《电子技术应用》

具有WiFi功能的红外感应模块设计及实现

2017年微型机与应用第6期 作者:褚红旭,金鑫,段纳
2017/4/9 19:11:00

  褚红旭,金鑫,段纳

  (江苏师范大学 电气工程及自动化学院,江苏 徐州 221116)

       摘要:根据红外辐射特性和红外热释电传感器工作原理,设计组建了可嵌入家用电器、安保设备的基于WiFi的红外热释电扫描模块。本文组建的模块,利用红外热释电传感器对室内人体信号进行扫描采集,对嵌入设备进行控制,并通过WiFi模块向上位机程序反馈设备工作状态信息,实现与用户的互动,方便控制。

  关键词:WiFi模块;红外热释电;人体信号检测嵌入式;微小化

  中图分类号:TN7文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.012

  引用格式:褚红旭,金鑫,段纳. 具有WiFi功能的红外感应模块设计及实现[J].微型机与应用,2017,36(6):37-39.

0引言

  红外扫描识别技术在当今社会的应用越来越广泛,涉及智能安保、机器人控制、智能家居等领域。在现实场所中,由于存在一些恶劣的环境,缺乏很好的光线,因此基于可见光的人体检测无法实现,极大地限制了对于空间的监测。不同于可见光的人感应,红外热释电扫描因其具有较强的辐射能力,可以检测到在可见光波段无法检测的特定目标[14]。但当下的红外热释电扫描技术仍存在很多不足之处,比如:红外热释电扫描误差较大,无法正确有效地识别扫描对象,需要较大体积的红外热释电模块才能有效减少误差,无法实现嵌入功能[5]。本文将针对这些缺陷,采用合理的控制器与放大滤波设备,与微型电源模块相结合,设计出可嵌入家用设备的红外热释电扫描模块,在保证一定扫描精度的基础上,实现嵌入式设计。

  本文以红外热释电传感技术为基础,设计组建了一套基于WiFi的红外热释电扫描模块,用于嵌入家用电器、安保设备、公共用电设施等场所。通过红外热释电设备对外界人体信号进行扫描、数据收集,将收集的数据传送给单片机,由单片机将数据传输给WiFi模块,利用无线信号将设备状态传输给用户,并利用单片机控制继电器模块,对设备进行开关控制。综上所述,为设计用于其他设备的内部嵌入的模块,需要满足制作体积小、感应范围广、灵敏度高等特点[68]。

1设计方案

  图1红外热释电控制模块本文主要以家用电器作为嵌入实验对象,将红外热释电扫描模块嵌入设备中,观察是否能够准确做出开关反应。整套模块采用STM8型号单片机作为核心控制器。该模块以STM8型号单片机作为控制核心,通过对单片机进行编程,利用红外热释电模块对房间内红外热源进行实时感应,当热释电感应器感应到人体热源信号时,单片机驱动继电器模块对所嵌入的设备进行开关控制,并由WiFi模块向上位机发送设备运行状态,用户可通过上位机程序对设备进行操作调控。该模块控制功能如图1所示。图1中所示模块用到的运算放大器与数模信号转换装置,通过对比进行选型,合理地选择运算放大器和数模转换电路,可以有效地提高红外热释电的感应精度,减少误差的产生。

001.jpg

2扫描模块硬件设计

  本文设计模块需要体积微小,方便嵌入。所设计的硬件电路需要采用集成度较高的器件,本节将对模块采用的硬件型号与电路进行设计,各个基本单元的设计如下。

  2.1STM8单片机基本单元

  本文采用STM8型号单片机作为扫描模块主控制芯片,其引脚的主要连接如图2所示,除外围其他工作模块外,本模块还设计了单片机外围复位电路,当复位按键按下时,整个模块将被复位,红外热释电模块将被复位,WiFi模块也会停止收发数据,但为了保证用电器的安全,继电器模块也将控制用电器关闭。

002.jpg

  2.2红外热释电扫描部分

  红外热释电探测器的灵敏度、稳定性决定了探测器的技术指标,但是探测器能否发挥其应有的探测效果,主要还取决于与之配合的光学模块设计和信号处理电路设计。目前被动红外探测技术主要是探测移动人体红外热源。移动目标探测主要考虑两方面:一是红外传感器要能探测到目标中红外到远红外频段的热辐射,及人体热辐射频段,这主要靠热释电材料的研究和制备技术水平来保证;二是基于热释电器件频率响应的要求,将探测范围分割成若干防护区域,当红外目标在防范区域穿越时,红外传感器会输出相应热电信号。本文所设计模块采用Fresnel透镜(菲涅耳透镜)和红外滤光片来帮助红外热释电传感器扫描红外信号[910]。菲涅耳透镜能够实现对活动目标的温度场进行不断切换。整个模块主要由菲涅尔透镜、红外热释电传感器、信号滤波放大电路等部分组成,其组成框图如图3所示。

 

003.jpg

  本文所设计的红外热释电模块将扫描采集信号通过运算放大电路LM258传入单片机,LM258运算放大电路的使用,可以对热释电传感器扫描到的人体红外信号进行放大处理,放大后的信号辨识度会显著提高,能够有效地区别环境已有的红外信号与人体红外信号的不同,从而减少误差,防止模块误操作。设计电路如图4所示。图中DS205B封装方式是为了方便安装菲涅耳透镜,本文采用的DS205B红外热释电传感器利用材料自发极化随温度变化的特征来探测红外信号[1112],采用了四灵敏元的设计方式。该种传感器可以有效抑制环境温度改变时造成的干扰,信号的输出强度较比双灵敏元的热释电传感器要强很多,其工作状态更加稳定。

  2.3WiFi模块部分

  本设计采用RT5350 CPU实现终端设备和服务器的通信,RT5350 CPU内部集成了802.11n1*1MAC/基带处理器、2.4 GHz1*1 射频单元和射频功率放大器,是一款高性能的MIPS 24Kc CPU内核(最高主频360 MHz)。RT5350芯片通过移植OPENWRT嵌入式模块,实现CPU与服务器的通信,并通过与微处理器串口UART相连,实现CPU与微处理器的信息交互。

004.jpg

  RT5350的串口1用于和计算机通信,是RT5350微处理器的控制台。串口2和微处理器相连,将接收到的网络信息转发至串口2。RT5350芯片采用OPENWRT嵌入式模块,具有很高的扩展性,通过控制IO17端口的输出电压大小,触发继电器的断开和闭合。

  2.4继电器模块部分

005.jpg

  采用的继电器模块在控制电路中的工作功率不超过500 mW,远低于很多家庭用电设备的功率,利用单片机作为控制器可进行更为复杂的编程工作,便于对模块进行所需要的升级。本文所设计模块可根据用户需要进行程序编写,满足对不同用电设备的控制。其电路图如图5所示。

  2.5电源模块部分

  电源模块采用RM3273S电源芯片,RM3273S是离线式PFM 电源管理芯片,采用原边反激拓扑应用电路,省掉光耦和TL431部分。它的内部集成了高精度恒压控制器,可实现误差不超过5%的精度控制。

  RM3273S集成了多种保护功能,有过压保护、过压箝位和欠压锁定等功能;内置抖频技术可提高抗EMI能力。整个电源模块大小为34 mm×22 mm×18 mm,远小于一般电源模块,可实现模块的小型化。

006.jpg

3软件编写

  本设计采用OpenWRT嵌入式操作模块,该嵌入式操作模块是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux模块,拥有强大的网络组件和扩展性,自带的OpenWrt SDK更简化了开发软件的工序。本文程序编写流程如图6所示。上位机程序在用户使用开启时,实现模块各时钟、数据通信接口的自动初始化,并判断是否有来自下位机的信息,若接收到信息,会对红外热释电模块状态进行数据监测,用户可以手动控制继电器的工作状态。图7单片机程序流程图若未接收到信息,程序将进入待机状态,直到接收到信息。

  本文设计的模块通过红外热释电设备对外界人体信号进行扫描、数据收集,将收集的数据传送给单片机,由单片机将数据传输给WiFi模块,利用无线信号传输设备将设备状态传给用户,并利用单片机控制继电器模块,对设备进行开关。设计流程图如图7所示。

007.jpg

4结论

  本文设计的基于WiFi的红外热释电扫描模块,在红外热释电感应器扫描结构上做出优化,将扫描范围拓展至15 m,大大提高了扫描范围,满足了大空间下的扫描应用[1314]。加入的WiFi模块便于远程控制设备的状态,是当前市场同类扫描模块所不具备的。该模块具有很大的开发价值和市场前景。

参考文献

  [1] 姬五胜, 吕丁强, 边立强. 智能家具照明控制无线开关模块[J]. 微型机与应用, 2011, 30(20):21-26.

  [2] 孙乔, 杨卫, 于海洋, 等. 动态下红外热释电传感器的目标定位方法[J]. 红外与激光工程, 2012, 41(9): 2288-2292.

  [3] 张文初. 提高热释电红外感应器灵敏度的分析与对策[J]. 科技创新论坛, 2012, 80(1): 180, 29.

  [4] 张律, 韩东. 利用ARM控制GSM 模块实现无线终端模块[J]. 科技信息, 2008, 6(36): 8384.

  [5] 朱宪亮. 红外探测器组件可靠性研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2014.

  [6] 吕璠. 热释电红外报警器的设计[D]. 天津: 河北工业大学, 2011.

  [7] 孙润. 基于WiFi智能家居的网关设计[D]. 西安: 西安工业大学, 2015.

  [8] 潘永雄. STM8S系列单片机原理与运用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2011.

  [9] 刘云武. 基于红外热释电传感器网络的动态定位技术研究[D]. 太原: 中北大学, 2014.

  [10] 徐克宝, 曹建, 亓学广, 等. 一种高灵敏度自主采样式热释电传感器的研究[J]. 仪器仪表学报, 2006, 27(12): 1742-1745.

  [11] 吴鹏. 基于红外热释电传感器网络的人体目标跟踪模块的研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2012.

  [12] 徐克宝, 高洁, 鞠晓君, 等. 具有抗环境热源干扰的热释电探测器的应用研究[J]. 传感技术学, 2006, 19(3): 758-762.

  [13] ZAPPI P, FARELLA E, BENINI L. Tracking motion direction and distance with pyroelectric IR sensors[J]. IEEE Sensors Journal, 2010, 10(9): 14861494.

  [14] 李艳飞. 基于多传感器融合的人体定位与行为异常检测[D]. 杭州: 浙江大学, 2016.


继续阅读>>