褚紅旭,,金鑫,,段納
(江蘇師范大學 電氣工程及自動化學院,,江蘇 徐州 221116)
摘要:根據紅外輻射特性和紅外熱釋電傳感器工作原理,,設計組建了可嵌入家用電器、安保設備的基于WiFi的紅外熱釋電掃描模塊,。本文組建的模塊,,利用紅外熱釋電傳感器對室內人體信號進行掃描采集,對嵌入設備進行控制,,并通過WiFi模塊向上位機程序反饋設備工作狀態(tài)信息,實現(xiàn)與用戶的互動,,方便控制,。
關鍵詞:WiFi模塊;紅外熱釋電,;人體信號檢測,;嵌入式;微小化
中圖分類號:TN7文獻標識碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.012
引用格式:褚紅旭,,金鑫,,段納. 具有WiFi功能的紅外感應模塊設計及實現(xiàn)[J].微型機與應用,2017,36(6):37-39.
0引言
紅外掃描識別技術在當今社會的應用越來越廣泛,涉及智能安保,、機器人控制,、智能家居等領域。在現(xiàn)實場所中,,由于存在一些惡劣的環(huán)境,,缺乏很好的光線,因此基于可見光的人體檢測無法實現(xiàn),,極大地限制了對于空間的監(jiān)測,。不同于可見光的人感應,紅外熱釋電掃描因其具有較強的輻射能力,,可以檢測到在可見光波段無法檢測的特定目標[14],。但當下的紅外熱釋電掃描技術仍存在很多不足之處,比如:紅外熱釋電掃描誤差較大,,無法正確有效地識別掃描對象,,需要較大體積的紅外熱釋電模塊才能有效減少誤差,無法實現(xiàn)嵌入功能[5],。本文將針對這些缺陷,,采用合理的控制器與放大濾波設備,與微型電源模塊相結合,,設計出可嵌入家用設備的紅外熱釋電掃描模塊,,在保證一定掃描精度的基礎上,實現(xiàn)嵌入式設計,。
本文以紅外熱釋電傳感技術為基礎,,設計組建了一套基于WiFi的紅外熱釋電掃描模塊,用于嵌入家用電器,、安保設備,、公共用電設施等場所。通過紅外熱釋電設備對外界人體信號進行掃描,、數(shù)據收集,,將收集的數(shù)據傳送給單片機,由單片機將數(shù)據傳輸給WiFi模塊,,利用無線信號將設備狀態(tài)傳輸給用戶,,并利用單片機控制繼電器模塊,對設備進行開關控制,。綜上所述,,為設計用于其他設備的內部嵌入的模塊,需要滿足制作體積小,、感應范圍廣,、靈敏度高等特點[68],。
1設計方案
圖1紅外熱釋電控制模塊本文主要以家用電器作為嵌入實驗對象,將紅外熱釋電掃描模塊嵌入設備中,,觀察是否能夠準確做出開關反應,。整套模塊采用STM8型號單片機作為核心控制器。該模塊以STM8型號單片機作為控制核心,,通過對單片機進行編程,,利用紅外熱釋電模塊對房間內紅外熱源進行實時感應,當熱釋電感應器感應到人體熱源信號時,,單片機驅動繼電器模塊對所嵌入的設備進行開關控制,,并由WiFi模塊向上位機發(fā)送設備運行狀態(tài),用戶可通過上位機程序對設備進行操作調控,。該模塊控制功能如圖1所示,。圖1中所示模塊用到的運算放大器與數(shù)模信號轉換裝置,通過對比進行選型,,合理地選擇運算放大器和數(shù)模轉換電路,,可以有效地提高紅外熱釋電的感應精度,減少誤差的產生,。
2掃描模塊硬件設計
本文設計模塊需要體積微小,,方便嵌入。所設計的硬件電路需要采用集成度較高的器件,,本節(jié)將對模塊采用的硬件型號與電路進行設計,,各個基本單元的設計如下。
2.1STM8單片機基本單元
本文采用STM8型號單片機作為掃描模塊主控制芯片,,其引腳的主要連接如圖2所示,,除外圍其他工作模塊外,本模塊還設計了單片機外圍復位電路,,當復位按鍵按下時,,整個模塊將被復位,紅外熱釋電模塊將被復位,,WiFi模塊也會停止收發(fā)數(shù)據,,但為了保證用電器的安全,繼電器模塊也將控制用電器關閉,。
2.2紅外熱釋電掃描部分
紅外熱釋電探測器的靈敏度,、穩(wěn)定性決定了探測器的技術指標,但是探測器能否發(fā)揮其應有的探測效果,,主要還取決于與之配合的光學模塊設計和信號處理電路設計。目前被動紅外探測技術主要是探測移動人體紅外熱源,。移動目標探測主要考慮兩方面:一是紅外傳感器要能探測到目標中紅外到遠紅外頻段的熱輻射,,及人體熱輻射頻段,,這主要靠熱釋電材料的研究和制備技術水平來保證;二是基于熱釋電器件頻率響應的要求,,將探測范圍分割成若干防護區(qū)域,,當紅外目標在防范區(qū)域穿越時,紅外傳感器會輸出相應熱電信號,。本文所設計模塊采用Fresnel透鏡(菲涅耳透鏡)和紅外濾光片來幫助紅外熱釋電傳感器掃描紅外信號[910],。菲涅耳透鏡能夠實現(xiàn)對活動目標的溫度場進行不斷切換。整個模塊主要由菲涅爾透鏡,、紅外熱釋電傳感器,、信號濾波放大電路等部分組成,其組成框圖如圖3所示,。
本文所設計的紅外熱釋電模塊將掃描采集信號通過運算放大電路LM258傳入單片機,,LM258運算放大電路的使用,可以對熱釋電傳感器掃描到的人體紅外信號進行放大處理,,放大后的信號辨識度會顯著提高,,能夠有效地區(qū)別環(huán)境已有的紅外信號與人體紅外信號的不同,從而減少誤差,,防止模塊誤操作,。設計電路如圖4所示。圖中DS205B封裝方式是為了方便安裝菲涅耳透鏡,,本文采用的DS205B紅外熱釋電傳感器利用材料自發(fā)極化隨溫度變化的特征來探測紅外信號[1112],,采用了四靈敏元的設計方式。該種傳感器可以有效抑制環(huán)境溫度改變時造成的干擾,,信號的輸出強度較比雙靈敏元的熱釋電傳感器要強很多,,其工作狀態(tài)更加穩(wěn)定。
2.3WiFi模塊部分
本設計采用RT5350 CPU實現(xiàn)終端設備和服務器的通信,,RT5350 CPU內部集成了802.11n1*1MAC/基帶處理器,、2.4 GHz1*1 射頻單元和射頻功率放大器,是一款高性能的MIPS 24Kc CPU內核(最高主頻360 MHz),。RT5350芯片通過移植OPENWRT嵌入式模塊,,實現(xiàn)CPU與服務器的通信,并通過與微處理器串口UART相連,,實現(xiàn)CPU與微處理器的信息交互,。
RT5350的串口1用于和計算機通信,是RT5350微處理器的控制臺,。串口2和微處理器相連,,將接收到的網絡信息轉發(fā)至串口2。RT5350芯片采用OPENWRT嵌入式模塊,,具有很高的擴展性,,通過控制IO17端口的輸出電壓大小,,觸發(fā)繼電器的斷開和閉合。
2.4繼電器模塊部分
采用的繼電器模塊在控制電路中的工作功率不超過500 mW,,遠低于很多家庭用電設備的功率,,利用單片機作為控制器可進行更為復雜的編程工作,便于對模塊進行所需要的升級,。本文所設計模塊可根據用戶需要進行程序編寫,,滿足對不同用電設備的控制。其電路圖如圖5所示,。
2.5電源模塊部分
電源模塊采用RM3273S電源芯片,,RM3273S是離線式PFM 電源管理芯片,采用原邊反激拓撲應用電路,,省掉光耦和TL431部分,。它的內部集成了高精度恒壓控制器,可實現(xiàn)誤差不超過5%的精度控制,。
RM3273S集成了多種保護功能,,有過壓保護、過壓箝位和欠壓鎖定等功能,;內置抖頻技術可提高抗EMI能力,。整個電源模塊大小為34 mm×22 mm×18 mm,遠小于一般電源模塊,,可實現(xiàn)模塊的小型化,。
3軟件編寫
本設計采用OpenWRT嵌入式操作模塊,該嵌入式操作模塊是一個高度模塊化,、高度自動化的嵌入式Linux模塊,,擁有強大的網絡組件和擴展性,自帶的OpenWrt SDK更簡化了開發(fā)軟件的工序,。本文程序編寫流程如圖6所示,。上位機程序在用戶使用開啟時,實現(xiàn)模塊各時鐘,、數(shù)據通信接口的自動初始化,,并判斷是否有來自下位機的信息,若接收到信息,,會對紅外熱釋電模塊狀態(tài)進行數(shù)據監(jiān)測,,用戶可以手動控制繼電器的工作狀態(tài)。圖7單片機程序流程圖若未接收到信息,,程序將進入待機狀態(tài),,直到接收到信息。
本文設計的模塊通過紅外熱釋電設備對外界人體信號進行掃描,、數(shù)據收集,,將收集的數(shù)據傳送給單片機,,由單片機將數(shù)據傳輸給WiFi模塊,利用無線信號傳輸設備將設備狀態(tài)傳給用戶,,并利用單片機控制繼電器模塊,對設備進行開關,。設計流程圖如圖7所示,。
4結論
本文設計的基于WiFi的紅外熱釋電掃描模塊,在紅外熱釋電感應器掃描結構上做出優(yōu)化,,將掃描范圍拓展至15 m,,大大提高了掃描范圍,滿足了大空間下的掃描應用[1314],。加入的WiFi模塊便于遠程控制設備的狀態(tài),,是當前市場同類掃描模塊所不具備的。該模塊具有很大的開發(fā)價值和市場前景,。
參考文獻
?。?] 姬五勝, 呂丁強, 邊立強. 智能家具照明控制無線開關模塊[J]. 微型機與應用, 2011, 30(20):21-26.
[2] 孫喬, 楊衛(wèi), 于海洋, 等. 動態(tài)下紅外熱釋電傳感器的目標定位方法[J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(9): 2288-2292.
?。?] 張文初. 提高熱釋電紅外感應器靈敏度的分析與對策[J]. 科技創(chuàng)新論壇,, 2012, 80(1): 180, 29.
[4] 張律, 韓東. 利用ARM控制GSM 模塊實現(xiàn)無線終端模塊[J]. 科技信息, 2008, 6(36): 8384.
?。?] 朱憲亮. 紅外探測器組件可靠性研究[D]. 北京: 中國科學院大學, 2014.
?。?] 呂璠. 熱釋電紅外報警器的設計[D]. 天津: 河北工業(yè)大學, 2011.
[7] 孫潤. 基于WiFi智能家居的網關設計[D]. 西安: 西安工業(yè)大學, 2015.
?。?] 潘永雄. STM8S系列單片機原理與運用[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2011.
?。?] 劉云武. 基于紅外熱釋電傳感器網絡的動態(tài)定位技術研究[D]. 太原: 中北大學, 2014.
[10] 徐克寶, 曹建, 亓學廣, 等. 一種高靈敏度自主采樣式熱釋電傳感器的研究[J]. 儀器儀表學報, 2006, 27(12): 1742-1745.
?。?1] 吳鵬. 基于紅外熱釋電傳感器網絡的人體目標跟蹤模塊的研究[D]. 武漢:武漢理工大學,, 2012.
[12] 徐克寶, 高潔, 鞠曉君, 等. 具有抗環(huán)境熱源干擾的熱釋電探測器的應用研究[J]. 傳感技術學, 2006, 19(3): 758-762.
?。?3] ZAPPI P, FARELLA E, BENINI L. Tracking motion direction and distance with pyroelectric IR sensors[J]. IEEE Sensors Journal, 2010, 10(9): 14861494.
?。?4] 李艷飛. 基于多傳感器融合的人體定位與行為異常檢測[D]. 杭州: 浙江大學, 2016.