基于热释红外传感器无人值守的安全控制系统

王良升, 郭杰荣, 2, 黄民, 肖利平, 王瑞成



基于热释红外传感器无人值守的安全控制系统

王良升1, 郭杰荣1, 2, 黄民1, 肖利平1, 王瑞成1

(1. 湖南文理学院物理与电子科学学院, 湖南常德, 415000; 2. 合肥工业大学电气工程博士后流动站,安徽合肥, 230000)

采用热释电人体红外感应模块对工作场所环境扫描检测以判断有无人员在场, 然后通过多个无线模块nRF24L01发送信息给中央处理器, 中央处理器再对相应的用电器或者开关等进行相应的控制。系统采用无线接收与发送来实现匹配, 并且将红外传感技术、无线通信技术、单片机技术与计算机应用技术结合实现对无人值守环境的管理, 具有较好的市场应用价值。

热释电红外; 无线模块; 无人值守

随着生活水平的不断提升, 人们越来越依赖大功率设备, 安全成为了人们最关心的话题, 尤其在某些工作区无人值守的情况下, 一些功率极大的设备不能自动断电易于造成浪费或出现危险情况。针对这样的情况, 本文提出一种可以实现无人值守的延时待机控制系统, 该系统使用多个无线模块nRF24L01(可以扩大控制面积)和继电器[1–2]控制交流接触器, 从而控制大功率电器。与现在的有线开关控制交流接触器相比[3–5], 本系统设计的人控开关自动化程度更高。

1 系统原理与结构

各个模块工作流程见图1。系统采用STC89C52RC单片机进行核心控制, 用多块无线模块nRF24L01分别作为发射和接收模块(信号有效接收信号范围为3～20 m), 无线收发模块nRF24L01能有效地检测和传送热释红外传感器检测到的信号。接收模块收到发送模块检测到的传感器信号后控制系统工作, 持续检测3 min, 若没有检测到高电平, 则自动断开电源, 以免造成电能浪费和引发火灾。

图1 各个模块工作流程

工作流程: 首先传感器和发送模块上电检测房间内是否有人存在, 同时使接收模块处于接收状态; 然后单片机将通过传感器检测到并存放在寄存器内的数据发射出去。若接收模块接收到传感器发出的高电平, 则用电器正常开启; 若接收模块接收到的电平信号为低电平, 则继续保持用电器开启一段时间, 如果3 min后接收模块依旧没有收到高电平, 则自动断开用电器电源。此时传感器和单片机及无线收发模块组成的控制系统为低功耗, 且一直处于正常工作状态以便正确检测是否有人。

2 系统设计

系统主要组成包括硬件和软件部分。

(1)硬件部分。包括单片机、PIR热释电人体红外感应模块(图2)、nRF24L01无线收发模块、交流接触器。单片机的主要工作是负责控制、接收和发送数据以及控制用电器。nRF24L01无线模块将接收的传感器发送的信号发给单片机, 单片机再判断是否有人, 决定打开或关闭用电器(图3)。

图2 感应发送主机接收模块工作图

图3 控制器电路及其接口

(2)软件部分。nRF24L01无线模块收发模式有Enhanced Shock BurstTM收发模式、Shock BurstTM收发模式和直接收发模式。本设计采用 Enhanced Shock BurstTM收发模式, 在该收发模式下, 使用片内的先入先出堆栈区, 数据低速从微控制器送入, 虽然高速(1 Mbps)发射可以尽量节能, 但使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行有3大好处: 节能; 更低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射); 数据的停留时间短, 抗干扰性高。Enhanced Shock BurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在Enhanced Shock BurstTM收发模式下, NRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时, 自动把字头和CRC校验码移去; 在发送数据时, 自动加上字头和CRC校验码。

本设计采用C语言完成[6–7], 主要流程如下:

NRF24L01射频模块头文件

********************/

#ifndef _NRF24L01_H_

#define _NRF24L01_H_

/*******************/

#define TX_ADDR_WITDH 5 //发送地址宽度设置为5个字节

#define RX_ADDR_WITDH 5 //接收地址宽度设置为5个字节

#define TX_DATA_WITDH 4 //发送数据宽度4个字节

#define RX_DATA_WITDH 4 //接收数据宽度4个字节

/******命令寄存器******************/

#define R_REGISTER 0x00 //读取配置寄存器

#define W_REGISTER 0x20 //写配置寄存器

#define R_RX_PAYLOAD 0x61 //读取RX有效数据

#define W_TX_PAYLOAD 0xa0 //写TX有效数据

#define FLUSH_TX 0xe1 //清除TXFIFO寄存器

…

#define NOP 0xff //空操作

/************寄存器地址************/

#define CONFIG 0x00 //配置寄存器

#define EN_AA 0x01 //使能自动应答

#define EN_RXADDR 0x02 //接收通道使能0-5个通道

…

#define RX_ADDR_P1 0x0b //数据通道1接收地址

#define RX_ADDR_P2 0x0c //数据通道2接收地址

#define RX_ADDR_P3 0x0d //数据通道3接收地址

…

#define FIFO_STATUS 0x17//FIFO状态寄存器

/***********相关函数声明***********/

unchar NRFACK();

unchar NRFSPI(unchar date);

…

void NRFSetTxMode4(unchar *TxDate);

void NRFSetTxMode5(unchar *TxDate);

void NRF24L01Int();

void NRFSetRXMode();

unchar CheckACK();

extern unchar bdata sta;

/***************/

#endif

3 结语

系统经过测试实现了基本预期功能, 其基本特点为: (1) 最高工作速率2 Mbps, 高效GFSK调制, 抗干扰能力强, 特别适合工业控制; (2) 内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制; (3) 低功耗, 系统在1.9～3.6 V工作, 待机模式下状态为22 µA, 掉电模式下为900 nA; (4) 内置2.4 GHz天线, 体积小巧; (5) 模块可软件设地址, 只有收到本机地址时才会输出数据(提供中断指示), 可直接接各种单片机使用, 软件编程非常方便; (6) 内置专门稳压电路, 使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果; (7) 标准DIP间距接口, 便于嵌入式应用; (8)Enhanced ShockBurst有Automatic packet handling、Auto packet transaction handling, 具备可选的内置包应答机制, 极大地降低丢包率; (9) 热释红外传感器模块有自行的封锁时间, 但应在初始化时延时1 s的时间编写程序。

参考文献：

[1] 张壹, 张栩嘉, 田焱, 等. 智能照明控制系统的设计与实现[J]. 电子设计工程, 2012, 20(24): 131–133.

[2] 覃海益. 教室灯光自动控制系统[J]. 电子科技, 2011, 24(10): 22–23.

[3] 李冰, 姜波. BISS0001在热释电红外开关上的应用[J]. 应用科技, 2006, 33(2): 31–33.

[4] 李波勇. 基于PIC单片机控制的新型远程防盗报警器[J]. 湖南文理学院学报: 自然科学版, 2008, 20(4): 79–81.

[5] 耿克山, 张城玮. 基于红外检测技术的变压器火灾报警系统研究[J]. 电力安全技术, 2012, 14(6): 37–40.

[6] 王永辉, 胡守印. 用visual C++ .NET实现实时在线监督系统设计与开发——在高温气冷堆上的应用及技术特点分析[J]. 计算机工程与应用, 2004, 40(17): 208–211.

[7] 常卫国, 王征, 张立臣. 教室照明智能控制系统的设计与应用[J]. 长春工业大学学报: 自然科学版, 2008, 29(5): 597–600.

(责任编校:刘刚毅)

Unattended safety control system based on pyroelectric infrared sensor

Wang Liangsheng1, Guo Jierong1,2, Huang Min1, Xiao Liping1, Wang Ruicheng1

(1. College of Physics and Electronics Science, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China; 2. School of Electrical Engineering and Automation Postdoctoral Mobile Research Station, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

This system scanning the workplace environment uses the pyroelectric infrared module to determine whether there are persons in the presence. And then send information to the CPU through the plurality of wireless modules nRF24L01, and the central processor executes corresponding control through the corresponding electric appliances or control switch. The system adopts the wireless receiving and sending, the infrared sensor technology, wireless communication technology, combined with single-chip microcomputer technology and computer application technology, work closely with each other to achieve the unattended environment management, which has good market application value.

pyroelectric infrared module; wireless; unattended

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.01.011

TP 212

1672–6146(2015)01–0045–03

郭杰荣, jierong_guo@126.com; 王良升, 18373633840@126.com。

2014–05–08

中国博士后科学基金(2013M541819), 湖南省大学生研究性学习与创新性实验项目。