專利名稱：數字式準靜態被動人體探測器的制作方法
技術領域：
本發明公開了一種用于提高被動紅外人體探測器在檢測準靜止狀態下人體探測
精度的數字式檢測技術。屬于日用電器控制技術領域。
背景技術：
被動人體傳感器(PIR)輸出的信號變化緩慢、幅值小。針對該特點，目前處理電路 的種類較多，但功能都基本類似，框圖如圖1所示，具體處理步驟如下
1、濾波放大 PIR傳感器輸出信號幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏，為了后續電路能作
有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常要先進行增益約75dB，通帶為0. 3Hz 7Hz左右
的放大和濾波。 2、窗口比較器 放大后的信號通過固定門限電平的窗口比較器，檢出滿足幅值要求的信號，轉換
成一系列的探測脈沖信號。 3、噪聲抑制和數字信號處理 根據人體運動特點和傳感器的特性， 一般采用固定時間內計脈沖個數和測脈沖寬 度的方法來甄別有效的人體探測信號。判別方法為脈沖寬度低于24ms的都算作噪聲，不 予處理；單個有效脈沖寬度必須大于340ms ;雙脈沖，其中寬的必須大于160ms，窄的大于 24ms ;三個脈沖有效，每個都必須大于24ms。再將此有效的人體探測信號經過所需時間的 延時后輸出，就可形成穩定的人體探測識別信號。 經過上述三步處理后就能準確、可靠地判斷運動的人體信號。再根據具體應用場 合實現不同控制，例如報警器自動告警，自動開啟某個設備等。 但是如果將上述的運動型人體探測器用于室內工作或學習等準靜態的人體檢測， 由于此時人體動作的幅度很小，無法在菲涅爾透鏡的視區和盲區之間進行有效的運動，靈 敏度將會降低很多，輸出的探測信號幅度很小，甚至沒有。信號電平一直處于窗口比較器的 門限之下，就不會有探測脈沖出現，即使偶爾出現稍高于門限的信號，比較器輸出的脈沖寬 度和個數也難以滿足噪聲抑制電路的甄別要求而當成噪聲被去除了。在設定的延時時段內 如果沒有第二個有效的人體探測信號出現，延時結束時就會關閉控制信號輸出。之后人體 如有大一點的動作時，又會有一個延時時段的控制信號輸出。這樣就會造成被控設備的頻 繁啟停，嚴重時將無法正常工作。如用于燈具控制，頻繁的啟停不但影響人員的學習效果， 而且還會嚴重地縮短燈具的壽命。
發明內容
本發明針對已有技術的不足，提供一種提高準靜止狀態下人體探測精度的數字式
檢測技術，用于室內需要準靜態人體檢測的場合。 為了適應準靜態人體檢測的需求，必須對整個PIR探測系統進行改進。在菲涅爾透鏡方面，要求增加其視區的數量即鏡頭的分區和分段密度，保證人體在整個探測區域內 稍微移動，就有一定的信號輸出；在檢測電路方面，必須改進檢測算法，將人體移動的小信 號從系統噪聲和環境溫度起伏噪聲等背景噪聲中區分開來。其中檢測電路的改進最為重 要，是能否正確檢測出人體存在和抗各種干擾的關鍵。 由于每一個熱電元件的大小約為2Xlmm，經過透鏡能夠投射到元件矩形范圍內的 現場景物就局限在一個漏斗型的空間里，換言之，熱電元件只能"看"到這個漏斗形空間內 的熱能景物，我們稱這個漏斗形熱敏感空間為熱電元件的視區。單一鏡頭所能形成的視區 只有兩個，為了提高探測精度，需要增加不重疊的視區數目。在被動紅外探測器中擴充視區 數量的普遍做法是設置多個鏡頭，鏡頭法線匯聚熱電元件中心，法線向外輻射，形成一系列 視區分布。如使用了三片鏡頭弧形排列，可形成六個視區，扇形分布，探測區域得以擴充。這 三個鏡頭在熱電元件表面形成了六幅不同的影像，六幅影像重疊在一起，在人體沒有移動 的情況下，熱電元件表面的六幅影像均為現場背景的熱輻射成像，這樣的靜態背景所產生 熱輻射為持續不變的能量場，熱電器件對持續不變的熱輻射不會有信號輸出；當人體移動 時，持續的背景能量輻射受到擾動，熱電器件接收到的熱能發生變化，產生信號輸出，這是 準靜態人體檢測的物理基礎。但是，人體移動所產生的信號比人體運動產生的信號要小的 多，淹沒在系統噪聲和環境溫度起伏噪聲等背景噪聲之中。 溫度起伏噪聲，是指由于探測器和周圍環境通過各種形式進行熱交換，使熱探測 器溫度無規則起伏的噪聲，這是一種始終存在著的不可避免的噪聲源。 系統噪聲和環境溫度起伏噪聲近似為白噪聲，而刮風等形成的干擾卻是突發的。 熱釋電紅外傳感器檢測到的人體移動信號極其微弱，這些噪聲和干擾的存在，影響整個探 測系統靈敏度的提高。運動型PIR檢測屬于模擬檢測，窗口比較器的固定門限，將門限以下 的電平，無論是信號還是噪聲統統去除，提高了抗干擾能力，但也限制了探測精度的提高。 它只能用提高系統的增益的方法來提高檢測精度，但是噪聲和干擾信號也同時被放大，即 使在沒有人體檢測信號時，也可能超過比較器門限形成檢測脈沖，噪聲抑制電路的抑制作 用十分有限，將會出現嚴重的誤檢測。無法用于準靜態的人體檢測。 數字式準靜態人體探測器采用了數字信號處理(DSP)技術來進行人體信號的識 別，先將模擬的探測信號轉換成數字信號系列，各種噪聲、干擾和人體探測信號統計規律的 不同，人體探測信號的不同時刻取值一般都具有較強的相關性；而對于系統噪聲和溫度起 伏噪聲，因為其隨機性較強，不同時刻取值的相關性一般較差，利用這一差異將數字信號序 列進行離散的數字式相關等算法的計算，可以把人體探測信號和噪聲干擾信號區分開來。 從而得到準確的人體探測控制信號。 與運動型人體探測器相比，數字式準靜態人體探測器優點有 1、探測精度高，在運動型探測器中，人體識別是通過放大后的檢測信號與上下對 稱的兩個固定門限電平比較來實現的。由于受各種噪聲的限制，放大器的增益不可能做的 很大，因此，這種方法只能檢測人體運動的大的信號，而難于檢測人體移動的小信號。數字 式探測器的識別是將放大后的信號進行數學運算，基于信號和噪聲的統計特性，找出探測 信號與參考信號之間的相關系數來進行的檢測的，沒有門限效應的限制，因此，可以達到很 高的精度。 2、抗干擾性強，運動型探測器中的抗干擾主要是通過檢測脈沖的脈寬和個數來實現的，不可能對脈沖的實質進行識別，這些探測脈沖很有可能是由背景起伏噪聲或刮風等 噪聲所形成的，會造成較大的誤識別，抗干擾的性能較差。在數字式探測器中，通過信號與 參考信號的相似程度來判斷是有效信號還是噪聲，由于各種噪聲的統計規律和波形等與參 考信號有一定的差異，可以將其區分開來。因此，抗各種干擾的能力很強。
3、性能穩定，運動型的人體探測器基本上是模擬處理，雖然噪聲抑制電路采用了 一定的數字處理，但在形成探測脈沖前的處理都是模擬的，且系統各種時鐘也是用普通的 RC電路產生的。這些電路受溫度等因素影響較大，造成整機穩定性能較差。數字探測器除 了放大濾波外，其余部分都是采用由單片機組成的數字處理器來完成的，受環境溫度等因 素的影響很小，穩定性得到了極大的提高。 4、溫度特性好，運動型探測器的溫度性能較差，當環境溫度和人體溫度接近時，由 于溫差減小，探測靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈，雖然可以通過增益的溫度補償來提 高，但增益受噪聲的影響不能提高很大，因此作用有限，無法從根本上得到解決。數字探測 器不是完全依靠檢測信號的幅度大小來識別的，增益的溫度補償范圍可以做的很寬，因此 受溫度的影響大為減小，溫度特性可以做得很好。 5、延時精度高，運動型探測器的延時是由RC電路產生的，受器件和環境溫度等因 素的影響很大，精度較低，且批量中的一致性很差。數字探測器的延時是單片機定時產生 的，其時鐘由晶體振蕩器產生，精度很高， 一致性好。 6、調試簡單、生產效率高，運動型探測器的調試檢查點較多，生產效率不高。數字 探測器除了模擬處理部分之外，其它的處理都是由單片機的程序控制來進行的，無須進行 調整，檢查項目很少，極大地提高了生產效率。
圖1為運動型PIR探測器電路框圖，圖2為數字式準靜態PIR探測器電路框圖，圖 3為模擬處理部分電路圖，圖4為數字信號處理程序流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的詳述 數字式準靜態人體探測器主要由模擬處理和數字信號處理(DSP)兩部分組成，框 圖如圖2所示。 模擬處理部分的作用是將微弱的PIR信號放大到合適的電平，同時濾出帶外噪 聲。模擬處理部分和運動型的PIR檢測電路不同的是，為了消除數字處理部分A/D轉換時可 能出現的頻譜混迭現象，需要將高頻成分衰減量增大，為此，增加了低通濾波器的級數。同 時為了達到所需的75dB左右的增益，采用兩級低噪聲運算放大器組成，電路如圖3所示； Ul組成同相放大器，增益&=1+dt ，U2組成二階低通濾波器，增益
W2〃
& = ^ ，總增益K = & XK2。 Rl、 Cl組成一級低通濾波器，U2組成的低通濾波器的截止頻 ^ 1
勒乂2 = 2;;^^^。。，低通濾波器總的截止頻率約7Hz° R2〃RT * C2禾口 R3 * C3誠胃 級高通濾波器，截止頻率約為0. 3Hz。
為了補償PIR傳感器的靈敏度隨溫度的上升而下降，需要使放大器的增益隨溫度 而上升。采用了熱敏電阻補償法，將R2與負溫度系數熱敏電阻(NTC)RT并聯，使模擬處理 電路的信號輸出在整個溫度范圍內基本一致。 模擬處理后的信號送到數字信號處理器(DSP)，由于PIR信號的頻率較低，對信號 處理的實時性要求不高，為了降低功耗和成本，采用低功耗的單片機作為處理器。首先將探 測信號進行數/模(A/D)轉換，變成數字信號，之后的整個信號處理都是在數字域進行的。 由于人體信號與各種噪聲干擾都是隨機的，必須采用隨機信號的處理方法。在各種噪聲和 干擾中，系統噪聲和溫度起伏噪聲可以近似看成白噪聲，其統計規律和人體信號的統計規 律相差很大，采用相關運算可以比較容易地區分開來；而刮風等引起的噪聲(簡稱刮風噪 聲)的規律和人體信號的規律十分相似，只是頻譜結構等參數有所不同，較難區分。由于在 日常生活中，刮風所引起的能量變化較大，出現的概率又很高，如果不能正確地將兩者區分 開來，將出現很大的誤檢測概率，甚至達到無法使用的地步。我們分析了人體探測信號和刮 風噪聲信號的差異，開發出了最符合人體探測的參考信號序列，通過數字式互相關運算等 算法，成功地解決了這個問題。這是進行準靜態人體探測的所需解決的關鍵技術。
人體探測信號分為運動型大信號和準靜態移動小信號兩種，由于對這兩種信號的 響應時間要求不同，要采用了不同的處理方法。對于運動信號應該立即輸出探測控制信號， 不能有太大的時延。如用人體探測信號來控制燈具，當有人體進入探測區域時就應該立即 開啟燈具。而準靜態則是人體運動結束，進行工作和學習的狀態。在運動狀態結束后，輸出 的探測控制信號需要經過設定的延時時間才會結束，準靜態檢測只需判斷在延時時段內是 否有人存在即可，因此對時間響應的要求不高。 DSP信號處理流程圖如圖4所示，A/D轉換后的數字探測序列，首先通過數字窗口 比較器，進行幅度和脈寬的識別，如果幅度超過門限，脈沖寬度超過125mS，就認為是運動人 體信號，輸出有效人體識別信號，立即進入設定的延時程序，輸出人體探測控制信號；而幅 度不超過門限時，則認為存在移動信號，進入準靜態識別狀態。將探測序列與一組參考信號 序列進行數字式互相關運算，得到各級相關系數，同時，將探測序列進行均方值運算，得到 信號的幅度信息，乘以系數，就得到一組動態的與信號幅度相關的自適應閥值。再將各相關 系數與自適應閥值進行比較，低于閥值時，判斷為無人存在，不輸出有效人體識別信號，執 行原來的延時時間不變；高于閥值時，則判斷為有人存在，從高于閥值的時刻起輸出有效人 體識別信號，往后繼續執行一個設定的延時時間。重復上述運算處理，如果在延時時間內， 沒有第二個有效的人體識別信號出現，則在延時時間結束的時刻，關閉人體探測信號；如在 延時時間內不斷檢測到有效的人體識別信號，一直不斷延續延時時間，就可得到穩定的人 體探測控制信號。 將人體探測控制信號再與其它信號(如照度信號或溫度信號)邏輯運算，便可進 行相應的控制。
權利要求
一種用于提高被動紅外人體探測器在檢測準靜止狀態下人體探測精度的數字式檢測技術，包括模擬處理和數字信號處理兩部分。其特征是模擬處理電路將被動紅外傳感器輸出的探測信號進行放大和濾波，數字信號處理部分將模擬的探測信號經數/模轉換后，根據各種噪聲、干擾和人體探測信號統計規律的不同，進行數字運算，輸出人體探測控制信號。
2. 根據權利要求1所述的數字準靜態人體探測器，其特征是由低噪聲運算放大器組成 的放大器、二階高通和三階低通濾波器，其中第一級的增益可由熱敏電阻控制。
3. 根據權利要求1所述的數字準靜態人體探測器，其特征是由低功耗單片機組成的數 字信號處理電路。
4. 根據權利要求1所述的數字準靜態人體探測器，其特征是采用數字門限窗口 ，區分 運動型人體信號或準靜態人體信號，分別進行相應的運算。
5. 根據權利要求1所述的數字準靜態人體探測器，其特征是采用數字式互相關運算等 算法來區分各種噪聲、干擾和人體探測信號，互相關的參考信號系列與人體探測信號特征 相似。
6. 根據權利要求1所述的數字準靜態人體探測器，其特征是采用自適應閥值對相關系 數進行比較，得到真實的人體探測信號，消除各種干擾。
全文摘要
本發明公開了一種用于提高被動紅外人體探測器在檢測準靜止狀態下人體探測精度的數字式檢測技術。屬于日用電器控制技術領域。其特征是將模擬放大濾波處理后的探測信號，經數/模轉換器轉換成數字信號后，再進行數字信號處理(DSP)。探測信號中的各種噪聲、干擾和人體探測信號統計規律的不同，人體探測信號的不同時刻取值一般都具有較強的相關性；而系統噪聲和溫度起伏噪聲，因為其隨機性較強，不同時刻取值的相關性一般較差，利用這一差異，采用離散數字式相關運算等算法進行檢測，可以把人體探測信號和噪聲干擾信號區分開來?？朔诉\動型被動紅外探測器的探測精度不高、抗干擾能力差等缺點，特別適用于人體的準靜態檢測，具有廣泛的應用領域。
文檔編號G01J5/16GK101702035SQ20091001423
公開日2010年5月5日 申請日期2009年2月19日 優先權日2009年2月19日
發明者蘇桂香, 黃程云 申請人:黃程云
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