PIR傳感器的輸出信號電平通常非常低，不足1 mV。若要檢測到運動(dòng)同時(shí)避免誤檢，需要先將模擬信號放大再由模數轉換器（ADC）進(jìn)行采樣。在典型的PIR解決方案中，信號放大使用高增益多級運算放大器（Op Amp）實(shí)現，而這會(huì )提高設計的復雜性、增加元件數量、降低電源效率和增加成本等。請繼續閱讀下文，了解小巧又節能的MCU如何幫助降低這些不利影響。

 

設計復雜性

 

若PIR傳感器節點(diǎn)設計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傳感器節點(diǎn)所需的所有無(wú)源元件。該click板基于運放解決方案，ADC、電阻和電容均已包括在內，因此可開(kāi)箱即用，便于輕松進(jìn)行原型設計和評估。為便于輕松進(jìn)行原型設計，可以采用的典型設置為，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傳感器節點(diǎn)解決方案可以獲得優(yōu)勢。由于無(wú)需使用外部運放放大信號，可顯著(zhù)減少外部元件的數量。再加上無(wú)需外部ADC，因此還可以省去電阻和電容等其他多種無(wú)源元件。

 

因此，使用此類(lèi)MCU，可顯著(zhù)減少PIR click的PCB布線(xiàn)工作。圖2展示了可以省去的元件（X）以及新的連接方式（藍色線(xiàn)條）。

 

注：圖中展示了在PIR click的基礎上進(jìn)行修改的示例，因為這種修改比設計新的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(guò)上述修改后，即可利用內置的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也相應減少，因此硬件和PCB設計更為整潔、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(jiǎn)潔。

 

若將傳感器節點(diǎn)設計的大部分復雜性從硬件轉移至MCU和中央處理單元（CPU）并在固件中加以管理，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中就可以更為靈活地更改和添加功能，而無(wú)需花費時(shí)間重新設計電路板布局，從而能夠節省設計時(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。只需更改參數設置，設計人員就能更改應用程序代碼來(lái)添加功能，或優(yōu)化代碼來(lái)降低功耗或與環(huán)境條件相關(guān)的敏感性。當環(huán)境溫度超過(guò)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)化代碼可降低系統對環(huán)境溫度變化的敏感性。在添加功能時(shí)，可以添加機器學(xué)習功能，用于識別運動(dòng)模式并幫助系統學(xué)習如何區分噪聲或人與動(dòng)物的運動(dòng)等。

 

對于使用PIR傳感器的運動(dòng)檢測應用，ATtiny1627等MCU內置有所需的大部分功能，因此可將設計的復雜性從硬件轉移至固件和軟件。如此便可降低復雜性，同時(shí)提高靈活性。

 

電源效率

 

對無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)而言，功耗是一項重要考量因素。這是因為電池的使用壽命越長(cháng)，傳感器節點(diǎn)的使用壽命就越長(cháng)，因此整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的使用壽命也就越長(cháng)。這一點(diǎn)對所有無(wú)線(xiàn)傳感器系統都適用。如果已安裝數十、數百甚至數千個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現不同的監測功能，當節點(diǎn)關(guān)閉時(shí)，則該節點(diǎn)將被視為死亡或功能異常。對于較大型的傳感器系統，更換電池或節點(diǎn)本身意味著(zhù)為最終用戶(hù)帶來(lái)額外成本，并且在節點(diǎn)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統將會(huì )失效或無(wú)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(cháng)越好。

 

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

 

圖4.固件時(shí)序圖

 

 

ATtiny1627等MCU外形小巧且功能強大，并且內置有智能、復雜的特性和功能，可改進(jìn)電流消耗和功耗效率，從而延長(cháng)電池供電聯(lián)網(wǎng)應用的使用壽命，同時(shí)降低設計復雜性、削減系統總成本和縮短上市時(shí)間。