周健

（福建廣播電視大學(xué)，福建福州，350003）

基于MSP430單片機(jī)的低功耗智能入侵探測(cè)器設(shè)計(jì)

周健

（福建廣播電視大學(xué)，福建福州，350003）

設(shè)計(jì)了一種智能型被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器袁其采用超低功耗MSP430單片機(jī)袁自動(dòng)定期采集紅外傳感器數(shù)據(jù)并結(jié)合智能入侵檢測(cè)算法袁完成入侵報(bào)警功能。硬件設(shè)計(jì)使用低成本堯小功耗LM324運(yùn)算放大器袁結(jié)合根據(jù)MSP430節(jié)電模式設(shè)計(jì)的軟件算法袁共同實(shí)現(xiàn)探測(cè)器低功耗入侵檢測(cè)功能。相對(duì)傳統(tǒng)被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器具有超低功耗堯誤報(bào)率低堯性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

智能入侵探測(cè)器曰紅外傳感器曰抗干擾曰MSP430F149曰低功耗

一、前言

近年來使用入侵探測(cè)器防盜報(bào)警已越來越受人們青睞，其中被動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)得到了很好的應(yīng)用。[1]目前市場(chǎng)上的紅外入侵探測(cè)器按工作方式分主要有主動(dòng)型和被動(dòng)型兩種。主動(dòng)型探測(cè)器工作期間要向防范區(qū)域不斷地發(fā)出能量，誤報(bào)率低但耗能較高；而被動(dòng)型探測(cè)器由于本身不向外界發(fā)射任何能量，而是由紅外傳感器直接探測(cè)來自移動(dòng)目標(biāo)的紅外輻射，因此耗能低，可以長期使用，但是存在誤報(bào)率高的問題，難以滿足人們的需求。為解決誤報(bào)率高的問題，嘗試設(shè)計(jì)一種智能入侵探測(cè)器，在減少誤報(bào)率的同時(shí)進(jìn)一步降低能耗，主要用于建筑物的入侵探測(cè)。方案采用TI公司的MSP430F149超低功耗單片機(jī)作為主控芯片，利用芯片自帶的ADC模塊定期采集紅外傳感器電壓變化信號(hào)，結(jié)合智能入侵探測(cè)算法對(duì)入侵行為進(jìn)行判定。相對(duì)普通被動(dòng)入侵探測(cè)器在增加成本不多的情況下，有效地降低功耗、減少誤報(bào)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為方便系統(tǒng)室外安裝，且不受停電影響，采用干電池供電為主并提供外部電源接口的方案。采用干電池供電方案時(shí)不用單獨(dú)布置電源線，系統(tǒng)可以就近安裝，不受有無交流電源影響。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，加入低電壓檢測(cè)電路，提醒用戶及時(shí)更換電池。當(dāng)用戶使用外部電源接口供電時(shí)，干電池則作為備用電源供停電時(shí)使用。同時(shí)，為有效節(jié)約能源，減少系統(tǒng)耗電量，系統(tǒng)采用多種措施進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。

(一)MSP430F139單片機(jī)控制邏輯及IO口分配

入侵探測(cè)器主控芯片選用MSP430F139單片機(jī)，它是美國TI公司推出的一種16位超低功耗混合信號(hào)處理器，可使用電池長時(shí)間工作。1996年問世以來，由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。[2]

探測(cè)器布防后，單片機(jī)平時(shí)處于休眠狀態(tài)以降低功耗。主控芯片MSP430F149定期喚醒紅外傳感器進(jìn)行入侵探測(cè)，為避免誤報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)到入侵行為后先產(chǎn)生一個(gè)預(yù)報(bào)警中斷；然后，由中斷調(diào)用紅外傳感器進(jìn)行連續(xù)采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)輸入主控芯片；最后，主控芯片計(jì)算設(shè)定周期內(nèi)的采樣均值和方差，根據(jù)其大小智能判斷是否為入侵行為。當(dāng)判斷產(chǎn)生入侵行為后，主控芯片驅(qū)動(dòng)報(bào)警輸出報(bào)警聲音；否則，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)重新進(jìn)入下一次布防。為保證探測(cè)器工作可靠，設(shè)計(jì)中加入了電池檢測(cè)電路，定期檢測(cè)電池電壓變化，一旦電池電壓過低就產(chǎn)生低電壓報(bào)警提醒更換電池，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。智能入侵探測(cè)器系統(tǒng)框圖如圖1所示：P1.3用于A/D轉(zhuǎn)換輸入，P1.4用于接收預(yù)報(bào)警中斷，P2.1用于喚醒信號(hào)輸出，P2.2用于接收電池電壓信號(hào)，P2.6用于報(bào)警輸出。

圖1 智能入侵探測(cè)器系統(tǒng)框圖

(二)紅外傳感器選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主要是針對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體報(bào)警。人體有恒定的體溫，與周圍環(huán)境溫度存在差別，發(fā)出的紅外線波長約為9.6um。[3]當(dāng)人體移動(dòng)時(shí)，這種差別的變化通過菲涅爾透鏡被熱釋電傳感器檢測(cè)到，從而輸出報(bào)警信號(hào)。

人步行活動(dòng)時(shí)的頻率為0.1Hz～10Hz，故紅外傳感器選擇雙元熱釋電紅外傳感器RE200B，其反應(yīng)頻率0.3Hz～3Hz，內(nèi)裝有兩個(gè)對(duì)偶的紅外傳感器，對(duì)人體移動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)敏感，能有效抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，[3，4]配合菲涅爾透鏡，進(jìn)一步提高了傳感器的靈敏度。

(三)傳感器放大電路設(shè)計(jì)

由于傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，容易受到熱噪聲的干擾，甚至有效信號(hào)被淹沒在熱噪聲中，因此既要對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行放大，又要在放大有效信號(hào)的同時(shí)不把無用的熱噪聲放大。與此同時(shí)，要從多種噪聲干擾中提取有用的微弱信號(hào)，要求放大電路應(yīng)具有低噪聲、高增益、低頻特性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

傳感器放大電路由實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大功能的前置濾波放大電路和實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警信號(hào)輸出功能的雙限電壓比較器兩部分組成。前置濾波放大電路設(shè)計(jì)為由帶通濾波、兩級(jí)高增益放大電路構(gòu)成。電路中串入低通濾波電路，以限制噪聲帶寬；兩級(jí)高增益放大電路為系統(tǒng)提供了更大的信號(hào)放大倍率；為減小熱噪聲帶來的影響，熱釋電傳感器和前置放大電路之間的物理距離設(shè)計(jì)為盡可能短。同時(shí)，為了產(chǎn)生一個(gè)預(yù)報(bào)警輸出信號(hào)，在電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)雙限電壓比較器。設(shè)計(jì)好的傳感器放大電路圖如圖2所示。

運(yùn)算放大器元件選用低成本、小功耗的集成運(yùn)算放大器LM324，其具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償、直流電壓增益較高和寬電壓范圍的特性，內(nèi)置4個(gè)放大器正好構(gòu)成兩級(jí)濾波放大電路和一個(gè)雙限電壓比較電路，從而滿足探測(cè)器設(shè)計(jì)要求。

圖2 紅外探測(cè)前置濾波放大電壓比較電路

如圖2所示，雙元熱釋電紅外傳感器D端和5V電源間串聯(lián)10kΩ電阻R1，用于降低射頻干擾，G端接地，S端接47kΩ負(fù)載電阻R7，偏置電壓約為1V。傳感器輸出直接耦合到低噪聲運(yùn)放（LM324）構(gòu)成的帶通濾波和第一級(jí)放大電路的反向輸入端，再由電阻R10、電容C4耦合到第二級(jí)反向放大電路進(jìn)行進(jìn)一步濾波、放大。

電路放大倍數(shù)與頻率有關(guān)，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為1Hz時(shí)，

計(jì)算得到上限截止頻率15.9Hz，下限截止頻率0.07Hz，而人步行活動(dòng)時(shí)的頻率為0.1Hz～10Hz，因此基本過濾掉無用的熱噪聲。電路放大倍數(shù)兩級(jí)約為2000倍?？紤]到傳感器的固有噪聲電壓峰值約為50uV，室外熱空氣流動(dòng)能夠產(chǎn)生接近250uV的噪聲，以及其他可能存在的干擾，如空間電磁波干擾和機(jī)械振動(dòng)等，噪聲幅值接近100uV。三種噪聲疊加最大幅值接近300uV，經(jīng)兩級(jí)放大電路后，最大噪聲幅值達(dá)到600mV（0.6V）。因此，把第二級(jí)放大電路偏置在VCC/2，即1.5V，雙限電壓比較器的高低閾值設(shè)置為1.5±0.6V以有效抗噪聲干擾。即當(dāng)放大器輸出信號(hào)電平大于2.1V或者小于0.9V時(shí)，比較器輸出高電平，表示探測(cè)到移動(dòng)人體。設(shè)置合適的高低閾值可以調(diào)節(jié)探測(cè)器的靈敏度，起到防寵物的功能。此輸出信號(hào)作為預(yù)入侵探測(cè)信號(hào)輸入MCU，MCU接收后發(fā)出指令控制紅外傳感器按給定時(shí)間間隔連續(xù)采樣，采樣結(jié)果經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由主控芯片使用智能算法進(jìn)行入侵判定。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本探測(cè)器采用C語言編程，軟件開發(fā)效率高、執(zhí)行速度快、程序結(jié)構(gòu)清晰。軟件包括主程序、MCU定期中斷喚醒程序、紅外采樣子程序、電池電壓采樣子程序、智能判定子程序等。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序控制框圖

從主程序控制框圖可以看出，智能入侵判斷算法的核心是，對(duì)給定采樣周期（1s）內(nèi)的預(yù)入侵信號(hào)的均值是否落入?yún)^(qū)間[C1，C2]和方差是否小于C3進(jìn)行分析，智能判定是否發(fā)生入侵事件，減少誤報(bào)警。例如均值大于C1或小于C2可以判斷為小動(dòng)物經(jīng)過或風(fēng)吹動(dòng)窗簾，而方差大于C3可以判斷為有人快速跑過等非入侵事件。由于系統(tǒng)采用統(tǒng)計(jì)的方法，因此較常見的二次檢測(cè)算法具有更準(zhǔn)確的判定能力。

為減少系統(tǒng)功耗，除定期中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和電池檢測(cè)外，MCU大部分時(shí)間工作在節(jié)電模式。系統(tǒng)每5s中斷喚醒后，開始執(zhí)行短暫的數(shù)據(jù)采集。采集的電壓信號(hào)不經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，而直接由雙限電壓比較器輸出預(yù)入侵判定信號(hào)。只有發(fā)生預(yù)入侵事件，系統(tǒng)才會(huì)進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。連續(xù)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸送給MCU進(jìn)行計(jì)算，通過比較給定周期內(nèi)的采樣信號(hào)的均值和方差與預(yù)設(shè)值的大小。此外，系統(tǒng)每隔二小時(shí)進(jìn)行一次電池電壓采樣的轉(zhuǎn)換，以檢測(cè)是否電池欠電壓，如果電池欠電壓則產(chǎn)生欠電壓報(bào)警，提醒用戶及時(shí)更換電池。

預(yù)入侵判定的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)在必要時(shí)才喚醒進(jìn)行連續(xù)采樣，這樣既可以降低功耗，又可以減少誤判。而預(yù)設(shè)值C1、C2、C3可以通過軟件設(shè)置進(jìn)行靈活調(diào)整，確保探測(cè)器產(chǎn)生正確的報(bào)警輸出，防寵物等干擾?；诮y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的智能報(bào)警算法減少了系統(tǒng)的誤報(bào)率。欠電壓報(bào)警電路的設(shè)計(jì)可以防止系統(tǒng)由于電壓降低導(dǎo)致的探測(cè)靈敏度下降的事件發(fā)生，保障探測(cè)器工作的可靠性。

四、其他設(shè)計(jì)

(一)硬件抗干擾設(shè)計(jì)

1.使用硬件帶通濾波器，控制輸出信號(hào)在0.07～15.9Hz之間，滿足信號(hào)采集要求。

2.熱釋電紅外傳感器D端和3V電源間串聯(lián)10kΩ電阻，用于降低射頻干擾。

3.選用雙元熱釋電紅外傳感器，可有效抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾。

4.設(shè)計(jì)欠電壓檢測(cè)電路，防止由于低電壓造成的探測(cè)器失靈現(xiàn)象。

(二)軟件抗干擾設(shè)計(jì)

1.采用了計(jì)算給定周期內(nèi)采樣的方差，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)偏離中心的程度可以大大降低誤報(bào)的機(jī)率，因?yàn)樘栞椛涞犬a(chǎn)生的溫度不會(huì)瞬間升高、瞬間結(jié)束，而人走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的溫度變化會(huì)跟隨人體運(yùn)動(dòng)而改變。

2.在進(jìn)行數(shù)據(jù)均值計(jì)算時(shí)，由于均值反映了一定周期內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值，合理的設(shè)置C1和C2值可有效避開小動(dòng)物的紅外輻射，以減小誤報(bào)。

3.在進(jìn)行數(shù)據(jù)方差計(jì)算時(shí)，由于方差反映了一定周期內(nèi)數(shù)據(jù)的偏移程度，合理的設(shè)置C3值可以進(jìn)一步判斷是否有人正在侵入。因?yàn)檎Ｈ肭值男袨椴粫?huì)瞬時(shí)發(fā)生，必然會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。這樣可以過濾掉有人快速跑過等事件引起的誤報(bào)警。

(三)節(jié)電設(shè)計(jì)

選用MSP430超低功耗單片機(jī)。系統(tǒng)布防后即進(jìn)入省電模式，定時(shí)中斷喚醒紅外探測(cè)器檢測(cè)入侵行為。一旦發(fā)現(xiàn)可疑入侵行為時(shí)，首先通過雙限電壓比較器產(chǎn)生一個(gè)預(yù)入侵信號(hào)給MCU，MCU控制傳感器連續(xù)采樣；其次，MCU對(duì)設(shè)定采樣周期時(shí)間內(nèi)的紅外傳感器信號(hào)進(jìn)行采集和計(jì)算處理，通過比較周期內(nèi)信號(hào)均值與方差大小智能判斷是否為入侵行為；再則，對(duì)入侵行為進(jìn)行報(bào)警，延時(shí)后系統(tǒng)重新進(jìn)入布防狀態(tài)，MCU轉(zhuǎn)入省電模式等待下一個(gè)定時(shí)中斷。系統(tǒng)大部分時(shí)間運(yùn)行在省電模式（LPM3）并使用內(nèi)部低頻振蕩器VL0作為ACLK時(shí)鐘，僅在必要時(shí)短暫喚醒MCU執(zhí)行采樣過程，此時(shí)才使用耗電相對(duì)較大的DC0時(shí)鐘源。這種設(shè)計(jì)能有效節(jié)約能源，減少系統(tǒng)耗電量。

五、結(jié)論

使用雙紅外傳感器智能入侵探測(cè)器進(jìn)行入侵行為智能檢測(cè)，能有效減少系統(tǒng)誤報(bào)率。系統(tǒng)特別進(jìn)行了抗干擾和省電設(shè)計(jì)，適合安裝在室外長期使用，后期維護(hù)工作量小。合理設(shè)置C1、C2、C3值可以減少系統(tǒng)誤報(bào)警、提高系統(tǒng)的可靠性。

[1]郭志華.淺談被動(dòng)紅外探測(cè)器技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國安防袁2010袁(12).

[2]謝興紅袁林凡強(qiáng)袁吳雄英.MSP430單片機(jī)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京院北京航空航天大學(xué)出版社袁2008袁(1).

[3]劉舒祺袁施國梁.基于熱釋電紅外傳感器的報(bào)警系統(tǒng)[J].國外電子元器件袁2005袁(3).

[4]彭飛.無線智能報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J].芯片應(yīng)用袁2004袁(2).

[責(zé)任編輯：姚青群]

TN215

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1008-7346(2015)04-0052-04

2015-06-30

周健袁男袁湖南長沙人袁福建廣播電視大學(xué)晉安校區(qū)講師。