CN110415472A - 一种单体无线门窗报警装置及报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单体无线门窗报警装置及报警方法，报警装置包括单片机、加速度传感器和上位机，单片机与加速度传感器电连接，单片机与上位机无线连接。本发明提供的报警方法通过加速度传感器实时检测到门窗的运动状态，检测到门窗处于运动状态后，单片机对三轴加速度数据进行积分运算获得实际的运动位移量，以此判断门窗的开关状态，并能通过报警器发出报警，通过LoRa无线通信方式将报警信息发送给上位机，上位机可将报警信息发送至用户手机。本发明具有检测准确、低功耗特点，外形为单体式，具有安装方便、新颖美观等特征。

Description

一种单体无线门窗报警装置及报警方法

技术领域

本发明涉及门窗报警领域，具体涉及一种单体无线门窗报警装置及报警方法。

背景技术

传统的门窗报警器是双体式设计，分别是永磁体和报警器主体两大部分，报警器内有一个常开型干簧管，当永磁体和干簧管相距很近，即门窗关闭时，干簧管受永磁体磁场作用吸合，报警器处于待机休眠状态。当永磁体和干簧管相距较远，即门窗打开时，干簧管断开，触发报警电路，并发出相应的报警信号。传统门窗报警器需要将报警器主体和永磁体分别安装在门窗本体和门窗框架上，存在安装不方便，容易误报警，外形不美观等缺点，这都影响了用户体验和报警质量。

发明内容

针对现有的门窗报警器存在的安装不便，容易误报警等问题，本发明的第一目的是提供了一种单体无线门窗报警装置。

本发明采用以下的技术方案：

一种单体无线门窗报警装置，包括单片机、加速度传感器和上位机，单片机与加速度传感器电连接，单片机与上位机无线连接；

所述加速度传感器包括传感器芯片，传感器芯片包括V_S引脚和V_DD引脚，V_DD引脚连接有三极管，具体为，V_DD引脚与三极管的发射极相连，在V_DD引脚与三极管的发射极之间连接有第一电容；所述V_S引脚也与三极管的发射极相连，V_S引脚还连接有第二电容和第三电容，第二电容和第三电容并联并接地；

所述单片机与三极管的基极相连，单片机还连接有报警器；

所述单片机还连接有LoRa无线通信芯片，单片机通过LoRa无线通信芯片与上位机无线连接。

优选地，单片机连接有电源，电源为CR2450型DC3V纽扣电池。

优选地，所述单片机的型号为MSP430。

优选地，所述传感器芯片的型号为ADXL362。

优选地，LoRa无线通信芯片的型号为CW1278SL-470。

优选地，所述三极管的基极连接有基极电阻，三极管的发射极连接有发射极电阻；所述第一电容接地。

本发明的第二目的是提供了一种以上所述的单体无线门窗报警装置及报警方法。

一种单体无线门窗报警装置的报警方法，包括以下步骤：

步骤1：加速度传感器一直检测门窗的加速度值，当加速度传感器检测到门窗处于运动状态时，加速度传感器向单片机发生运动中断信号，即AWAKE＝1；

步骤2：单片机启动位移计算，读取加速度传感器的先入先出缓冲器中X、Y和Z三个方向轴上的n组加速度数据；

步骤3：进行X轴位移量∑_X的计算，将X轴的一次运动按时间Δt分解成n段，设第n段的加速度为a_n，第n段的末速度为v_n，第n段的位移为S_n，计算公式如下：

v₀＝0

v₁＝v₀+a₁Δt，S₁＝(v₀+v₁)Δt/2

v₂＝v₁+a₂Δt，S₂＝(v₁+v₂)Δt/2

v₃＝v₂+a₃Δt，S₃＝(v₂+v₃)Δt/2

……

v_n＝v_n-1+a_nΔt，S_n＝(v_n-1+v_n)Δt/2

同理，进行Y轴位移量∑_Y的计算和Z轴位移量∑_Z的计算；

步骤4：在设定的时间内，若∑_X、∑_Y和∑_Z均超出设定的阈值，则判断门窗被打开，单片机控制报警器报警，并将报警信息通过无线通信传输给上位机；

步骤5：单片机向加速度传感器发送清除中断信号，加速度传感器开始检测门窗是否处于静止状态，当加速度传感器检测到门窗处于静止状态，加速度传感器向单片机发送静止中断信号，即AWAKE＝0，待加速度传感器接收到单片机清除中断信号后，加速度传感器再次保持低功耗并检测运动状态，如此循环反复。

本发明具有的有益效果是：

本发明提供了一种单体无线门窗报警装置及报警方法，通过加速度传感器实时检测到门窗的运动状态，检测到门窗处于运动状态后，单片机对三轴加速度数据进行积分运算获得实际的运动位移量，以此判断门窗的开关状态，并能通过报警器发出报警，通过LoRa无线通信方式将报警信息发送给上位机，上位机可将报警信息发送至用户手机。本发明具有检测准确、低功耗特点，外形为单体式，具有安装方便、新颖美观等特征。

附图说明

图1为本发明提供的单片机控制电路图。

图2为加速度传感器控制电路图。

图3为LoRa无线通信电路图。

图4为加速度传感器链接模式示意图。

图5为三轴运动方向计算位移的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

实施例1

结合图1至图3，一种单体无线门窗报警装置，包括单片机、加速度传感器和上位机，单片机与加速度传感器电连接，单片机与上位机无线连接。

如图1所示，单片机D1连接有电源G1，电源G1根据结构尺寸和续航时间选择CR2450型DC3V纽扣电池。电源滤波电容C3、C8，限流电阻R1、R6、R7、R10、R1，发光二极管V1、V2、V3，按键S1，上拉电阻R4，复位电容C4。

其中，考虑成本控制，本实施例单片机D1采用MSP430单片机，具体实施中，可由其他控制芯片替代，包括其他类型单片机、CPLD、DSP等。发光二极管V1、V2、V3分别选择红、黄、绿三种颜色。

图1中按键S1具有复用功能，单片机可根据按键时间的长短，实现不同的功能。具体地，按键S1按下后，单片机D1启动内部定时器，记录按键被按下的时间，按键S1抬起后，单片机D1关闭定时器，单片机根据记录下的时间执行不同动作：按键时间小于3秒，系统自检，黄灯闪烁3次；按键时间3至5秒，闪烁绿灯并向通信模组D3发送入网指令；按键时间超过5秒，系统重启。

红灯为报警器，红灯的作用是在单片机检测到门窗被打开时亮起。

如图2所示，加速度传感器包括传感器芯片D2，传感器芯片包括V_S引脚和V_DD引脚，V_DD引脚连接有NPN型三极管V4，具体为，V_DD引脚与三极管V4的发射极相连，在V_DD引脚与三极管V4的发射极之间连接有第一电容C7，第一电容接地。。

所述V_S引脚也与三极管V4的发射极相连，V_S引脚还连接有第二电容C5和第三电容C6，第二电容和第三电容并联并接地。

三极管的基极连接有基极电阻R14，三极管的发射极连接有发射极电阻R15。

C5为钽电容C5，C6、C7为陶瓷电容。

本实施例中选择的加速度传感器D2为ADXL362，具有低功耗、三轴加速度采集、12位输出分辨率等功能，其全带宽数据连续采样的特性能避免欠采样和混叠现象。

根据加速度传感器工作特性，只要其电源断开或工作电压降至额定范围以下，电源(V_S、V_DD和任何旁路电容)就必须完全放电后才能再施加。尤其地，在卸除电池G1后，传感器外部旁路电容和内部寄生电容会在十秒左右时间内保持一定的电量，此间重新安装电池，由于未完全放电会导致传感器失效。因此，本实施例在传感器电源V_S和V_DD前端添加一个NPN型三极管V4，并由单片机P2.2口控制其导通或关断，以实现加速度传感器D2电源的通断能达到设计要求。

单片机还连接有LoRa无线通信芯片，单片机通过LoRa无线通信芯片与上位机无线连接。

参见图3，为LoRa无线通信电路图。如图3所示，包括LoRa无线通信芯片D3，匹配天线W1及外围电路L1、C1、C2，储能电容C11。其中LoRa无线通信芯片D3采用CW1278SL-470芯片，可视通信距离1km，通信频率470MHz，带宽7.8～500kHz，具有频段可调，低功耗，高灵敏度，抗阻塞等特性。匹配的射频RF天线电路采用电感L1和电容C1、C2构成π型滤波电路，消除谐波干扰。本实施例中，储能电路采用一只法拉电容C11并联到通信模组D3电源端，补偿通信过程中出现的瞬间大电流导致的电压降落，保障通信模组供电稳定。

实施例2

结合图4和图5，利用实施例1的单体无线门窗报警装置的报警方法。

一种单体无线门窗报警装置的报警方法，包括以下步骤：

步骤1：加速度传感器一直检测门窗的加速度值，当加速度传感器检测到门窗处于运动状态时，加速度传感器向单片机发生运动中断信号，即AWAKE＝1；

步骤2：单片机启动位移计算，读取加速度传感器的先入先出缓冲器中X、Y和Z三个方向轴上的n组加速度数据；

步骤3：进行X轴位移量∑_X的计算，将X轴的一次运动按时间Δt分解成n段，设第n段的加速度为a_n，第n段的末速度为v_n，第n段的位移为S_n，计算公式如下：

v₀＝0

v₁＝v₀+a₁Δt，S₁＝(v₀+v₁)Δt/2

v₂＝v₁+a₂Δt，S₂＝(v₁+v₂)Δt/2

v₃＝v₂+a₃Δt，S₃＝(v₂+v₃)Δt/2

……

v_n＝v_n-1+a_nΔt，S_n＝(v_n-1+v_n)Δt/2

同理，进行Y轴位移量∑_Y的计算和Z轴位移量∑_Z的计算；

步骤4：在设定的时间内，若∑_X、∑_Y和∑_Z均超出设定的阈值，则判断门窗被打开，单片机控制报警器报警，并将报警信息通过无线通信传输给上位机；

步骤5：单片机向加速度传感器发送清除中断信号，加速度传感器开始检测门窗是否处于静止状态，当加速度传感器检测到门窗处于静止状态，加速度传感器向单片机发送静止中断信号，即AWAKE＝0，待加速度传感器接收到单片机清除中断信号后，加速度传感器再次保持低功耗并检测运动状态，如此循环反复。

加速度传感器输出存在固定的零点漂移，为消除零点漂移带来的积分误差，采取了位移原点自校准优化设计。报警装置会记录在静止状态下的加速度数据，并通过均值算法获取零点漂移数据a_e。运动位移计算过程中每个加速度采样数据a_i需要减去零点漂移数据a_e后再积分运算。

实际中，报警器安装位置、角度和运动方向存在差异，故在三轴加速度数据积分运算过程中，根据加速度数值变化率的大小，判断此次运动的主要方向和运动特征，在位移计算中做加权处理。

为防止异常干扰和振动造成报警器误判断，在数据处理过程中，增加了异常数据处理机制。实验数据显示，风吹、敲门、击打等异常情况的加速度变化绝对值、峰峰值、持续时间有别于正常的开关门窗动作。据此，可判断此次异常振动无效并终止积分运算过程，报警器重新进入低功耗状态。

最后，根据三轴的运动位移量∑_X，∑_Y和∑_Z，可以设计出合理的判定条件，若三轴运动位移量超过预定的阈值，则判断门窗被打开，红色发光二极管V1点亮，单片机通过LoRa通信芯片D3向上位机发送报警信息。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种单体无线门窗报警装置，其特征在于，包括单片机、加速度传感器和上位机，单片机与加速度传感器电连接，单片机与上位机无线连接；

所述加速度传感器包括传感器芯片，传感器芯片包括V_S引脚和V_DD引脚，V_DD引脚连接有三极管，具体为，V_DD引脚与三极管的发射极相连，在V_DD引脚与三极管的发射极之间连接有第一电容；所述V_S引脚也与三极管的发射极相连，V_S引脚还连接有第二电容和第三电容，第二电容和第三电容并联并接地；

所述单片机与三极管的基极相连，单片机还连接有报警器；

所述单片机还连接有LoRa无线通信芯片，单片机通过LoRa无线通信芯片与上位机无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种单体无线门窗报警装置，其特征在于，单片机连接有电源，电源为CR2450型DC3V纽扣电池。

3.根据权利要求1所述的一种单体无线门窗报警装置，其特征在于，所述单片机的型号为MSP430。

4.根据权利要求1所述的一种单体无线门窗报警装置，其特征在于，所述传感器芯片的型号为ADXL362。

5.根据权利要求1所述的一种单体无线门窗报警装置，其特征在于，LoRa无线通信芯片的型号为CW1278SL-470。

6.根据权利要求1所述的一种单体无线门窗报警装置，其特征在于，所述三极管的基极连接有基极电阻，三极管的发射极连接有发射极电阻；所述第一电容接地。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的一种单体无线门窗报警装置的报警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：加速度传感器一直检测门窗的加速度值，当加速度传感器检测到门窗处于运动状态时，加速度传感器向单片机发生运动中断信号，即AWAKE＝1；

步骤2：单片机启动位移计算，读取加速度传感器的先入先出缓冲器中X、Y和Z三个方向轴上的n组加速度数据；

步骤3：进行X轴位移量∑_X的计算，将X轴的一次运动按时间Δt分解成n段，设第n段的加速度为a_n，第n段的末速度为v_n，第n段的位移为S_n，计算公式如下：

v₀＝0

v₁＝v₀+a₁Δt,S₁＝(v₀+v₁)Δt/2

v₂＝v₁+a₂Δt,S₂＝(v₁+v₂)Δt/2

v₃＝v₂+a₃Δt,S₃＝(v₂+v₃)Δt/2

……

v_n＝v_n-1+a_nΔt,S_n＝(v_n-1+v_n)Δt/2

同理，进行Y轴位移量∑_Y的计算和Z轴位移量∑_Z的计算；

步骤4：在设定的时间内，若∑_X、∑_Y和∑_Z均超出设定的阈值，则判断门窗被打开，单片机控制报警器报警，并将报警信息通过无线通信传输给上位机；

步骤5：单片机向加速度传感器发送清除中断信号，加速度传感器开始检测门窗是否处于静止状态，当加速度传感器检测到门窗处于静止状态，加速度传感器向单片机发送静止中断信号，即AWAKE＝0，待加速度传感器接收到单片机清除中断信号后，加速度传感器再次保持低功耗并检测运动状态，如此循环反复。