基于物联网技术报警及环境监测智能终端的设计

严晓华+郑国莘

摘 要：文章从家庭应用环境出发，设计了一款基于物联网技术的居家环境监测及安防报警的无线智能终端。该智能终端集成温湿度、甲醛、二氧化碳及有机物浓度传感器，实现家居空气质量检测。融合加速度、微波、热释电多种传感器数据，实现防盗报警功能。该智能终端具有功耗低、寿命长、安装简便、稳定可靠等特点，具备一定的先进性及实用性。

关键词：智能家居；低功耗；数据融合；传感器

中图分类号：TP393.04 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）11-00-03

0 引 言

随着社会的进步与发展，人口流动加剧，各类治安事件频发，导致普通家庭对防盗报警设备的需求量逐年增加[1-3]。同时，随着人们生活品质的提高，对居家环境的要求也随之水涨船高，很多民众希望掌握自己居住场所的空气质量、温湿度等信息[4]。所以一种同时具备防盗报警及环境监测功能、安装简单、维护便利的设备便应运而生。本文从上述背景出发，设计了一款同时具备防盗报警及环境监测功能的智能终端，从该设备的软件及硬件着手，简要描述该设备的设计要点，并根据该设备的特点详细阐述了该设备功耗测试要领，给出相关测试数据，测试结果表明，该智能终端的低功耗特征明显，非常适合在居家环境中使用。

1 智能终端硬件系统设计与实现

智能终端硬件电路主要由主控、传感器、射频三部分组成。传感器包含加速度传感器、热释电传感器、微波传感器、甲醛及二氧化碳传感器。加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，可以用于检测由于倾斜、运动、振动和冲击等产生的力变化[5]。集成的热释电与微波传感器节点安装于墙面上，实现家庭非法入侵检测[6-8]；安装的温湿度、甲醛及二氧化碳等传感器则实时采集房间内的空气质量数据，将其周期性发送到后台服务器，实时监控居室环境状态[9，10]。

主控芯片对上述传感器的输出进行实时采集、整理、计算及分析，进而对当前居室内的状态进行判断，并将结果通过ZigBee网络发送到数据网关设备。数据网关设备则会将此类信息通过Internet网络把该数据传输到远程服务器或对应的手机App，最终实现居家环境监控及防盗报警等功能。智能终端相关硬件框架如图1所示。

LGAQS-HT01五合一传感器模块，可以用来检测环境温湿度、甲醛、二氧化碳浓度及挥发性有机物的浓度，可以很方便地应用于室内空气质量检测场合。该模块简化了设计，非常适合应用于低功耗电池供电的场合。

本智能终端采用被动式热释电红外传感器实现人体感应，型号为HC-SR501。被动式热释电红外探头很容易受其他热源影响，导致后端数据分析困难。为了避免上述问题，辅以微波传感器，型号为HB100，借助微波的多普勒效应实现移动目标探测。使用热释电红外、微波传感器克服了单一技术的缺陷，能够降低系统的误判率[11，12]。

集成的加速度传感器型号为MMA8452Q。智能终端安装于门窗之后，加速度传感器会感应门窗的位移变化，并输出相应的数据至主控芯片，主控将对该数据进行运算并与预设值进行对比，实现门窗强行开启、大力破坏等异常行为判断，最终触发警报器发出警报声并发送警报信息，通知主人进行防盗保护，从而更好地防止盗贼入室行窃[13，14]。

无线模块是智能终端对外的数据通道，是与外界信息交互的窗口，无线发射功率、发射频次及接收灵敏度几个关键指标决定了智能终端的功能特性，对产品的性能和功能起到决定性作用。为此，无线模块化硬件的设计需要配合相关仿真软件调整各类参数来实现性能的最优化。

本着满足不同物联网场景应用、硬件方便裁剪，即满足功能多样且结构灵活的目的，实现智能终端的硬件设计。本智能终端采用模块化设计方案，硬件具体实现如图2所示。

由于智能终端采用电池供电，电池容量及设备的能量消耗决定了整个产品的寿命。为此，智能终端的设计原则在满足功能要求的背景下，应尽量减少外围传感器及射频的工作频次，在系统设计过程中，对整体功耗进行优化。

1.1 传感器工作模式设定

（1）对于有中断触发模式的传感器，如加速度传感器、五合一传感器，主控芯片对传感器数据的獲取采用传感器中断唤醒模式替代主动查询模式，让主控芯片有更长的休眠时间。

（2）对于没有中断触发的传感器，如热释电及微波传感器，根据传感器自身的响应时间，利用主控芯片内部低功耗定时器设定采样窗口，在该窗口时间内实现数据的获取，在其余时间内，关闭传感器的供电电源，使该传感模块消耗最少的能量。

1.2 射频芯片工作模式设定

（1）射频数据发送之前开启CSMA模式，只有在信道空闲时才会利用射频模块发送相应数据，提高数据发送的成功率，间接降低系统整体功耗。

（2）射频数据的发送采用中断模式，主控芯片将数据送入射频芯片的FIFO之后，主控芯片将进入休眠模式直至数据发送完成中断唤醒主控芯片，减少系统在射频数据发送周期内不必要的能量损耗。

（3）射频数据的接收采用中断模式，如果智能终端需要接收来自其父节点的信息，如智能终端发送完数据后在等待ACK过程中，主控芯片将进入休眠模式直至射频数据接收完成中断唤醒主控芯片，减少主控芯片在射频数据接收周期内的能量损耗。

（4）无需数据收发可把射频模块置于休眠模式，减少射频模块不必要的能量损耗。

1.3 主控芯片工作模式设定

（1）对于没有使用的IO口，全部设置成输入高阻模式，降低主控芯片IO的漏电流；对于已经使用的IO口，则要根据外部电路特性设置相应的逻辑电平。

（2）由于主控芯片唤醒或复位时，默认采用内部RC振荡器产生的时钟，所以采用内部RC振荡器作为主时钟，缩短主控芯片的唤醒时间，降低功耗。

（3）对于时间控制精度比较敏感的部件，如传感器采样周期、RTC实时时钟，采用32.768 kHz外部振荡器时钟为主控，提供精确的低频时钟，保证系统时钟的精确性。endprint

智能终端的软件实现流程如图3所示。

2 功耗测试

为了评估智能终端的工作寿命，需要对实际功耗进行测量与评估。本项目通过功率分析仪实现对功耗的测量，型号为泰克PA1000。功耗测量具体流程如下：

（1）待测智能终端电路板串联功率分析仪，并接上稳压电源；

（2）将稳压电源输出设置为4 V，电流输出上限设置为100 mA；

（3）将功率分析仪设为直流测量，档位设为100 mA，采样设置为平均电流采样。具体测试方案如图 4所示。

由于智能终端采用锂亚电池为其供电，所以在设计过程中需要考虑智能终端的整体耗能状况。而智能终端的功耗不仅与主控芯片电路特性有着密切的关联，外围传感器及射频芯片的工作频次及模式对整个系统的功耗也起到决定性作用。

根据智能终端的功能需求，分别测量各传感子模块及射频模块的工作时间，相关数据见表1所列。

为得到系统的整体功耗，需要设置以下几个假设条件：

假设条件1：射频数据发送频率为Frf send；

假设条件2：射频工作的平均电流为Irf avr；

假设条件3：射频工作的持续时间为Trf avr；

假设条件4：传感器采样频率为Fsensor；

假设条件5：传感器采样平均功耗为Isensor avr；

假设条件6：传感器单次采样持续的时间为Tsensor avr；

假设条件7：主控休眠模式下，待机功耗为Iidle；

由以上7个条件可以得到一天消耗的能量：

Iall=Irf avr·Trf avr·Frf send+Isensor avr·Tsensor avr·Fsensor+Iidle （1）

在实际应用中，采用ER14505锂亚电池为智能终端供电，该电池单节容量为2 400 mA·h。根据公式（1）及表1的条件，相应的测试结果见表 2所列。

3 结 语

本文设计的智能终端从家庭实际需求出发，旨在满足家庭环境监测及防盗需求。本智能终端设计采用物联网技术、多传感器数据融合技术，以实现居家环境参数监测及防盗报警功能，可有效降低入侵监控的误报率。由于该设备采用电池供电，功耗决定了该设备的使用寿命，为此，在实际设计中考虑了每个功能子模块的功耗特性，保证每个子模块功耗最优化。实际测试表明，该智能终端功耗性能优越，能够满足一般家庭环境监测及防盗报警的需求。

参考文献

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