褚紅旭，金鑫，段納

　?。ńK師范大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)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(jì)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(duì)室內(nèi)人體信號(hào)進(jìn)行掃描采集，對(duì)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(shí)現(xiàn)與用戶的互動(dòng)，方便控制。

　　關(guān)鍵詞：WiFi模塊；紅外熱釋電；人體信號(hào)檢測(cè)；嵌入式；微小化

　　中圖分類號(hào)：TN7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（6）：37-39.

0引言

　　紅外掃描識(shí)別技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)的應(yīng)用越來(lái)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(shí)場(chǎng)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(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，極大地限制了對(duì)于空間的監(jiān)測(cè)。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(cè)到在可見光波段無(wú)法檢測(cè)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(wú)法正確有效地識(shí)別掃描對(duì)象，需要較大體積的紅外熱釋電模塊才能有效減少誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)嵌入功能［5］。本文將針對(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)計(jì)。

　　本文以紅外熱釋電傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(chǎng)所。通過紅外熱釋電設(shè)備對(duì)外界人體信號(hào)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(wú)線信號(hào)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(duì)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制。綜上所述，為設(shè)計(jì)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(diǎn)［68］。

1設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(hào)單片機(jī)作為核心控制器。該模塊以STM8型號(hào)單片機(jī)作為控制核心，通過對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，利用紅外熱釋電模塊對(duì)房間內(nèi)紅外熱源進(jìn)行實(shí)時(shí)感應(yīng)，當(dāng)熱釋電感應(yīng)器感應(yīng)到人體熱源信號(hào)時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器模塊對(duì)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(yùn)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(yùn)算放大器與數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，通過對(duì)比進(jìn)行選型，合理地選擇運(yùn)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(jì)

　　本文設(shè)計(jì)模塊需要體積微小，方便嵌入。所設(shè)計(jì)的硬件電路需要采用集成度較高的器件，本節(jié)將對(duì)模塊采用的硬件型號(hào)與電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，各個(gè)基本單元的設(shè)計(jì)如下。

　　2.1STM8單片機(jī)基本單元

　　本文采用STM8型號(hào)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(jì)了單片機(jī)外圍復(fù)位電路，當(dāng)復(fù)位按鍵按下時(shí)，整個(gè)模塊將被復(fù)位，紅外熱釋電模塊將被復(fù)位，WiFi模塊也會(huì)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(cè)器的靈敏度、穩(wěn)定性決定了探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)，但是探測(cè)器能否發(fā)揮其應(yīng)有的探測(cè)效果，主要還取決于與之配合的光學(xué)模塊設(shè)計(jì)和信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)。目前被動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)主要是探測(cè)移動(dòng)人體紅外熱源。移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)主要考慮兩方面：一是紅外傳感器要能探測(cè)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(lái)保證；二是基于熱釋電器件頻率響應(yīng)的要求，將探測(cè)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(shí)，紅外傳感器會(huì)輸出相應(yīng)熱電信號(hào)。本文所設(shè)計(jì)模塊采用Fresnel透鏡（菲涅耳透鏡）和紅外濾光片來(lái)幫助紅外熱釋電傳感器掃描紅外信號(hào)［910］。菲涅耳透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)活動(dòng)目標(biāo)的溫度場(chǎng)進(jìn)行不斷切換。整個(gè)模塊主要由菲涅爾透鏡、紅外熱釋電傳感器、信號(hào)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(jì)的紅外熱釋電模塊將掃描采集信號(hào)通過運(yùn)算放大電路LM258傳入單片機(jī)，LM258運(yùn)算放大電路的使用，可以對(duì)熱釋電傳感器掃描到的人體紅外信號(hào)進(jìn)行放大處理，放大后的信號(hào)辨識(shí)度會(huì)顯著提高，能夠有效地區(qū)別環(huán)境已有的紅外信號(hào)與人體紅外信號(hào)的不同，從而減少誤差，防止模塊誤操作。設(shè)計(jì)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(lái)探測(cè)紅外信號(hào)［1112］，采用了四靈敏元的設(shè)計(jì)方式。該種傳感器可以有效抑制環(huán)境溫度改變時(shí)造成的干擾，信號(hào)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(jì)采用RT5350 CPU實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)CPU與微處理器的信息交互。

　　RT5350的串口1用于和計(jì)算機(jī)通信，是RT5350微處理器的控制臺(tái)。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(duì)模塊進(jìn)行所需要的升級(jí)。本文所設(shè)計(jì)模塊可根據(jù)用戶需要進(jìn)行程序編寫，滿足對(duì)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)模塊的小型化。

3軟件編寫

　　本設(shè)計(jì)采用OpenWRT嵌入式操作模塊，該嵌入式操作模塊是一個(gè)高度模塊化、高度自動(dòng)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(jiǎn)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(shí)，實(shí)現(xiàn)模塊各時(shí)鐘、數(shù)據(jù)通信接口的自動(dòng)初始化，并判斷是否有來(lái)自下位機(jī)的信息，若接收到信息，會(huì)對(duì)紅外熱釋電模塊狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，用戶可以手動(dòng)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(jì)的模塊通過紅外熱釋電設(shè)備對(duì)外界人體信號(hào)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(wú)線信號(hào)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(duì)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)。設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)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(chǎng)同類掃描模塊所不具備的。該模塊具有很大的開發(fā)價(jià)值和市場(chǎng)前景。

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