基于熱釋電傳感器的位置相關(guān)算法研究

1熱釋電傳感器及其探測原理

1．1PIR（Pyroelectric infrared Sensor）簡介

   熱釋電傳感器是一種新型被動(dòng)紅外探測元件,由鐵電介質(zhì)材料制成，輻射加熱作用使材料自發(fā)極化強(qiáng)度變化。溫度升高，極化強(qiáng)度降低，相當(dāng)于釋放出一部分電荷。制備熱釋電傳感器的鐵電材料有：硫酸三甘肽（TGS）、鈮酸鍶鋇（SBN）和鈦酸鉛（PbTiO3）等。熱釋電傳感器內(nèi)有兩個(gè)關(guān)鍵性的元件：（1）熱釋電紅外感應(yīng)單元(PIR Unit)，能將波長為8～12μm之間的紅外信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⒛軐ψ匀唤缰械陌坠庑盘柧哂幸种谱饔?。?）菲涅爾透鏡組（Fresnel Lens Array），是由若干個(gè)Fresnel Lens組成。菲涅爾透鏡包括兩種形式，即折射式和反射式，有兩個(gè)作用:①聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（或反射）在PIR上；②通過區(qū)域性遮斷技術(shù)將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋電紅外信號，這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號。

1．2探測原理［1］

熱釋電傳感器是利用目標(biāo)物體所發(fā)出的紅外輻射信號實(shí)現(xiàn)被動(dòng)探測的，目標(biāo)物體輻射能量的大小與物體絕對溫度有關(guān)，其關(guān)系遵循普朗克定律，關(guān)系式為：
Wλ=2πhc2［λ5(ehc/kT-1)］-1（1）
式中 h為plank常數(shù)(6.626×10-34Js)；c為光速(2.9979×108m/s)；T為絕對黑體的溫度(K)；λ為波長；K為Bolzman常數(shù)(1.38110-21J/K)。Wλ為絕對黑體的光譜輻射發(fā)射量，由（1）式，可知：

（1）目標(biāo)物體的輻射能量隨溫度的升高而增大；
（2）隨著溫度的升高，物體輻射能量的峰值向短波方向移動(dòng)，其變化符合維恩定律，即：λpT=2897.8,λp為峰值時(shí)紅外線波長；
（3）相同溫度下，不同目標(biāo)物體的輻射能量是不同的。

1．3信號調(diào)理電路

由于熱釋電傳感器輸出信號頻率和幅度比較低，易受外界環(huán)境的影響產(chǎn)生干擾，除了設(shè)置抗干擾電路外，選用放大器時(shí)應(yīng)選低噪聲、低漂移、低功耗、具有溫度補(bǔ)償?shù)母咴鲆婢苓\(yùn)算放大器，實(shí)際電路見圖1。 

圖1熱釋電傳感器與信號調(diào)理電路實(shí)際連接圖
熱釋電傳感器的輸出信號直流電平為1V，幅度為1mV的交變信號，該信號通過熱釋電傳感器內(nèi)部場效應(yīng)管的源極輸出，即圖1中的節(jié)點(diǎn)1。第一級運(yùn)算放大器（U1）是低頻小信號放大電路，輸出節(jié)點(diǎn)為3。第二級運(yùn)算放大器（U2）為具有微分補(bǔ)償電路的直流放大電路，由元件C1、R6、R7、R8和U2組成，輸出電壓V3波形如圖2。 
 
圖2信號調(diào)理電路輸出電壓波形
圖中t1～t2之間的曲線表示當(dāng)人員進(jìn)入傳感器時(shí)波形變化情況，t2～t3之間的曲線表示當(dāng)人員在傳感器內(nèi)部時(shí)波形變化情況，t3～t４之間的曲線表示當(dāng)人退出傳感器時(shí)的波形變化情況。從波形的變化可以看出：當(dāng)人員進(jìn)入傳感器時(shí)，在直流電平2.5V的基礎(chǔ)上迭加了一個(gè)正的電壓波形，而退出時(shí)，迭加了負(fù)的電壓波形，由此得出結(jié)論：人員進(jìn)入時(shí)信號幅度正向增大，而退出時(shí)信號幅度間反向增大，該結(jié)論作為人員定位與移動(dòng)相對位置匹配算法的判定依據(jù)。

2位置相關(guān)算法

2.1算法的設(shè)計(jì)思想

定位軟件是指通過特定的算法確定人員具體位置的軟件，從而確定是否進(jìn)行預(yù)報(bào)警或者報(bào)警，若預(yù)報(bào)警，則單片機(jī)發(fā)送預(yù)報(bào)警指令，進(jìn)行聲光報(bào)警；如報(bào)警，除了啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置外，同時(shí)應(yīng)將大型機(jī)械停車，以確保人員安全。為此，算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將探測區(qū)域進(jìn)行合理的劃分。

2.2算法的具體實(shí)現(xiàn)

圖3是由三個(gè)熱釋電傳感器輻射區(qū)域交叉組成的平面結(jié)構(gòu)圖。三個(gè)傳感器輻射區(qū)域兩兩相交，共分為8個(gè)區(qū)域，將這些區(qū)域劃分為安全區(qū)、預(yù)報(bào)警區(qū)和報(bào)警區(qū)。其中1、2、3、4、6、7為預(yù)報(bào)警區(qū)，5為危險(xiǎn)區(qū)，若有人進(jìn)入該區(qū)則報(bào)警并輸出閉鎖控制信號，使轉(zhuǎn)載機(jī)停車。 
 
圖3三個(gè)傳感器輻射交叉平面結(jié)構(gòu)圖
2.2.1具體數(shù)據(jù)格式

前一時(shí)刻的位置表示人員上一時(shí)刻在探測范圍內(nèi)的具體位置，作為移動(dòng)方向判定的基本依據(jù)；傳感器1、傳感器2和傳感器3表示三個(gè)傳感器檢測信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值；?PLAST?為上一時(shí)刻人員的位置（0～7），稱之為保留字，初值為0，表示人員在報(bào)警區(qū)以外的安全位置。②?X=［ X1，X2，X3］。XK表示人進(jìn)入（或者退出）由K號傳感器所確定的平面區(qū)域時(shí)，傳感器的檢測信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的值，它的范圍為00～FFH，對應(yīng)模擬量0～5V。設(shè)無人進(jìn)出時(shí)，信號調(diào)理電路的輸出直流電平為2.5V，但是由于環(huán)境噪聲的存在(如:氣流的變化、濕度的變化、大型機(jī)械的的開停等)，信號調(diào)理電路的輸出信號迭加了一定的噪聲電平△A，總輸出為2.5+△A，△A可正可負(fù)，它的值可通過單片機(jī)學(xué)習(xí)功能得到。

2.2.2函數(shù)關(guān)系

通過分析我們發(fā)現(xiàn)：圖3中每個(gè)具體位置是由不同傳感器所包圍形成的，人員從不同位置移向另一位置時(shí)，相應(yīng)傳感器測得的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生較大變化，而其它傳感器的數(shù)據(jù)變化小于某個(gè)值△k。即：人員的位置（Position）由上一時(shí)刻人員的位置PLAST和該時(shí)刻三個(gè)傳感器的電平經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值X（X1、X2和X3）確定，并且給定PLAST和X（X1，X2，X3），可唯一確定Position，他們之間滿足下列函數(shù)關(guān)系式：

Position=f（PLAST，X）

2.2.3數(shù)據(jù)存儲

由函數(shù)關(guān)系的討論可知,人員的當(dāng)前位置與前時(shí)刻的位置及當(dāng)前傳感器測得的數(shù)據(jù)有關(guān)。為了描述方便,我們稱人員前時(shí)刻的位置為“保留字”,當(dāng)前傳感器檢測值與閾值的比較稱為“判斷條件”，人員前時(shí)刻的位置和當(dāng)前判斷條件存儲在外部的非遺失性存儲器中，數(shù)據(jù)存儲形式為鄰接表，表頭為0～7保留字，共計(jì)8個(gè)位置，表的其它內(nèi)容為從該位置移動(dòng)到相應(yīng)位置的變化條件，即傳感器檢測信號的變化情況。以保留字2為例，與其相鄰的位置為1、3、4、5、6和7，具體確定方法見圖3。當(dāng)傳感器的輸出變化情況發(fā)生改變時(shí)，人員的移動(dòng)方向和位置是不同的，與保留字2相鄰的位置和條件對應(yīng)關(guān)系見表2。與其它保留字相鄰的位置和條件的對應(yīng)關(guān)系確定方法與表2相同。
表2與保留字2相鄰的位置和條件對應(yīng)關(guān)系

表2中，“不變”是指該傳感器的輸出電平與上一時(shí)刻電平之差絕對值小于△K；A1表示當(dāng)人員進(jìn)入傳感器時(shí)的判斷閾值；A2表示當(dāng)人員退出傳感器時(shí)的判斷閾值。

2.2.4具體定位方法

將巡檢到的三個(gè)傳感器數(shù)據(jù)Xi（i=1、2、3）與閾值A(chǔ)1和A2比較，據(jù)保留字和比較結(jié)果可判斷人員的當(dāng)前位置。比如：設(shè)保留字為2，X2=X3為不變，X3
4結(jié)束語

利用三個(gè)熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)了人員定位算法，即位置相關(guān)算法，適當(dāng)增加檢測的傳感器數(shù)量，可提高檢測精度和準(zhǔn)確度，但算法會(huì)變得很復(fù)雜，該算法不僅適合于煤礦環(huán)境的人員定位，而且也適用于其它需要界位劃分的場合。算法的實(shí)現(xiàn)是推動(dòng)被動(dòng)定位技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要補(bǔ)充和探索。獨(dú)特的傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可任意調(diào)整探測距離和范圍，具有較大的靈活性。利用該算法實(shí)現(xiàn)的人員安全保護(hù)系統(tǒng)已在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。