超低功耗传感器到云运动检测器设计方案

很多工业和楼宇自动化系统采用运动检测来控制基于人体存在的功能，例如照明、以便不需要时关闭相关功能而获得更高的效率。同时，这些系统的无线传感器节点数目也在不断增加，使系统安装成本更低，未来扩展更具柔性。然而，这也增加了网络系统的功耗。

由于这些系统使电池驱动，与更换电池有关的维护成本是绝对不允许的。本系统包含一个CR2032纽扣电池、采用单个封装的四个纳米级功率运算放大器、一个超低功耗无线MCU和一个带模拟信号输出的PIR传感器，单个CR2032纽扣电池的使用寿命长达10年。

方案特点

PIR运动检测器根据传感器视场内的红外(IR)能量的差别，实现对运动的检测功能。由于传感器的输出信号非常小，需要进行放大并同时过滤噪声，获得最佳信号电平和消除错误触发，然后，通过窗口比较器将放大的模拟输出转换为数字信号，比较器的输出金额作为无线MCU的中断，可在需要的时候唤醒MCU以节省电量。

信号放大部分，方案采用采用电流消耗只有320nA(典型值)、可轨对轨工作的LPV802超低功耗运算放大器。该器件带宽8kHz，具有一个负轨感测输入级和一个相对于电源轨的摆幅为毫伏级的轨到轨输出级，从而尽可能保持最宽的动态范围，可最大限度降低运行电池寿命至关重要的设备(如CO检测器、烟雾检测器和PIR运动检测器)消耗的功率。LPV802具有EMI保护功能，降低了对无用RF信号的敏感度。

比较器将放大和滤波后的传感器输出，转化为数字信号，并作为MCU的输入。本方案采用TLV3691微功耗比较器芯片，提供宽电源电压范围，具有低至150nA(最大值)的静态电流和轨到轨输入。

方案中的CC1310是超低能耗无线MCU，极低的有源RF和MCU电流以及低功耗模式流耗可确保电池的使用寿命，允许在能源采集应用中使用小型纽扣电池，其协议栈支持wM-Bus、IEEE 802.15.4g。

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。

CR2032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。

和任何PIR传感器一样，IRS-B210ST01 PIR传感器也要用一个透镜来将红外能量集中于传感器元件上，从而扩展检测范围。使用菲涅耳透镜时，可将观察区域的红外图像传送给所有传感器元件。因此，透镜的形状和尺寸决定最大检测角和观察区域。本方案使用Murata IML-0669透镜，以便能够演示最大视野和检测范围。归根结底，选择哪种透镜是由应用的视野角度和检测范围决定的。

通过对纳米级功率运算放大器、比较器和超低功耗Sub-1GHz无线微控制器(MCU)和组合，本方案极大地延长了电池寿命且无需接线，实现了一款超低功耗传感器到云运动检测器。

芯齐齐BOM分析

本方案以TI器件为主，优化了一款无需接线，同时又可最大限度延长电池寿命的运动检测器电路的解决方案。

芯齐齐BOM分析工具显示，CC1310是一款48MHz ARM Cortex-M3内核的低功耗Sub 1GHz射频MCU，拥有完整的RF系统、DC-DC转换器和12-Bit ADC，即使是使用小钮扣电池供电，也可以应用在能源采集类和远距离传输中。

TLV3691毫微功耗比较器采用SC70-5和1mm×1mm DFN-6封装，具有75nA低静态电流，0.9V至6.5V宽电源，可在-40°C至125°C的扩展工业温度范围内运行。

LPV802运放提供EMI保护，采用8引脚超薄小外形尺寸(VSSOP)封装，电源电流320nA/通道，偏移电压3.5mV(最大值)，电源电压范围1.6至5.5V，温度范围–40℃至125℃。

IRS-B210ST01 PIR传感器采用表面贴装封装形式，并且可提供模拟输出，低功耗电路可以节省占用面积。

PCB布线上，为了确保实现高性能，该PIR运动检测器使用四层PCB进行布局。第二层为固态GND覆层，第三层用于电源轨布线，GND分布在未使用区域。顶层和底层用于一般信号布线，GND也分布在未使用区域。另外，考虑到低功耗设计以及设计中因此而产生的高阻抗路径，应尽量缩短PIR传感器输出和窗口比较器输入连接之间模拟传感器路径中的信号布线，同时在这些信号周围安放足够的接地端。

如果在可能积累灰尘或水分的环境中使用此TI 设计，请注意可能需要使用保形涂层，以防随着时间推移，在工作环境的影响下产生其他泄漏路径。

审核编辑：汤梓红