PIR傳感器的輸出信號(hào)電平通常非常低，不足1 mV。若要檢測到運(yùn)動(dòng)同時(shí)避免誤檢，需要先將模擬信號(hào)放大再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行采樣。在典型的PIR解決方案中，信號(hào)放大使用高增益多級(jí)運(yùn)算放大器（Op Amp）實(shí)現(xiàn)，而這會(huì)提高設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、增加元件數(shù)量、降低電源效率和增加成本等。請繼續(xù)閱讀下文，了解小巧又節(jié)能的MCU如何幫助降低這些不利影響。

 

設(shè)計(jì)復(fù)雜性

 

若PIR傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于具有所需功能集（如12位差分ADC和可編程增益放大器（PGA））的小型MCU，則可降低對外部元件的需求，并可節(jié)省電路板空間和物料清單（BOM）成本。因此，可以考慮使用MickroE的PIR click傳感器。它是一塊印刷電路板（PCB)，其中包含了形成正常工作的PIR傳感器節(jié)點(diǎn)所需的所有無源元件。該click板基于運(yùn)放解決方案，ADC、電阻和電容均已包括在內(nèi)，因此可開箱即用，便于輕松進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和評估。為便于輕松進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，可以采用的典型設(shè)置為，將PIR click板與Microchip適用于Click boards™的Curiosity Nano基板和Curiosity Nano評估工具包搭配使用。如果使用Microchip Technology具有12位差分ADC和PGA的ATtiny1627等MCU，PIR傳感器節(jié)點(diǎn)解決方案可以獲得優(yōu)勢。由于無需使用外部運(yùn)放放大信號(hào)，可顯著減少外部元件的數(shù)量。再加上無需外部ADC，因此還可以省去電阻和電容等其他多種無源元件。

 

因此，使用此類MCU，可顯著減少PIR click的PCB布線工作。圖2展示了可以省去的元件（X）以及新的連接方式（藍(lán)色線條）。

 

注：圖中展示了在PIR click的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改的示例，因?yàn)檫@種修改比設(shè)計(jì)新的PCB并獲取所需元件更為方便。修改后的解決方案與click板的用途并不沖突。

 

圖2.PIR click修改示例和原理圖

 

經(jīng)過上述修改后，即可利用內(nèi)置的12位差分ADC和PGA。選擇適合的MCU后，可大大減少所需的外部元件，如圖3所示。

 

圖3.修改后的PIR click和原理圖

 

減少所用的外部元件后，如需替換外部元件，要考慮的硬件注意事項(xiàng)也相應(yīng)減少，因此硬件和PCB設(shè)計(jì)更為整潔、緊湊。此外，由于更多任務(wù)都在MCU中處理，軟件和固件也更加緊湊和高效。時(shí)序和同步的管理也更為方便簡潔。

 

若將傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的大部分復(fù)雜性從硬件轉(zhuǎn)移至MCU和中央處理單元（CPU）并在固件中加以管理，在開發(fā)過程中就可以更為靈活地更改和添加功能，而無需花費(fèi)時(shí)間重新設(shè)計(jì)電路板布局，從而能夠節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。同時(shí)，針對功耗等其他因素的代碼優(yōu)化也更為方便。只需更改參數(shù)設(shè)置，設(shè)計(jì)人員就能更改應(yīng)用程序代碼來添加功能，或優(yōu)化代碼來降低功耗或與環(huán)境條件相關(guān)的敏感性。當(dāng)環(huán)境溫度超過30°C時(shí)，傳感器在有人進(jìn)入檢測范圍時(shí)可能很難檢測到，而優(yōu)化代碼可降低系統(tǒng)對環(huán)境溫度變化的敏感性。在添加功能時(shí)，可以添加機(jī)器學(xué)習(xí)功能，用于識(shí)別運(yùn)動(dòng)模式并幫助系統(tǒng)學(xué)習(xí)如何區(qū)分噪聲或人與動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)等。

 

對于使用PIR傳感器的運(yùn)動(dòng)檢測應(yīng)用，ATtiny1627等MCU內(nèi)置有所需的大部分功能，因此可將設(shè)計(jì)的復(fù)雜性從硬件轉(zhuǎn)移至固件和軟件。如此便可降低復(fù)雜性，同時(shí)提高靈活性。

 

電源效率

 

對無線傳感器節(jié)點(diǎn)而言，功耗是一項(xiàng)重要考量因素。這是因?yàn)殡姵氐氖褂脡勖介L，傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命就越長，因此整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用壽命也就越長。這一點(diǎn)對所有無線傳感器系統(tǒng)都適用。如果已安裝數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)傳感器來實(shí)現(xiàn)不同的監(jiān)測功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)將被視為死亡或功能異常。對于較大型的傳感器系統(tǒng)，更換電池或節(jié)點(diǎn)本身意味著為最終用戶帶來額外成本，并且在節(jié)點(diǎn)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)失效或無法充分發(fā)揮作用，因此在發(fā)生意外事件時(shí)可能不會(huì)發(fā)出通知。因此，電池的使用壽命越長越好。

 

由于MCU具有休眠模式并且可快速喚醒，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗都可以達(dá)到非常低的水平。節(jié)點(diǎn)可以休眠，當(dāng)在傳感器檢測范圍內(nèi)出現(xiàn)溫度變化并由此檢測到運(yùn)動(dòng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)快速喚醒，并在完成信號(hào)處理后返回休眠模式。因此，能夠延長每個(gè)電池供電節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，而無需更換電池。請參見圖4，了解使用休眠模式和快速喚醒時(shí)CPU的運(yùn)行方式。功耗取決于具體應(yīng)用，并且會(huì)根據(jù)PIR傳感器的配置、采樣時(shí)間和濾波參數(shù)而有所不同，這些因素也會(huì)影響傳感器的檢測范圍和/或靈敏度。若應(yīng)用需要達(dá)到更低的功耗，可以對這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步降低功耗。

 

圖4.固件時(shí)序圖

 

 

ATtiny1627等MCU外形小巧且功能強(qiáng)大，并且內(nèi)置有智能、復(fù)雜的特性和功能，可改進(jìn)電流消耗和功耗效率，從而延長電池供電聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的使用壽命，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、削減系統(tǒng)總成本和縮短上市時(shí)間。