浅析基于Modbus通信协议热矩阵传感器的设计

张振凯

上海上实龙创智能科技股份有限公司 上海 200436

引言

随着人工智能的提升，通过视频判断人是否在区域内存在的准确度越来越高。但是对于智能楼宇、智能酒店和智能家居这三个领域来说，有大量的私密空间存在，用视频去判断就会牵涉到隐私泄露所带来的一系类麻烦。所以视屏判断不能覆盖到这三个领域中的全部区域。此外利用视频采样是需要有足够的光源存在，如果在一个黑暗的空间视频采集是无法正常工作的。

1 红外热矩阵技术概述

红外热矩阵技术是一种已有的军用技术，不过今年来该技术已经向为民用领域开放。该技术是将原先单点红外传感器扩展成多点矩阵型，利用点与点之间的差值和单点的温度图描述区域内的热力图，通过对热力差值和绝对温度值分布的分析，得出该区域内是否有人的存在。这种红外热矩阵技术具有极强的环境适应能力，它的探测不受外界烟雾、亮度等因素的制约。

传感器内置的热矩阵传感器使用松下红外阵列传感模块AMG8833，这是基于MES技术的红外阵列传感器，它的识别像素是一个8×8的64点像素热力图。传感器根据像素热力图中各个像素温度绝对值和像素与像素之间的温度差值来计算平面温度分布。通过该传感器传递出的平面温度分布图的计算，我们能够检测到该区域内移动的人体，还能检测到静止人体的位置[1]。

传感模块AMG8833的测量温度范围是0℃～80℃，理论最长测量距离是7m。这个传感器输出的是数字量点阵图，输出的通信协议是IIC。AMG8833红外热像仪传感模块有着紧凑结构便于传感器集成。

2 Modbus协议

Modbus协议具有其开放性、高可靠性、高效简单性、免费等优点，在设备监视和控制领域被广泛使用。Modbus协议具有强大的生命力。协议应用广泛的设备之间通信的通用语言。控制器之间利用这种协议可以相互之间经由网络或者RS485、RS232通信。不同厂商生产设备通过Modbus协议交互，进行设备的集中监控。通过ModBus命令能够实现控制或者读取一个I/O端口开闭状态，以及命令设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。

3 传感器设计

3.1 功能及技术指标

这个传感器主要用于民用空间范围，通过热力图的计算判断区域内是否有人的存在。设备使用的电源为智能空间经常使用的交流或者直流24V电源。传感器支持使用6-24V超宽交直流输入。设备经过测试能抵御GB/T17626.5-2008标准中最高等级4级(4KV)8/20uS的雷击测试。多种电源保护，抗静电、过流、防反接等保护措施能有效保证传感器能可靠运行。

Modbus通信是基于RS485硬件电路，这个电路采用全电气隔离设计，内部用DC0505作设备电源与RS485电源隔离，RS485接口采用三级防雷防静电二极管保护，接口防护等级为GB/T17626.5-2008标准中10/700uS测试的最高等级4KV。

探测灵敏度为人进入该区域或离开改区域时间出发后3秒以内。热力图扫描频率为每秒3帧[2]。

3.2 设备设计方案

3.2.1 传感模块的选择。市面上的红外测温点阵传感模块有这么几种：松下红外阵列传感器MLX90621型16x4像素红外阵列、AMG8833型8x8像素红外阵列、GY-MCU90640型32x24像素红外阵列传感器模块。GY-MCU90640型32x24像素红外阵列传感器模块虽然是其他两款红外阵列传感器模块分辨率的十倍，但是单个传感模块的成本将近五百元，因此在这个经济的红外阵列传感器的设计中暂不使用GY-MCU90640型32x24像素红外阵列传感器。

MLX90621型16x4像素红外阵列和AMG8833型8x8像素红外阵列虽然同为64像素红外阵列传感器模块。但是MLX90621的探测窗口是一个长宽比一比四的长方形，如果传感器使用这个传感模块，那么传感器在安装时就必须考虑安装的方向性问题，并带来热力图计算量的增加，所以最终选择AMG8833型8x8像素红外阵列传感模块。

3.2.2 传感器设计架构及模块设计。如图1所示，传感器由电源模块、处理器模块、485通信电路、红外矩阵传感模块和光学透镜组成。

图1 传感器架构

电源模块提供两套电源，这两套电源完全隔离。一套电源用于RS485通信电路，另一套电源用于传感器中起源设备的供电。这样处理的目是因为成本限制，在施工是强弱电电缆可能会在同一线槽内，这样在通信线缆上会出现感应电势，使用两套电源就能避免感应电势对传感器其他期间的干扰和破坏。

在选用设备的主处理器时，考虑到设备的体积及计算能力问题，选择使用GD32F103RCT6。GD32是一款国产芯片，其最高108MHz的工作频率，相比于国外STM32F103主频高出了50%，这50%的算力能够从容的应对热力图的插值浮点运算。GD32具有128KB程序存储器，40K的内存空。供电范围为 2.0～3.6V。CPU的IIC接口AMG8833型8x8像素红外阵列；USART通过RS485转换电路将TTL信号转成RS485信号和第三方设备通信。

为了扩大AMG8833探测窗口，提高传感器的实用性，在AMG8833探测窗口之上增加菲涅耳透镜。菲涅耳透镜是由法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳发明的透镜。菲涅尔透镜的主要作用就是将探测空间的红外线有效地集中到传感器上。通过分布在镜片上的同心圆的窄带（视窗）用来实现红外线的聚集。这样可以弥补AMG8833探测窗口小的问题。

3.2.3 Modbus传输协议功能表定义

传感器于第三方通信交互的内容分成两部分。一部分是传感器探测数据的值，包括是否存在人体、探测区域环境温度两项。另一部分是传感器内部设定值包括传感器设备地址、传感器通信速率、传感器探测位置和传感器所在区域性质[3]。

4 传感器测量设计

4.1 传感器安装位置

如图2，通常在智慧空间传感器安装位置有三个地方：探测区域的正上方；探测区域角落位置；探测区域的边缘位置。

图2 安装位置示意图

这三个传感器安装位置的不同会直接影响到传感器的探测结果。所以我们要在分析计算传感模块传回的数据时，我们要充分考虑到传感器的安装位置。并且我们要有三套插值的计算方法。

4.2 传感器热力图插值计算法

为了扩大AMG8833探测窗口，在AMG8833探测窗口正上上安装了透镜。在透镜的使用的同时，带来面积非线性缩小。即处于中心点像素点所代表的面积要小于外部像素所代表的面积。解决这个问题在非中心位置增加虚拟插入点，即在相邻两点中根据插入一个相邻两点的平均值。这样原有8乘8的64个点会增补到120或168个点基本完成点位的线性化。

这个插值计算根据传感器安装位置不同，一共有三种不同的计算方法对应三个不同的安装位置。①安装在探测区域正上方时中心区域内4×4的点阵保持不动，其余区域相邻两点区域插入一个插补点；②安装在探测区域角落时左上角4×4的点阵保持不动，其余区域相邻两点区域插入一个插补点。③安装在探测区域边缘位置时左侧中间4×4的点阵保持不动，其余区域相邻两点区域插入一个插补点。

4.3 人体存在计算

有插值的热力图制作完成后，下一步要根据这张热力图计算人体存在的可能性。

4.3.1 计算整个区域内一些特征值：区域温度的最高值、区域温度的最低值、区域温度的平均值。

4.3.2 计算区域内所有点阵的温度值与区域温度的最低值和区域温度的平均值差值。这样每个点阵上有2个相对的差值。

4.3.3 以2×2点阵为一个范围，把4个点共8个差值经行累加。累加值大于10以上基本可以判定区域内存在人体活动。

5 系统测试与分析

经过测试，传感器正确率与房间面积成反向线性关系，房间面积越大其正确性越低，这是因为人体所发出红外热辐射容易在单位面积内被平均。所以此类传感器适用于面积较小的空间，比如卧室、浴室和独立办公室等。这几类区域恰恰需要高私密性的传感器去测试人体是否存在。所以是这类传感器最佳使用的环境。

6 结束语

本传感器适用于在于摄像敏感区域去判别人体是否存在。为这类区域的智能和节能控制创造了稳定的基石，通过传感器基于Modbus协议的RS485接口能够接入不同的上位空间控制软件，为其各种算法的实施提供了可靠的保证。