褚紅旭，金鑫，段納

　　（江蘇師范大學(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，由單片機將數(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(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模塊向上位機發(fā)送設(shè)備運行狀態(tài)，用戶可通過上位機程序?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(shè)計了單片機外圍復(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，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(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單片機程序流程圖若未接收到信息，程序?qū)⑦M(jìn)入待機狀態(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，由單片機將數(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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