基于热释电安防响应系统的研究

胡腾飞　张伟

摘 要：基于热释电的安防响应系统可以给人们的生活带来更加安全的保障。该系统利用热释电红外传感器作为感知元件，将人体释放出来的特殊波长的红外信号转化成电信号，并驱动监控探头对侵入目标进行拍照或者录视频，通过无线网络将入侵者的面貌以及体态特征及时的发送给使用者，使用者也可以通过网络控制语音播报，对入侵者进行恐吓达到阻止侵犯的目的，也节约了内存存储的空间。使用者还可以根据生活、生产等的实际需要对安防响应系统的模式进行私人的设定，比如语音播报的提醒功能，以及警示燈亮灭等模式的切换操作。该系统具有功耗低、工作稳定、抗干扰能力强、实用性好、操作简单、方便等优点。

关键词：热释电；安防；实用性好

中图分类号：TP301 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）25-0045-03

引言

安防是我们幸福生活的基石，面对鱼龙混杂的社会，及时的防止、阻止不法分子对我们人身、财产的侵害，并让他们受到应有惩罚，可靠的安防响应系统将为我们生活的安全环境锦上添花。由于红外线是不可见光，隐蔽性能良好，因此在防盗、警戒等安保装置中被广泛应用[1-4]。现如今大街小巷监控探头比比皆是，当我们受到不法的伤害或不公正待遇时，它是我们的证人，可以帮我们还原事情的真相。当然如此繁多的监控探头的存在也给警务人员带来大量的工作任务，调取监控、翻看监控视频、搜索重要的有价值的信息等。而热释电红外探测技术，具有全天候、被动式、视距远、识别伪装能力强等优点，在军事领域起着举足轻重的作用[5]。传统的热释电报警系统只能进行声光报警，不能对入侵者的体貌特征等信息进行存储、传输。本系统基于以往热释报警系统增加了部分功能，可以根据人们的实际生活、生产需要选择不同的工作模式，当有人员流动的时候开启监控探头对目标进行拍摄，在没有人员流动的情况下使监控探头处于静默模式，这样即降低了功耗，也节约了视频存储的内存空间，同时也能达到安防的目的。

1 基本原理

热释电传感器是基于热释电效应把热能转化成电信号的，热释电效应是晶体的一种自然物理效应，部分晶体受热或受寒时存在极化的现象，温度变化的高低会导致极化强度变化，晶体两端会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的极化现象被称为热释电效应。热释电效应的形成原理如图1所示。

在自然界中，温度高于绝对零度（-273.15℃）的任何物体，都会向周围辐射红外线，在现代物理学中称之为热射线。军事上所用的夜视仪就是利用这一工作原理，在漆黑的夜晚发现可疑目标的。红外线是不可见光中的一种，也是电磁波，以光速传播能量，光谱分布如图2所示。波长介于可见光与微波之间（780nm至1mm），热作用强。

由维恩位移定律（热辐射的基本定律之一）：在一定温度下，绝对黑体的温度与辐射能力的最大值所对应的波长λ的乘积为一常数，即λm·T=b式中，b=0.002897m·K，称为维恩常量。而人体的平均温度在37℃（310k）左右，根据这一公式可以计算出人体辐射出的红外波长峰值为9.35μm。37℃时人体光谱辐射强度与波长关系如图3所示：

而某些电介质材料，如钽酸锂、钛酸铅等材料受到红外辐射后，自身温度就会升高，这种现象称为红外辐射的热效应。热释电红外探测器就是基于以上原理将人体辐射出的红外线转换成热能进而转化成电能，再经过后续的放大、滤波输出所需要的电信号的。

2 总体设计

热释电安防响应系统的总体框图如图4所示，系统整体硬件主要组成部分，由热释电红外传感器、信号处理、放大电路、模数转换、人机对话模块设计和语音录放电路、监控探头及声光报警等部分组成。系统工作的过程如下：当被探测的目标对象所辐射的红外线透过菲涅尔透镜，聚焦在热释电红外传感器探测元上，热释电探测元将输出一定的电压信号，把这一信号进行进一步的放大、信号处理，模数转换，由微控制器根据系统设定的规则进行条件判定，并执行相应的安防响应。微机控制模块是整个系统的核心部分，它完成对系统的总体控制以及协调各功能模块之间的运行。

3 硬件结构及部分电路

3.1 热释电红外探测模块

热释电红外传感器能以非接触检测的形式探测出人体所辐射出的红外线能量变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以处理，便可驱动我们需要控制的电路。热释电红外传感器的结构如图5所示，在管帽的顶端装有干涉滤光片，它的作用是阻止部分光进入传感器，以免造成干扰，允许人体辐射的红外波长（10μm）左右的光通过，这样就可以达到针对特定目标探测的目的。由于此传感器具有很高的输出阻抗，而输出信号微弱，需要在其内部装设场效应管（FET）以及偏置电路对输出信号放大和阻抗匹配。

根据传感器敏感元件的数目，热释电传感器可以分为单元型和多元型，单元型的传感器可以检测外界任何温度的变化，需要进行温度补偿来降低灵敏度，所以又称为温度补偿传感器。本系统使用双元传感器，其内部结构如图6所示。当辐射信号同时透过滤光片，入射到2个传感元件上时，由于传感元件极性相反，干扰信号相互抵消，从而能够对环境温度的变化、背景辐射和受振动产生的随机噪声起到良好的补偿作用，使得在使用中性能稳定可靠。

菲涅尔透镜（螺纹透镜）相当于传感器探测元的眼睛，它有两个作用：（1）将外界辐射的红外信号汇聚到PIR窗口上；（2）它的特殊结构如图7所示，由于它的特殊结构可将探测区域内分为若干个交替变化的明区和暗区，当物体在探测区域内移动便以温度变化的形式在PIR产生热释电红外信号，这个信号是整个响应系统的中枢神经。

红外热释电处理芯片BISS0001，芯片由运算放大器、状态控制器、电压比较器和延迟时间定时器、封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。用此芯片先对红外热释电信号进行第一级放大，然后由C2耦合，再进行第二级的放大，然后经电压比较器进行双向鉴幅处理。该电路可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。电路图如8所示。endprint

3.2 微控制芯片

针对本系统的应用场合，选择一款高性能、低功耗的微处理器是很有必要的。在此选择16位单片机MSP430系列的代表作MSP430F149系列微处理器。其最小系统如下图9所示，由微控制芯片对前端输出的热释电红外信号进行响应，根据适用场合的实际情况控制语音电路、声光报警电路、以及监控探头视频录像传输等电路协调有序的配合工作，是整个系统正常工作的核心枢纽。

3.3 语音录放模块

ISD1420芯片是优质的语音录放电路，此芯片采用CMOS技术，多电平直接模拟量存储技术，具有前置放大器、自动增益控制电路、振荡器、语音存储单元、抗干扰滤波器、输出放大器组成，能够自然真实的再现语音、音乐的音调效果。内部框图如10所示：

该系列單片录放时间为8～20秒，具有高音质、自然语音还原技术，最小系统外围元器件少、功耗低等优点。

3.4 监控探头

当入侵目标进入探测范围，产生相应的红外信号再由微控制器控制监控探头开启工作模式，对目标录像或者拍照。电力网络IP摄像头，此摄像头由两部分组成，前端是一只500M的PLC桥接器，智能摄像头终端为集成了500M电力猫PLC桥接器功能的电力网络IP摄像头。电力网络IP摄像头设置简单安装方便，只需将电力猫连接到无线路由器上，连接好PLC适配器的电源插头，可以使用现有的插座和电线来传输视频信号，无需额外布线，内置红外LED可以昼夜监控，采用P2P技术，AES加密传输，能够有效的保证监控数据安全传输，可以通过手机网络和WiFi网络远程随时查看关注的对象和目标，可以通过手动云台控制镜头上下调节和左右旋转。

4 结束语

本系统采用模块电路设计，具有接线简单，成本低廉，功耗低，抗干扰能力强的优点，用户可以根据应用场合来选择适合的模式（声光报警、监控拍照、视频录播、语音播报），不同模块之间可以相互通信，对目标的动向做出预算，进行跟踪从而实现智能安防响应，即实现了实时安防，也降低了设备运行的功耗，还节约了磁盘的存储空间。

参考文献：

[1]闫会芹，何加铭，郑紫薇，等.无线传感器网络模糊逻辑分簇路由协议[J].无线通信技术，2013，39（6）：18-19.

[2]崔燕琴.基于热释电无线传感网络的人体目标识别系统[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014：5-16.

[3]郭渊博，杨奎武，赵俭，等.Zigbee技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2010（3）.

[4]高学斌，张志强，叶世强.无线传感网络中的被动式红外传感器研究模型研究[J].计算机应用，2007，27（5）：1108.

[5]吕潘.热释电红外报警器的设计[D].河北：河北工业大学，2011：5-10.

[6]周志忠.高尔夫球童机器人视觉跟踪系统研究[D].重庆：重庆大学，2013：10-11.

[7]王群锋.基于无线网络的智能照明系统研究[D].河南：郑州大学，2012：15.

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