方逸洲，赵中瑞，张青野，张鹏程，艾麦提·布拉丁，曾佑轩，王 珏
（1. 上海仪电（集团）有限公司中央研究院，上海 200233；
2. 上海南洋万邦软件技术有限公司，上海 200233）
MEMS（micro electro mechanical system）是微机电系统的简称，其主要特点是将传感信号采集、传感信号处理、结果信号输出融合为一体。MEMS芯片的应用非常广泛，典型的MEMS芯片产品包括手机里的MEMS 硅麦克风、运动手环中的MEMS 加速度芯片、工业监测中的MEMS压力、MEMS温湿度芯片等。
本文的研究面向智慧零售场景，设计了一种低功耗蓝牙MEMS 振动传感器，可以分析客户对商超在售物品的拿取等动作行为，进而给出客户对商超物品的感兴趣指数。同时结合蓝牙无线广播特性和蓝牙网关，设计了一种移窗过滤均值计算算法，实现了较为准确的传感器位置判断，可用于商超物品的防盗管理。本文设计的传感器，在软硬件层面对产品功耗进行了深入研究和设计，采用一颗CR2032 纽扣电池即可长时间工作。
本文在蓝牙无线通讯领域，提出了一种基于广播的蓝牙无线数据传输方式。蓝牙网关通过广播扫描可以同时接收多个传感器上传的数据，并可通过快速周期扫描，结合本文设计的移窗过滤均值计算算法，实现对传感器距离的判断。本文设计的传感器是基于MEMS 加速度芯片的，MEMS 加速度芯片输出x/y/z三轴的加速度测量值，且可以结合滤波、中断等配置，针对应用场景开发相关数据处理模型［1］。
本文设计的低功耗蓝牙MEMS 振动传感器，结合蓝牙网关及相关处理算法，实现了智慧零售场景下的防盗管理、客户对商品动作行为和兴趣度分析等功能。重点研究了MEMS 振动传感器的低功耗设计、MEMS 加速度芯片数据处理算法、蓝牙广播无线数据传输、蓝牙接收信号强度的移窗过滤均值计算算法等，最终实现了面向智慧零售场景的应用推广。
本文的研究成果已部署在全国十余个零售门店中，累计部署低功耗蓝牙MEMS 振动传感器近1000台。
面向智慧零售场景，本文设计的低功耗蓝牙MEMS振动传感器及其应用系统方案如图1所示。
图1 低功耗蓝牙MEMS传感器系统方案
该系统的主要技术实现路径如下：
门店需要监管的每件零售品上，加装一个低功耗蓝牙MEMS 振动传感器，传感器采集零售品的加速度信息，并通过蓝牙SoC 芯片中设计的数据处理模型，计算出客户对零售品的拿取等动作操作，再通过蓝牙广播将计算分析结果传输到蓝牙网关2。本系统部署时，每个蓝牙MEMS 振动传感器具有唯一的序列号，且与对应的零售品绑定，该绑定关系会导入到智慧门店管理平台中，管理平台根据序列号呈现相关零售品的信息。
蓝牙网关2部署在门店的中心位置，其内置功率放大与接收信号增强电路，可以覆盖整个门店。蓝牙网关2通过增强型蓝牙广播扫描，同时接收门店所有传感器的广播数据包，解析出其中的计算分析结果数据，再通过以太网传输到智慧门店管理平台。
智慧门店管理平台接收到蓝牙网关2上传的MQTT 数据包后，解析蓝牙MEMS 传感器的序列号和动作分析结果，结合数据库中的绑定关系表，分析出零售商品和客户对其的相关操作，并将结果呈现在管理平台界面上。
蓝牙网关1部署在门店的出入口，用于出入口的防盗管理，其内部无需内置功率放大与接收信号增强电路。蓝牙网关1 的覆盖范围为1～4 m，部署时可以通过移动端配置软件进行调整。将报警识别距离配置到蓝牙网关1中后，如果有零售品进入到蓝牙网关1的范围内，蓝牙网关1通过接收信号强度的快速周期扫描和移窗过滤均值计算算法，可以较为准确地识别到该零售品，并通过声光报警方式进行警示，实现防盗功能。
2.1 硬件设计
本文设计的MEMS 振动传感器硬件架构如图2所示。
图2 低功耗蓝牙MEMS振动传感器硬件框图
主要模块的技术路径如下：
主控制器：该技术方案无需额外的处理器芯片，选用CC2540F256 蓝牙片上系统芯片作为主控制器，在完成数据采集、处理的同时，还可通过蓝牙广播进行数据传输［2］。
MEMS 加速度芯片：选用LIS3DH，该芯片在50 Hz的输出数据速率情况下，低功耗模式下的理论功耗仅6 uA，适合低功耗传感器的设计。
巴伦平衡滤波电路是射频收发系统中实现平衡转换、阻抗变换等功能的关键模块，本文采用2450BM15A0002芯片，实现该部分功能。
供电：传统的传感器产品，都需要稳压电源芯片。本文设计的传感器无需额外的稳压电源芯片，采用CR2032 纽扣电池直接供电的技术路径。CC2540F256 的供电电压是2～3.6 V，LIS3DH 的供电电压是1.71～3.6 V。以武汉力兴（火炬）电源有限公司生产的CR2032 为例，其标称电压为3 V，标称容量是210 mAh，放电曲线如图3所示，可以满足本文传感器的无稳压电源芯片直接供电的设计方案。
图3 武汉力兴（火炬）电源有限公司生产的CR2032放电曲线
本文设计的传感器实物如图4所示。左边为产品硬件电路正面俯视图，右边为产品组装图。产品尺寸较小，仅为3.7 cm×4.5 cm，可通过挂绳便捷地绑定在零售商品上。
图4 蓝牙低功耗MEMS振动传感器实物图
2.2 低功耗设计
蓝牙低功耗MEMS 振动传感器的低功耗设计包括硬件和软件两方面：
2.2.1 硬件低功耗设计
本传感器的硬件低功耗设计主要包括芯片选型、蓝牙芯片引脚电平处理、电源处理三方面。芯片选型方面，选用支持低功耗模式和低功耗中断触发的MEMS 加速度芯片LIS3DH，选用支持蓝牙低功耗标准的片上系统芯片CC2540F256。引脚电平方面，由于LIS3DH 通过I2C 接口与CC2540F256 通讯，SDA 和SCL 两线上有上拉电阻，作为I2C 主机的CC2540F256发送完停止信号后，需要避免上拉电阻两边电压差导致的电流消耗。同时，本传感器硬件设计时考虑到兼容性，将LIS3DH 的两个中断输出引脚接到了CC2540F256 的两个引脚，针对未用到的INT2 引脚，需要将CC2540F256 对应的引脚配置为输出低电平，防止电流消耗。电源处理方面，如果采用常规的稳压电源芯片设计方案，会导致漏电流，本产品采用CR2032 直接供电方式，减少电流消耗。
2.2.2 软件低功耗设计
软件方面的低功耗主要针对芯片工作模式的配置，CC2540F256 需要工作在POWER_SAVING 模式下。LIS3DH 的工作模式设计较为复杂，包括：配置量程为±2 G；
配置50 Hz的数据输出速率；
配置为低功耗模式并使能x/y/z 三轴输出；
配置高通滤波器为正常模式；
配置数据输出到寄存器和输入输出缓存器，并使能输入输出缓存器；
使能LIS3DH 的中断输出引脚1，中断输出信号为高有效；
中断阙值为16 mG；
触发中断的持续时间为40 ms。通过配置相应的阙值，可以实现动作、非动作的检测［3］。
软件方面，还对蓝牙广播信号进行了低功耗处理。在没有操作、动作时，关闭蓝牙广播；
当LIS3DH 中断输出的信号累积到一定程度，判断形成有效的操作动作时，打开蓝牙广播并进行快速周期性广播数据上报，一段时间后再关闭蓝牙广播。
通过上述的软硬件低功耗设计，采用图5所示测试方法对产品静态电流进行测试，为0.008 mA，如图6所示。
图5 蓝牙MEMS振动传感器静态电流测试方法
图6 蓝牙MEMS振动传感器实测静态电流
2.3 MEMS信号处理算法
针对智慧零售场景下客户对零售品的动作行为，本文在对LIS3DH 进行相关设计配置后，还设计了一套MEMS 信号处理算法，如图7 所示。
图7 MEMS信号处理算法
通过图7的MEMS信号处理算法，可以使得传感器在无客户动作时，工作在静态休眠模式，降低功耗。同时，有效动作阙值、指定核验周期、指定核验次数均可以通过蓝牙进行再配置调整，便于适配不同场景下的零售品动作。
3.1 基于广播的无线传输
如图1 所示，本文研究的智慧门店场景下，会有多个传感器。如果采用传统的蓝牙点对多星型网络连接方式进行数据传输，其连接数量受限、传输距离较近，难以满足实际场景要求。本文设计了一套基于广播的点对多蓝牙传输方式，蓝牙传感器的广播包字段格式见表1。
表1 蓝牙传感器的广播包字段格式
蓝牙网关快速周期扫描蓝牙传感器，并通过INESA_SERV_UUID 进行过滤识别，可以有效过滤掉其他非本文设计的蓝牙设备。蓝牙网关设置的广播包单次扫描缓存空间最多支持40个蓝牙传感器设备，即支持单一门店的同时40名客户对零售商品发生动作的数据上传。经门店部署验证，该技术方案可以满足场景需求。
3.2 基于移窗过滤均值计算的防盗报警算法
零售门店还有防盗的需求，顾客携带未结算的商品离开门店时，行走过程中的振动会唤醒蓝牙MEMS 振动传感器，使其处于蓝牙广播状态，从而被蓝牙网关1识别到。考虑到防盗识别距离较近，蓝牙网关1内部不需要功率放大和接收信号灵敏度增强电路。如图1所示，在门店出入口部署的蓝牙网关1，其内部运行本文设计的接收信号灵敏度的移窗过滤均值计算算法，算法流程如图8所示。
图8 移窗过滤均值计算算法
基于上述算法，对本文的蓝牙网关1计算出的接收信号强度，以及网关与蓝牙传感器的距离进行了重复性测试，经过测试，形成对应关系表（表2），便于现场部署时进行配置。
表2 本文蓝牙网关1与距离对应关系
蓝牙网关采集到的数据，通过MQTT 发送到管理平台，数据包格式采用JSON 格式，包括网关序列号、传感器序列号、传感器剩余电量、动作计数累加值、网关部署门店地址等信息，具体格式为：｛“Gateway_ID”：“网关序列号”；
“Command”：“Move”；
“Tag_ID”：“标签序列号”；
“Power”：电量值；
“Tag_Count”：累加值；
“Addr”：“shanghai”｝。
本文设计的蓝牙MEMS 振动传感器、蓝牙网关和管理平台系统，部署在上海某大型展会的门店后，可以较为准确地分析出客户对在售零售品的动作次数，如图9 所示，2 合1 抓绒毯（黑色款）是该门店中客户最感兴趣的商品。管理平台还对接了商品管理系统，详细展示了商品分类、数量等信息。
图9 智慧门店管理平台
本文设计了一种低功耗蓝牙MEMS 振动传感器，重点研究了MEMS 振动传感器的软硬件低功耗设计、MEMS 加速度信号的数据处理算法，并设计了一种基于蓝牙广播的数据通讯方式和接收信号强度的移窗过滤均值计算算法。通过相关技术研究与开发部署，构建了一套包含蓝牙MEMS 振动传感器、蓝牙网关和管理平台的智慧门店系统，可以采集和统计客户对零售商品的行为动作、对门店零售品的防盗警示等功能。本文的相关研究还可以推广到人员定位管理［4］、人员行为分析等更多的场景中。
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