褚紅旭,，金鑫，段納

　?。ńK師范大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院,，江蘇 徐州 221116）

       摘要：根據(jù)紅外輻射特性和紅外熱釋電傳感器工作原理,，設(shè)計組建了可嵌入家用電器,、安保設(shè)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(nèi)人體信號進(jìn)行掃描采集,，對嵌入設(shè)備進(jìn)行控制，并通過WiFi模塊向上位機(jī)程序反饋設(shè)備工作狀態(tài)信息,，實現(xiàn)與用戶的互動,，方便控制。

　　關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(yīng)模塊設(shè)計及實現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（6）：37-39.

0引言

　　紅外掃描識別技術(shù)在當(dāng)今社會的應(yīng)用越來越廣泛,，涉及智能安保、機(jī)器人控制,、智能家居等領(lǐng)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(yīng),，紅外熱釋電掃描因其具有較強(qiáng)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(biāo)［14］,。但當(dāng)下的紅外熱釋電掃描技術(shù)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(shè)備,，與微型電源模塊相結(jié)合,，設(shè)計出可嵌入家用設(shè)備的紅外熱釋電掃描模塊，在保證一定掃描精度的基礎(chǔ)上,，實現(xiàn)嵌入式設(shè)計,。

　　本文以紅外熱釋電傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)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(shè)備、公共用電設(shè)施等場所,。通過紅外熱釋電設(shè)備對外界人體信號進(jìn)行掃描,、數(shù)據(jù)收集，將收集的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī),，由單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給WiFi模塊,，利用無線信號將設(shè)備狀態(tài)傳輸給用戶，并利用單片機(jī)控制繼電器模塊,，對設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制,。綜上所述，為設(shè)計用于其他設(shè)備的內(nèi)部嵌入的模塊,，需要滿足制作體積小,、感應(yīng)范圍廣、靈敏度高等特點［68］,。

1設(shè)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(shè)備中，觀察是否能夠準(zhǔn)確做出開關(guān)反應(yīng),。整套模塊采用STM8型號單片機(jī)作為核心控制器,。該模塊以STM8型號單片機(jī)作為控制核心，通過對單片機(jī)進(jìn)行編程,，利用紅外熱釋電模塊對房間內(nèi)紅外熱源進(jìn)行實時感應(yīng),，當(dāng)熱釋電感應(yīng)器感應(yīng)到人體熱源信號時，單片機(jī)驅(qū)動繼電器模塊對所嵌入的設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制,，并由WiFi模塊向上位機(jī)發(fā)送設(shè)備運行狀態(tài),，用戶可通過上位機(jī)程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行操作調(diào)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(zhuǎn)換裝置,，通過對比進(jìn)行選型,，合理地選擇運算放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，可以有效地提高紅外熱釋電的感應(yīng)精度,，減少誤差的產(chǎn)生,。

2掃描模塊硬件設(shè)計

　　本文設(shè)計模塊需要體積微小，方便嵌入,。所設(shè)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(jìn)行設(shè)計，各個基本單元的設(shè)計如下,。

　　2.1STM8單片機(jī)基本單元

　　本文采用STM8型號單片機(jī)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(shè)計了單片機(jī)外圍復(fù)位電路,，當(dāng)復(fù)位按鍵按下時，整個模塊將被復(fù)位,，紅外熱釋電模塊將被復(fù)位,，WiFi模塊也會停止收發(fā)數(shù)據(jù)，但為了保證用電器的安全,，繼電器模塊也將控制用電器關(guān)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(shù)指標(biāo),，但是探測器能否發(fā)揮其應(yīng)有的探測效果，主要還取決于與之配合的光學(xué)模塊設(shè)計和信號處理電路設(shè)計,。目前被動紅外探測技術(shù)主要是探測移動人體紅外熱源,。移動目標(biāo)探測主要考慮兩方面：一是紅外傳感器要能探測到目標(biāo)中紅外到遠(yuǎn)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(shù)水平來保證,；二是基于熱釋電器件頻率響應(yīng)的要求，將探測范圍分割成若干防護(hù)區(qū)域,，當(dāng)紅外目標(biāo)在防范區(qū)域穿越時,，紅外傳感器會輸出相應(yīng)熱電信號。本文所設(shè)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［910］,。菲涅耳透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)對活動目標(biāo)的溫度場進(jìn)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(shè)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(jī),，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(jìn)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(shè)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［1112］，采用了四靈敏元的設(shè)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(qiáng)度較比雙靈敏元的熱釋電傳感器要強(qiáng)很多，其工作狀態(tài)更加穩(wěn)定,。

　　2.3WiFi模塊部分

　　本設(shè)計采用RT5350 CPU實現(xiàn)終端設(shè)備和服務(wù)器的通信,，RT5350 CPU內(nèi)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(nèi)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(wù)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(jī)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(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)發(fā)至串口2,。RT5350芯片采用OPENWRT嵌入式模塊,，具有很高的擴(kuò)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(yuǎn)低于很多家庭用電設(shè)備的功率,，利用單片機(jī)作為控制器可進(jìn)行更為復(fù)雜的編程工作,，便于對模塊進(jìn)行所需要的升級。本文所設(shè)計模塊可根據(jù)用戶需要進(jìn)行程序編寫,，滿足對不同用電設(shè)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?fù)鋺?yīng)用電路，省掉光耦和TL431部分,。它的內(nèi)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(hù)功能，有過壓保護(hù),、過壓箝位和欠壓鎖定等功能,；內(nèi)置抖頻技術(shù)可提高抗EMI能力。整個電源模塊大小為34 mm×22 mm×18 mm,，遠(yuǎn)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(shè)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)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(jī)程序在用戶使用開啟時,，實現(xiàn)模塊各時鐘,、數(shù)據(jù)通信接口的自動初始化，并判斷是否有來自下位機(jī)的信息,，若接收到信息,，會對紅外熱釋電模塊狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)程序流程圖若未接收到信息,，程序?qū)⑦M(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直到接收到信息,。

　　本文設(shè)計的模塊通過紅外熱釋電設(shè)備對外界人體信號進(jìn)行掃描、數(shù)據(jù)收集,，將收集的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī),，由單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給WiFi模塊，利用無線信號傳輸設(shè)備將設(shè)備狀態(tài)傳給用戶,，并利用單片機(jī)控制繼電器模塊,，對設(shè)備進(jìn)行開關(guān)。設(shè)計流程圖如圖7所示,。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計的基于WiFi的紅外熱釋電掃描模塊,，在紅外熱釋電感應(yīng)器掃描結(jié)構(gòu)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(yīng)用［1314］。加入的WiFi模塊便于遠(yuǎn)程控制設(shè)備的狀態(tài),，是當(dāng)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,。

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