低功耗运动检测的无线传感器网络节点设计

文/苏渤力 胡治国

低功耗运动检测的无线传感器网络节点设计

文/苏渤力 胡治国

许多工业和智能楼宇自动化系统都使用运动检测器检测是否有人从而控制不同的功能，通过关闭某些功能来提高效率。针对大型无线传感器节点网络的功耗限制需求，设计了由无线通信芯片CC1310、PIR运动检测器、LPV521构成滤波器、TLV3691构成窗口比较电路及PCB天线构成的低功耗运动检测的无线传感器网络节点。该节点系统采集运动信息（例如占位检测、入侵检测、运动检测），通过无线通信芯片CC1310由PCB天线发送到主控系统，可以实现智能楼宇的远距离实时运动检测。

传感节点 数据采集 运动检测 无线通信

许多工业现场和楼宇自动化系统都使用运动检测器检测是否有人从而控制不同的功能，例如照明，通过在不需要的时候关闭这些功能来提高效率。这些系统往往需要增加无线传感器节点的数量来实现大范围控制，采用无线通信方式一方面可以避免连线降低成本，另一方面增强了系统的可拓展性。但是无线传感器节点越多耗电越多，频繁的更换电源会造成成本增加。通过设计低功耗的运动检测无线传感器网络节点，实时获取运动感测信息并通过板载天线发送数据到主控系统，实现低功耗、远距离、精准的智能楼宇无线控制。

1 节点硬件设计

无线传感器节点的设计是运动检测的核心，主要是通过PIR运动检测器采集运动信息，经过适当的预处理发送到无线通信芯片CC1310，CC1310无线通信芯片具有射频控制子系统，通过其射频控制子系统将采集到的运动信息经板载天线发送出去，主控系统通过板载天线接收运动信息。无线传感器节点由传感器模块、无线通信芯片模块、PCB天线和电源模块4部分组成，硬件结构如图1所示。由于传感器输出的是一个非常小的信号，必须通过放大和滤波操作来放大信号并滤除噪声，以便获得合适的输出信号，最大程度上减少虚假触发事件。放大后的模拟输出信号通过窗口比较器转换为数字信号，用作无线通信芯片的中断，需要的情况下唤醒CC1310实现节能的目的。

图1：硬件结构简图

1.1 无线通信芯片

无线通信芯片是整个系统的核心。为了节约功耗，传感器可由芯片内专用的超低功耗自主MCU（Sensor Controller）以超低功耗方式进行处理，该MCU可配置为处理模拟和数字传感器，因此主MCU能够最大限度的延长休眠时间。主MCU采用关断模式，中断唤醒的工作方式实现节能的目的。CC1310是超低功耗无线 MCU，兼具低功耗特点与无线和MCU功能，可极大延长传感器终端节点的电池寿命。CC1310是一款支持多种标准的器件，软件协议栈支持wM-Bus和 IEEE802.15.4g。CC1310器件在支持多个物理层和 RF 标准的平台中将灵活的超低功耗RF收发器和强大的48MHz Cortex-M3 MCU相结合。专用无线控制器 (Cortex-M0)处理ROM或RAM中存储的低层RF协议命令，从而确保超低功耗和灵活度，不会以牺牲RF性能为代价来实现低功耗； CC1310具有出色的灵敏度和稳定性（可选择性和阻断）性能。

图2：PIR运动传感器示意图

图3：模拟信号预处理电路

图4：节点工作流程图

1.2 PCB天线

天线是一个空间的概念，PCB天线的性能不如独立天线，但是考虑到节点小型化、集成化设计因素，本设计采用PCB天线。参考德州仪器的技术文档：天线快速选择指南（DN035）、天线选择详细指南（AS058）、开放场所天线测试等文档，综合频率、典型效率、带宽和尺寸四方面因素选择了微型螺旋PCB天线。

1.3 PIR运动检测模块

PIR运动传感器包换两个或多个元件，如图2所示，这些元件输出的电压与入射红外辐射量成正比。图2的下半部分显示了温度不同于环境温度的人体平行于传感器表面运动并穿过两个传感器元件的视野时产生的输出电压信号。输出电压信号的幅值与运动速度以及相对于传感器的距离成正比，电压峰峰值在几百微伏到几毫伏之间。由于传感器元件的物理尺寸小，感测空间较小，通常需要将菲涅尔透镜置于PIR传感器的前端，通过将红外能量放大并集中到小型传感器元件上来拓展感测范围。菲涅尔透镜的形状和尺寸决定最大检测角和观察区域，根据应用所需的视野角度和检测范围决定选择哪种透镜。

1.4 数据预处理模块

该设计中需要对 PIR 传感器输出端的信号进行放大和滤波， 使进入信号链后续各级的信号的幅值足以提供有用的信息。对于远处物体的运动而言， PIR 传感器输出端的典型信号电平为微伏级， 因此需要进行放大，如图3所示。 首先， 需要通过滤波功能在输入到达窗口比较器之前限制系统的噪声带宽。 其次，滤波功能还可设置系统能够检测到的运动所对应的最小和最大速度限值。如图3所示，第一级和第二级组成的滤波电路实现了采用简单极点的四阶带通滤波器，各级电路均可实现相同的二阶带通滤波特性。带通滤波特性所选的截止频率设为0.7HZ及10.6HZ。对于90dB左右的总信号增益，各级的通带增益选定为220，这样可以最大限度提升所用传感器偏置点的运动灵敏度范围。为尽可能延长电池使用寿命，本设计使用 LPV521， 因为其电流消耗很低，每个放大器仅 351 nA（典型值）。此外，LPV521 还集成了电磁干扰 (EMI) 保护以降低对意外射频 (RF) 信号的敏感度， 这对于采用高阻抗节点的低功耗设计十分有用。

滤波器的第一级作为同相增益级，该级为传感器提供高阻抗负载，使其偏置点恒定不变。第二级作为反相增益级，由于该级输出存在峰峰值噪声，应尽量选取较大的R3以便将系统的动态电流降至最低水平。公式1为第一级增益，公式2为第二级增益，公式3为总环路增益。

窗口比较器的设计需要将经过放大和滤波的传感器输出转换为可用作 MCU 输入的数字信号，该信号作为主MCU的中断信号，提示其检测到的运动情况。采用TLV3691 构成窗口比较器电路，每个比较器的电流消耗可低至75 nA（典型值）。TLV3691 提供 一个具有输入共模范围的轨到轨输入级， 此范围超出了电源轨 100 mV， 从而可在输入引脚上的电压超出电源电压时防止输出反相。 这不但能够提高本本设计对于电源噪声的稳健性，还能够在调整窗口比较器阈值时实现最大的灵活性。

1.5 电源模块

本设计采用 CR2032 锂离子纽扣电池作为电源。 选择 CR2032 纽扣电池作为电源是因为这类电池普遍适用，尤其在小外形尺寸系统（如传感器终端节点） 中的使用更为普遍。锂离子 CR2032 纽扣电池的电压特性也非常理想。 输出电压在整个放电周期内保持相对平稳， 直到电池基本耗尽。 电池电量耗尽时，输出电压下降相对较快。锂离子电池的温度特性同样优于碱性电池， 尤其在低温条件下的优势明显。 这种优势是由于锂离子电池中的非水电解质导电性能优于碱性电池中常见的水电解质。

2 节点软件设计

2.1 节点工作流程

图4所示节点流程图介绍了本设计的工作原理。CC1310 首先检查唤醒源。如果器件由复位操作唤醒， 则系统第一次得到上电，CC1310 将以待机模式持续运行2分钟， 等待PIR传感器系统上电以及工作点趋于稳定。2分钟后，将查看窗口比较器的输出，两比较器在默认情况下均应输出低电平，如果任一比较器输出高电平，CC1310 将发送一条 ERROR消息并在传感器工作点稳定前额外等待一段时间。PIR传感器和模拟信号链正常工作后，CC1310 将进入关断模式。CC1310将始终保持关断模式，直至PIR传感器通过作为中断的窗口比较器输出告知 MCU 检测到运动情况。如果CC1310由 PIR 传感器唤醒，则会发送ON 数据包通知主机控制器检测到运动情况。CC1310将在PIR传感器静默1分钟后向主机控制器发送OFF数据包并返回关断模式。

2.2 无线传输

本设计通过PIR传感器检测是否与人存在。CC1310可能广播3种操作值：0xEE:传感器在启动过程中出错；0xAA:检测首个运动时的ON数据包；0xFF：检测到最后一个运动后1分钟的OFF数据包。为了保证无线传输正常进行，通过SmartRFTM协议数据包监听器软件“监听”数据包。数据显示为原始数据流，可以针对该数据流进行后续分析处理。

3 结论

根据工业和楼宇自动化运动检测需求，文中采用CC1310无线通信芯片和PCB天线相结合进行了无线传感器节点设计，采用两级滤波电路和窗口比较电路避免了误触发事件，传感器数据采集由超低功耗自主MCU进行，主MCU处于关断模式极大的降低了系统功耗。由该节点组成的无线传感器网络在模拟实验中取得了良好的表现，低功耗能延长电池的使用寿命、降低成本。

[1]苏波,李艳秋,于红云,尚永红.从环境中获取能量的无线传感器节点[J].传感技术学报,2008(09)：15.

[2]张建军,陈晓,赵意.一种无线传感器节点动态采样策略[J].电子测量与仪器学报,2016(02)：15.

作者单位 河北省三河市防灾科技学院 河北省三河市101601