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信息，實現與用戶的互動，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［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。在現實場所中，由于存在一些惡劣的環境，缺乏很好的光線，因此基于可見光的人體檢測無法實現，極大地限制了對于空間的監測。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、數據收集，將收集的數據傳送給單片機，由單片機將數據傳輸給WiFi模塊，利用無線信號將設備狀態傳輸給用戶，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模塊向上位機發送設備運行狀態，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模塊也會停止收發數據，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、穩定性決定了探測器的技術指標，但是探測器能否發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域，當紅外目標在防范區域穿越時，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，能夠有效地區別環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，其工作狀態更加穩定。
2.3WiFi模塊部分
本設計采用RT5350 CPU實現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CPU與服務器的通信，并通過與微處理器串口UART相連，實現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，實現模塊各時鐘、數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進行數據監測，用戶可以手動控制繼電器的工作狀態。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，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、數據收集，將收集的數據傳送給單片機，由單片機將數據傳輸給WiFi模塊，利用無線信號傳輸設備將設備狀態傳給用戶，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，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價值和市場前景。
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