practical tests and applications show that the design effectively reduces the power consumption of the alarm device,and achieves the capability of 18-month continuously power supplying.The design concept is good reference for designing other mobile solar power supplies and equipment with low power consumption.

Solar energy; IoT; Security; Infrared alarm device； Single chip machine; Wireless communication

杨泽林(1962—)，男，硕士，副教授，主要从事嵌入式系统、自动化仪器仪表方向的研究。E-mail：yzl@cqut.edu.cn。

TH816； TP23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704021

修改稿收到日期：2016-12-05