自获能动静态人体探测器及微功耗低误报漏报的方法

自获能动静态人体探测器及微功耗低误报漏报的方法
【专利摘要】本发明公开了一种自获能动静态人体探测器及微功耗低误报漏报的方法。本发明人体探测器包括监视探测器和环境探测器，两者的组成结构类同；监视探测器由菲涅尔透镜，热释电红外传感器，信号调理模块，双稳态液晶光阀执行模块，信号采集处理、通讯、控制和自获能模块组成；外套菲涅尔透镜的热释电红外传感器依次与信号调理模块，信号采集处理、通讯、控制和自获能模块，双稳态液晶光阀执行模块相连。自获能技术克服了电池/有线供电的缺陷；液晶光阀亮/暗切换，使人体探测器的服务对象延拓至静态人；中位数字滤波以及借助环境探测器、从监视探测器信号中剔除环境干扰的差分数据祘法，有助于降低误报漏报率；微功耗的应用提升了人体探测器的可用性。
【专利说明】自获能动静态人体探测器及微功耗低误报漏报的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及被动式热释电红外探测器的人体检测技术范畴，尤其涉及一种自获能动静态人体探测器及微功耗低误报漏报的方法。
【背景技术】
[0002]被动式热释电红外传感器是基于热释电效应的热电型红外探测敏感元件，广泛应用于工业、农业、国防和安防等领域，甚至在普通的家用电器中也屡见不鲜。除黑体外的任何物体均向外福射红外线，其波长服从维恩位移定律(Wien’ s Displacement Law);人的典型体温为37°C，是一个很好的红外源，只要能探测人体的红外线就可获取人的活动状态。自二战期间德国用硫化铅材料制成全球首个红外传感器以来，70年历程的红外技术取得了全方位的长足进展；传感器的制造工艺成熟可靠、技术性能日臻完善，经济指标达到近乎完美的水准。首先，敏感元件的材料延拓至单晶体、陶瓷和薄膜三个大类；单晶体包括硫酸三甘钛(TGS)、铌酸锶钡(SBN)及钽酸锂(LiTa03)等，陶瓷材料包括锆钛酸铅(PZT)及钛酸铅(PbTi03)等，薄膜材料有聚偏二氟乙烯(PVF2)及聚亚乙烯氟(PVDF)等。第二，传感器普遍采用两个相反极性敏感元件串联的双元型结构，使其具有独特的抗干扰性能。第三是光学附件的技术进步，不仅发明了只对人体辐射红外线波长敏感的滤光片，而且开发出聚焦入射红外光、对活动目标不断切换温度场的菲涅尔透镜，提高了传感器的灵敏度和抗干扰性能。最后，热释电红外传感器专用芯片的推出，传感器只需外接少量器件，即可构成品质优异的高可靠探测器。
[0003]被动式热释电红外探测器由光学附件、热释电红外传感器、信号处理和应用电路组成。探测器本身不存在任何类型的辐射、无活动部件，故器件功耗小、隐蔽性好、结构可靠、价格低廉；热释电红外传感器不受可见光和噪声的影响，可不分昼夜连续检测，特别适宜在夜间或黑暗条件下工作；通过被测对象自身发射红外线实现检测，不必另设光源、系统结构相对简单；因大气对特定波长(8?14um)红外线吸收甚少，故具有较易检测到人体的特点。2008年，我国的被动式红外传感器市场总量达一千余万台。
[0004]被动式热释电红外探测器应用过程中暴露出三大不足:首先，被动式热释电红外探测器仅对动态人体有效，即无法探测静态或缓慢移动的人体；探测器若用于安防，则存在安全方面的隐患；若用于节能，根据是否有人决定照明和供热(冷)的开闭，则存在技术上的缺憾；开发适用于动静态人体的探测器直接受到热释电效应机理的制约。其二，被动式热释电红外探测器的电池/有线供电方式有待改进:电池供电的运维工作量和开销过大；有线供电的布线和维护工作量大，而且被动式热释电红外探测器搭建的安防系统缺少可扩展和灵活性。第三，热释电红外传感器易受环境中其他红外源的干扰，如暖气、空调可能引起的探测器误报，减少或消除误报是亟待解决难题。被动式热释电红外探测器当探测区域无人体辐射出的红外线信号时，外界入射的红外线在热释电敏感元上产生极性相反、电量相等的正负电荷极化现象，由于两个敏感元采用的是相反极性的串联结构，因此正负电荷相互抵消，传感器无输出。当人体静止在传感器的探测区域内时，与外界入射红外线的场景类同，传感器亦无输出。当且仅当人体在探测区域内移动时，两个热释电敏感元接收到不同的红外辐射，敏感元的极化电荷不能相互抵消，传感器才会输出信号；一旦人体脱离探测区域、或在探测区域内保持静止状态，敏感元产生的极化电荷与空气中的离子中和，传感器重返无信号输出状态。
[0005]针对被动式热释电红外探测器的不足进行了充分的研究，研究工作聚焦在探测器无法探测静态人体上，鲜见减少或消除探测器误报漏报的报道，探测器供电方式的改进则长期处于被漠视的状态，况且当时技术条件下确无有效的技术手段和解决方案。
[0006]针对被动式热释电红外探测器无法探测静态人体的缺点，改进设计取得了一定的成效，基本思路是正确的，即依据相对运动的原理进行改进:既然人动、探测器静，可行；反之人静、探测器动，必可行。但这种改进在工程实施中的成功案例少之又少，因为改进的技术手段过于复杂昂贵。商品化热释电红外传感器的批量报价2元左右，菲涅尔透镜成本〈I元，热释电红外传感器专用芯片BISS000K1元；显然，被动式热释电红外探测器改进技术必须具备简单、低廉、可靠的特征，现有的电机或步进电机加传动机构解决方案在技术经济的合理性方面值得商榷。改进设计的另一思路是多传感器的信息融合，如热释电红外传感器与超声波双鉴传感器结合，实现动静态人体的探测(王良昱，监狱环境下基于无线传感器网络技术的监控报警系统设计与实现[D]，国防科学技术大学，2011)，克服单一热释电红外传感器的缺陷。目前，较有代表性的知识产权成果综述如下:
[0007]?发明专利“照明设备的智能控制系统”(专利号ZL200710060055.1)，提出由红外热释电传感器和旋转云台构成人体探测器的方案。
[0008].发明专利“具有全态人体感应能力的红外人体感应装置”(专利号ZL201110066677.1 )，提出热释电红外传感器安装在控制器上，包括旋转电机和安装支架、以及减速箱和旋转齿轮；不仅可以检测运动中的人体，还可以检测静止的人体。
[0009].发明专利“检测动静态人体的被动式热释电红外探测器及低误报方法”(申请号201310113490.1)，提出通过燕尾滑块的平移，实现对动静态人的探测；并提出低误报率、优化燕尾槽平移次数的双鉴算法。`
[0010]?发明专利“一种基于液晶光阀的人体探测器”(申请号201210472902.6)，提出由光阀控制器驱动液晶光阀的透明和不透明，将静止状态人模拟出运动状态人的效果，从而实现对静止状态人的探测。发明专利JP特开2012-202783A也公开了类似的思路。
[0011]?发明专利“光控灯具的智能被动感应方法”(申请号201210195675.7)，提出将热释电红外传感器阵列中各热释电红外传感器的输出信号进行累加，并对放大后的信号进行微分运算、整流处理；解决被动感应方法中普遍存在的对感应区内静止人员无感应的问题。
[0012]上述有益探索，提出了 “人静、探测器动”，静止状态人模拟出运动状态人和“多传感器信息融合”探测静态人体的方法，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限。
[0013]专利“检测动静态人体的被动式热释电红外探测器及低误报方法”采用简单的燕尾滑块改进传统的电机或步进电机加传动机构，但机械运动的能耗很难达到令人满意的状态。专利“一种基于液晶光阀的人体探测器”借助光阀控制器驱动液晶光阀，将静止状态人模拟出运动状态人；但发明人忽视了一个基本事实:液晶光阀同时也将静止状态的红外线幅射模拟成了运动状态的红外线幅射，给热释电红外探测器施加了附加的、无法忽略的环境干扰、导致误报漏报率的上升。[0014]EnOcean是全球唯一采用自获能技术的无线通信国际标准，由德国的EnOceanGmbH公司(www.enocean.com)提出；2012年3月，国际电工技术委员会(InternationalElectrotechnical Commission)采纳为国际标准“IS0/IEC14543-3-10”。截止 2012 年，已有超过100家制造商将EnOcean无线模块应用于智能楼宇领域(照明、遮阳、暖通系统)、工业领域、汽车行业(替代传统需要电池的车胎压力传感器)。EnOcean为被动式热释电红外探测器供电方式的革命奠定了扎实的基础，鉴于EnOcean自获能解决方案并未考虑安防对高可用性的特殊要求，直接应用EnOcean自获能解决方案是不明智的。此外，液晶光阀将静止状态红外线辐射模拟成了运动状态红外线辐射的负面影响，必须寻求有效的方法予以消除。因此，有必要基于被动式热释电红外探测器，在现有研究成果的基础上作深入的研究与创新，减少或消除探测器的误报漏报、以自获能供电方式实现对动静态人体的低误报漏报探测。

【发明内容】

[0015]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种自获能动静态人体探测器及微功耗低误报漏报的方法。
[0016]自获能动静态人体探测器包括监视探测器和环境探测器；监视探测器由监视探测菲涅尔透镜110，监视探测热释电红外传感器120，监视探测信号调理模块130，监视探测双稳态液晶光阀执行模块140，监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150组成；环境探测器由环境探测菲涅尔透镜210，环境探测热释电红外传感器220，环境探测信号调理模块230，环境探测双稳态液晶光阀执行模块240，环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块250组成；监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150包括AD采样单元、数字信号处理单元、无线通讯单元、控制单元和自获能单元，环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块250包括AD采样单元、数字信号处理单元、无线通讯单元、控制单元和自获能单元；
[0017]监视探测热释电红外传感器120与监视探测信号调理模块130相连，再接入监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150 ;监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150与监视探测双稳态液晶光阀执行模块140相连，实施双稳态液晶光阀的暗/亮状态切换、调制输入监视探测热释电红外传感器120的光信号；监视探测菲涅尔透镜110套在监视探测热释电红外传感器120上；环境探测热释电红外传感器220与环境探测信号调理模块230相连，再接入环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块250 ;环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块250与环境探测双稳态液晶光阀执行模块240相连，实施双稳态液晶光阀的暗/亮状态切换、调制输入环境探测热释电红外传感器220的光信号；环境探测菲涅尔透镜210套在环境探测热释电红外传感器220上；
[0018]监视区域输入的光信号经监视探测菲涅尔透镜110、监视探测热释电红外传感器120的监视探测双稳态液晶光阀126，由监视探测热释电红外传感器120输出监视区域光信号相应的电信号、供后续模块作进一步处理，监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150下达监视探测双稳态液晶光阀的调制指令，监视探测双稳态液晶光阀执行模块140按调制指令控制监视探测双稳态液晶光阀；环境探测器输入的光信号源自环境区域、作为监视区域输入光信号的参照对比物，故环境探测器的信息流向与监视探测器的信息流向相同；两者的不同之处在:监视探测器的安装位置需确保监视探测热释电红外传感器120输入的是监视区域的光信号，环境探测器的安装位置需确保环境探测热释电红外传感器220输入的是环境区域的光信号，而且环境区域光信号必需具有:无人进入、且与监视区域光环境一致、可作为监视区域光信号参照对比物的基本特征。
[0019]所述的监视探测热释电红外传感器120由监视探测双稳态液晶光阀126、滤光镜121、第一敏感元122、第二敏感元123、栅极电阻Re124和场效应管FET125组成；监视区域的环境和人体辐射红外线经监视探测菲涅尔透镜110、监视探测双稳态液晶光阀126、再通过滤光镜121聚焦至热释电红外敏感元，产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，满足热释电敏感元对信号变化的要求；监视探测双稳态液晶光阀126位于滤光镜121和敏感元的前端，采用液晶光阀暗/亮状态切换的方法、对入射光信号进行调制、达到静止人模拟出运动人的效果，滤光镜121则过滤偏离人体体温的红外线；敏感元相对的两面各引一电极、电极两端形成一个等效电容、等效电容具有自身产生极化的特性，两个敏感元采用相反极性的串联结构；敏感元的极化电信号通过场效应管FET阻抗变换后输出，栅极电阻Re的一端连接FET的栅极、另一端接G端；电阻R12tl与电容C12tl并联组成低通滤波器，滤波器的一端接S端、另一端接G端；热释电红外传感器的输出端为D、S和G，分别与监视探测信号调理模块130BIS0001芯片的脚11、14、7相连，监视探测双稳态液晶光阀126的两端分别接入监视探测双稳态液晶光阀执行模块140⑶4052芯片的脚3、13 ；
[0020]环境探测热释电红外传感器220的组成及连接方式同上；环境探测热释电红外传感器220与环境探测信号调理模块230BIS0001芯片的连接方式，环境探测双稳态液晶光阀226与环境探测双稳态液晶光阀执行模块240⑶4052芯片的连接方式亦同上。
[0021]所述的监视探测信号调理模块130的核心是热释电红外传感器专用芯片BIS0001，监视探测热释电红外传`感器120的D端与BIS0001芯片脚11、I相连并接入电源Vcc ;监视探测热释电红外传感器120的G端与BIS0001芯片脚7相连接地；监视探测热释电红外传感器120的S端与BIS0001芯片脚14相连；电阻R133的两端分别与BIS0001芯片脚3、4相连，电容C134的一端与BIS0001芯片脚4相连、另一端接地，R133和C134决定BIS0001芯片脚2 (V0)保持高电平的时间；电阻R136的两端分别与BIS0001芯片脚5、6相连，电容C135的一端与BIS0001芯片脚5相连、另一端接地，R136和C135决定BIS0001芯片脚2(V。)输出由高电平变低电平后的“触发封锁时间”，“触发封锁时间”内Vtj始终保持低电位、即屏蔽探测器的探测功能，以避免重复报警的方式达到降低功耗；监视探测信号调理模块130的输出端为BIS0001芯片脚2 (V0)U2 (20UT)，且分别与监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150STM300芯片脚33、11相连；
[0022]环境探测热释电红外传感器220与环境探测信号调理模块230的组成及连接方式同上；环境探测信号调理模块230的输出端为BIS0001芯片脚2 (V。)、12 (20UT)，且分别与环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块250STM300芯片脚33、11相连。
[0023]所述的监视探测双稳态液晶光阀执行模块140的核心是电子开关芯片⑶4052，监视探测双稳态液晶光阀126的两端分别与⑶4052芯片脚3、13相连，监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150STM300芯片脚12、13分别与⑶4052芯片脚10、9相连，⑶4052芯片脚6、7、8、4接地，R放电和1--的两端分别与⑶4052芯片脚5、14和11、16相连，⑶4052芯片脚16接Vrc ;环境探测双稳态液晶光阀执行模块240的组成与连接关系同上；[0024]监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150STM300芯片脚12、13取不同值，即CD4052芯片脚10 (B端)、9 (A端)取不同值，可选通XQ/YQ、或X1A1、或X2/Y2、或Χ3/Υ3 ;Χ3/Υ3选通时，电源Vcc经R充电、X3端、Xconi端至监视探测双稳态液晶光阀126的一端，监视探测双稳态液晶光阀126的另一端经Y 端、Y3端接地形成充电回路，监视探测双稳态液晶光阀的充电时间τ充电=R充电XC双稳态液晶細、式中C双稳态液晶.是监视探测双稳态液晶光阀的等效电容A1A1选通时，监视探测双稳态液晶光阀126 —端的电荷经Xconi端、X1端、
Y1端、Y 端至监视探测双稳态液晶光阀126的另一端形成放电回路，监视探测双稳态液晶光阀的放电时间τ放电=R放电XC双稳态液晶細、式中C双稳态液晶光阔是监视探测双稳态液晶光阀的等效电容；因此，监视探测双稳态液晶光阀126的充/放电时间取决于1?_/1^%的值；环境探测双稳态液晶光阀226的充/放电时间同上。
[0025]所述的监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150的核心是自获能专用芯片MCU STM300 ;监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块的电路包括SOLAR、型号SC175130I，钽电容C21，超级电容C22和C23、型号DCL5R5105-C，自获能专用MCU、型号STM300，锁存器、型号74HC573，型号为BSS84LT1的场效应管Q21、Q22> Q23> Q24，三极管卩25、卩26、卩27、^28? 二极管 D21、D22-.D23-.D24-.D25 ；
[0026]SOLAR SC175130I “ + ”极与 D21 阳极、Q21 源极相连，SOLAR SC175130I “-，，极接地，D21阴极与钽电容C21 “ + ”极、MCU STM300脚2和3相连，从C21 “ + ”极引出监视探测器的电源；钽电容C21 极接地，R21的两端分别与Q21的源极、门极相连；Q21门极与Q25集电极相连，Q25发射极接地，Q25基极与R22的一端相连，R22的另一端与MCU STM300脚30相连;Q21漏极与D23阳极、Q23源极相连，D23阴极与D22阳极相连，D22阴极与D21阴极相连，R25的两端分别与Q23的源极、门极相连；Q23门极与Q27集电极相连，Q27发射极接地，Q27基极与R26的一端相连，R26的另一端与锁存器74HC573脚19相连；Q23漏极与D25阳极相连，D25阴极与D24阳极相连，D24阴极与D21阴极相连，R23的一端与MCU STM300脚30相连，R23的另一端与C24 —端、Q26基极相连，C24的另一端与Q26集电极相连；Q26发射极接地，Q26集电极与Q22门极相连，R24的两端分别与Q22的门极、源极相连；Q22漏极与D22阳极相连，Q22源极与超级电容C22 “ + ”极相连，C22 极接地，R27的一端与锁存器74HC573脚19相连，R27的另一端与C25的一端、Q28基极相连，C25的另一端与Q28集电极相连；Q28发射极接地，Q28集电极与Q24门极相连，R28的两端分别与Q24门极、源极相连;Q24漏极与D24阳极相连，Q24源极与超级电容C23 “ +，，极相连，C23 “-，，极接地，锁存器74HC573脚20与D22阳极相连，锁存器74HC573脚10和I并联后接地，锁存器74HC573的脚11、2分别与MCU STM300的脚16、15相连；MCUSTM300 的脚 9、10、1、4、32 分别与 C22 “ + ” 极、C23 “ + ” 极、地、天线 Ell、R11 的一端相连，R11的另一端与MCU STM300脚33相连；MCU STM300的脚33、11分别与监视探测热释电红外传感器专用芯片BIS0001的脚2、12相连，MCUSTM300的脚13、12分别与监视探测电子开关芯片CD4052的脚9、10相连；
[0027]监视探测热释电红外传感器专用芯片BIS0001的脚2、12分别与MCUSTM300的脚33、11相连，BIS0001脚2信号用于唤醒深度睡眠的MCU STM300, MCU STM300借助脚11的AD 口、采集监视探测热释电红外传感器经BIS0001脚12输出的信号；MCU STM300脚4连接RF天线，接收环境探测器环境探测输出数据的EnOcean报文，发射监视探测器实时工况的EnOcean报文和监视探测器人体红外福射数据的EnOcean报文；[0028]钽电容C21、超级电容C22、C23的电压分别由MCU STM300的脚2、9、10采集；MCUSTM300脚30输出高/低电平时，一方面Q21和Q25导通/截止、C22充电回路打开/关闭，另一方面Q22和Q26导通/截止、C22放电回路打开/关闭、同时R24和C24组成的延时电路使C22放电回路延时关闭；MCU STM300的脚15、16分别与锁存器74HC573的脚2、11相连，锁存器74HC573脚19控制C23的充/放电；MCU STM300脚16高电平、脚15高/低电平时，锁存器74HC573的脚19高/低电平，一方面Q23和Q27导通/截止、C23充电回路打开/关闭，另一方面Q24和Q28导通/截止、C23放电回路打开/关闭、同时R28和C25组成的延时电路使C23放电回路延时关闭；
[0029]监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块150借助S0LARSC175130I将获取的环境光能转化成电能，“电能”在微功耗管理电路调度下:或供监视探测器运行、或向监视探测器内的储能器充电、或两者兼而有之；微功耗管理电路储能器由小容量钽电容C21、大容量超级电容C22和C23组成；C21用于快速充电，C21电压达到MCU STM300的工作电压时、向MCU STM300供电、启动监视探测热释电探测器，SOLAR SC175130I产生的电能对C21充电，若SOLAR SC175130I尚有剩余电能、依据C22和C23的电压，或转存至C22或C23、或舍弃SOLAR SC175130I产生的剩余电能；C22和C23存储SOLAR SC175130I收集的剩余电能，SOLARSC175130I供电不足或不供电时，由C22维系热释电探测器的长期稳定运行；C23是C22的热备份，一旦SOLAR SC175130I和C22存储的电能无法保证监视探测器的电能需求时、或C22失效时，由C23维系热释电探测器的长期稳定运行；
[0030]微功耗管理电路是μ A级功耗的专用电路，μ A级功耗指标的实现有赖于两项关键技术:
[0031]第一、面向自获能特定应用场合的MCU STM300芯片不仅拥有主流微功耗MCU常见的深度睡眠技术，而且只要C21的端电压达到MCU STM300启动电压、即使MCU STM300处在深度睡眠状态亦能置脚30高电平、而脚30高电平可保证C22放电和充电回路开启，
[0032]第二、锁存器74HC573为核心的外围电路，锁存器74HC573锁存MCU STM300运行时脚15和16的状态、MCU STM300深度睡眠状态下脚15和16的状态丢失，但锁存器74HC573脚19的输出电平仍保存MCU STM300运行时脚15、16电平状态的逻辑组合，脚19的输出电平决定C23放电和充电回路开启；
[0033]总之，MCU STM300工作时，MCU STM300决定C22、C23放电和充电的状态和状态切换；MCU STM300深度睡眠时，借助MCU STM300脚30的独特高电平特性、以及锁存器74HC573保存MCU STM300运行时脚15、16电平状态的逻辑组合，维系MCU STM300工作时指定的C22、C23放电和充电状态；
[0034]环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块250同上，两者的不同之处是:后者输入和处理的信号源于环境区域，只发送环境探测器实时工况的EnOcean报文和环境探测器环境探测输出数据的EnOcean报文，不接收外部的EnOcean报文。
[0035]所述的监视探测器实时工况的EnOcean无线报文遵循EnOcean协议，报文由四个域组成:R0RG域、I字节的通讯报文类型；DATA域、I字节的无线报文数据，其中DATA的BIT7取值0/1无实际意义，BIT6?BITO表示存储能量/标称能量的百分比，取值O表示储能器无能量、取值127表示已达到储能器标称能量；TXID域、4字节的全球唯一 ID，监视探测器唯一性标识；STATUS&HASH域、2字节的网络状态及数据校验；监视探测器实时工况的无线报文示例:RORG域取值0xD5，报文类型是监视探测的无线报文；DATA域取值0xF2，剩余电量为标称电量的89.7% ；TXID域取值0x00018C3A，监视探测器的全球唯一 ID ；STATUS&HASH域取值0x002D，网络状态及数据校验值；
[0036]监视探测器人体红外辐射数据的EnOcean无线报文结构同上，两者的不同之处是:RORG域通讯报文类型取值一监视探测器实时工况通讯报文类型数值的反码、本示例取
0xD5的反码GxD5 (0x2A);DATA域无线报文取值数据的内涵一DATA的BIT7取值0/1、代表
无/有人，BIT6?BITO表示监视探测器人体红外辐射数据，取值O为无红外辐射信号、取值127表示红外辐射信号强度等于或大于监视探测器的上限极值；
[0037]环境探测器实时工况的EnOcean无线报文、环境探测器环境探测输出数据的EnOcean无线报文结构同上，与监视探测器报文的不同之处是:后者表征环境探测器实时工况、环境区域的环境红外辐射信号强度(数据)，环境探测器环境探测输出数据的EnOcean无线报文、其DATA域的BIT7取值0/1无实际意义；
[0038]因此，自获能动静态人体探测器EnOcean无线报文类型共计5种:环境探测器实时工况的EnOcean无线报文、监视探测器实时工况的EnOcean无线报文，环境探测器环境探测输出数据的EnOcean无线报文、监视探测器人体红外辐射数据的EnOcean无线报文、监视探测器发送的自获能动静态人体探测器失效的EnOcean无线报文；
[0039]自获能动静态人体探测器失效的EnOcean无线报文结构同上，与监视探测器实时工况/人体红外辐射数据EnOcean无线报文的不同之处是:R0RG域通讯报文类型取值一Ox? ；DATA域无线报文取值数据的内涵一DATA域的BIT7取值0/1、无实际意义，BIT6?BITO表示监视探测器人体红外辐射数据，取值O为无红外辐射信号、取值127表示红外辐射信号强度等于或大于监视探测器的上限极值；
[0040]借助探测器TXID域的唯一性，可确定EnOcean无线报文对应的监视/环境探测器；借助RORG域的不同取值，可区分实时工况、探测输出数据、人体红外辐射数据和自获能动静态人体探测器失效的不同类型EnOcean无线报文；自获能动静态人体探测器组成安防系统时，系统通过实时工况的EnOcean无线报文获取全部自获能动静态人体探测器的工况、通过人体红外辐射数据/自获能动静态人体探测器失效的EnOcean无线报文实施安防作业；环境探测器环境探测输出数据的EnOcean无线报文只供监视探测器使用，对安防系统透明。
[0041]所述的自获能动静态人体探测器的微功耗低误报漏报方法，其特征在于:
[0042]微功耗方法是基于多项技术集成的方法，关键支撑技术有借鉴“磁保持继电器”设计理念的双稳态液晶光阀、自获能储能器的微功耗管理电路，热释电红外传感器的“触发封锁时间”技术、电子开关集成芯片取代传统分列器件的解决方案，以及引进的EnOcean低能耗精简无线报文协议；
[0043]低误报低漏报方法的基石是自获能动静态人体探测器对探测信号的中位数字滤波示示法处理流程；以及在环境探测器环境探测输出数据协助下，监视探测器从监视探测输出数据中抽取“人体红外辐射数据”的差分数据赫法处理流程；
[0044]自获能动静态人体探测器的监视探测器、对监视区域的监视探测数据作中位数字滤波处理，生成监视探测器监视探测输出数据；自获能动静态人体探测器的环境探测器、亦对环境区域的环境探测数据作中位数字滤波处理，生成环境探测器环境探测输出数据；中位数字滤波赫法如下:
[0045]
【权利要求】
1.一种自获能动静态人体探测器，其特征在于，包括监视探测器和环境探测器；监视探测器由监视探测菲涅尔透镜(110)，监视探测热释电红外传感器(120)，监视探测信号调理模块(130)，监视探测双稳态液晶光阀执行模块(140)，监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150)组成；环境探测器由环境探测菲涅尔透镜(210)，环境探测热释电红外传感器(220)，环境探测信号调理模块(230)，环境探测双稳态液晶光阀执行模块(240)，环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(250)组成；监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150)和环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(250)的结构相同，均包括AD采样单元、数字信号处理单元、无线通讯单元、控制单元和自获能单元； 监视探测热释电红外传感器(120)与监视探测信号调理模块(130)相连，再接入监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150);监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150)与监视探测双稳态液晶光阀执行模块(140)相连，实施双稳态液晶光阀的暗/亮状态切换、调制输入监视探测热释电红外传感器(120)的光信号；监视探测菲涅尔透镜(110)套在监视探测热释电红外传感器(120)上；环境探测热释电红外传感器(220)与环境探测信号调理模块(230)相连，再接入环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(250);环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(250)与环境探测双稳态液晶光阀执行模块(240)相连，实施双稳态液晶光阀的暗/亮状态切换、调制输入环境探测热释电红外传感器(220)的光信号；环境探测菲涅尔透镜(210)套在环境探测热释电红外传感器(220)上； 监视区域输入的光信号经监视探测菲涅尔透镜(110)、监视探测热释电红外传感器(120)的监视探测双稳态液晶光阀(126)，由监视探测热释电红外传感器(120)输出监视区域光信号相应的电信号，供后续模块作进一步处理，监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150)下达监视`探测双稳态液晶光阀(126)的调制指令，监视探测双稳态液晶光阀执行模块(140)按调制指令控制监视探测双稳态液晶光阀(126);环境探测器输入的光信号源自环境区域，作为监视区域输入光信号的参照对比物，故环境探测器的信息流向与监视探测器的信息流向相同；两者的不同之处在:监视探测器的安装位置需确保监视探测热释电红外传感器(120)输入的是监视区域的光信号，环境探测器的安装位置需确保环境探测热释电红外传感器(220)输入的是环境区域的光信号，而且环境区域光信号必需具有:无人进入、与监视区域光环境一致、可作为监视区域光信号参照对比物的基本特征。
2.根据权利要求1所述的一种自获能动静态人体探测器，其特征在于，所述监视探测热释电红外传感器(120)和环境探测热释电红外传感器(220)的结构相同，所述的监视探测热释电红外传感器(120)由监视探测双稳态液晶光阀(126)、滤光镜(121)、第一敏感元(122)、第二敏感元(123)、栅极电阻Re (124)和场效应管FET (125)组成；监视区域的环境和人体辐射红外线经监视探测菲涅尔透镜(110)、监视探测双稳态液晶光阀(126)，再通过滤光镜(121)聚焦至热释电红外敏感元，产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，满足热释电敏感元对信号变化的要求；监视探测双稳态液晶光阀(126)位于滤光镜(121)和敏感元的前端，采用液晶光阀暗/亮状态切换的方法，对入射光信号进行调制，达到静止人模拟出运动人的效果，滤光镜(121)则过滤偏离人体体温的红外线；敏感元相对的两面各引一电极、电极两端形成一个等效电容、等效电容具有自身产生极化的特性，两个敏感元采用相反极性的串联结构；敏感元的极化电信号通过场效应管FET阻抗变换后输出，栅极电阻Re的一端连接FET的栅极、另一端接G端；电阻R12tl与电容C12tl并联组成低通滤波器，滤波器的一端接S端、另一端接G端；热释电红外传感器的输出端为D、S和G，分别与监视探测信号调理模块(130 ) BIS0001芯片的脚11、14、7相连，监视探测双稳态液晶光阀(126 )的两端分别接入监视探测双稳态液晶光阀执行模块(140)⑶4052芯片的脚3、13。
3.根据权利要求1所述的一种自获能动静态人体探测器，其特征在于，所述监视探测信号调理模块(130)与环境探测信号调理模块(230)的结构相同，所述的监视探测信号调理模块(130)的核心是热释电红外传感器专用芯片BIS0001，监视探测热释电红外传感器(120)的D端与BIS0001芯片脚11、1相连并接入电源Vcc ;监视探测热释电红外传感器(120)的G端与BIS0001芯片脚7相连接地；监视探测热释电红外传感器(120)的S端与BIS0001芯片脚14相连；电阻R133的两端分别与BIS0001芯片脚3、4相连，电容C134的一端与BIS0001芯片脚4相连、另一端接地，R133和C134决定BIS0001芯片脚2 (V。)保持高电平的时间；电阻R136的两端分别与BIS0001芯片脚5、6相连，电容C135的一端与BIS0001芯片脚5相连、另一端接地，R136和C135决定BIS0001芯片脚2 (V。)输出由高电平变低电平后的“触发封锁时间”，“触发封锁时间”内Vtj始终保持低电位、即屏蔽探测器的探测功能，以避免重复报警的方式达到降低功耗；监视探测信号调理模块(130)的输出端为BIS0001芯片脚2(V。)、12 (20UT)，且分别与监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150)STM300芯片脚33、11相连。
4.根据权利要求1所述的一种自获能动静态人体探测器，其特征在于，所述监视探测双稳态液晶光阀执行模块(140)和环境探测双稳态液晶光阀执行模块(240)的结构相同；所述监视探测双稳态液晶光阀执行模块(140)的核心是电子开关芯片⑶4052，监视探测双稳态液晶光阀(126)的两端分别与⑶4052芯片脚3、13相连，监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150)STM300芯片脚12、13分别与CD4052芯片脚10、9相连，CD4052芯片脚6、7、8、4接地，1?放％和1--的两端分别与⑶4052芯片脚5、14和11、16相连，⑶4052芯片脚16接V。。；监视探 测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150) STM300芯片脚12、13取不同值，即0)4052芯片脚10 (B端)、9 (A端)取不同值，可选通XQ/YQ、或X1A1、或X2/Y2、或X3/Y3 ；Χ3/Υ3选通时，电源Vcc经R_、X3端、X.端至监视探测双稳态液晶光阀(126)的一端，监视探测双稳态液晶光阀(126)的另一端经Y 端、Y3端接地形成充电回路，监视探测双稳态液晶光阀(I26)的充电时间τ充电=R充电Xq稳态液晶光w、式中q稳态液晶光?是监视探测双稳态液晶光阀(126)的等效电容A1A1选通时，监视探测双稳态液晶光阀(126)—端的电荷经X.端、X1端、Y1端、Y 端至监视探测双稳态液晶光阀(126)的另一端形成放电回路，监视探测双稳态液晶光阀的放电时间τ放电=Rm XC双稳态液晶光w、式中，C双_液晶光1?!是监视探测双稳态液晶光阀的等效电容；因此，监视探测双稳态液晶光阀(126)的充/放电时间取决于1--/!--的值；环境探测双稳态液晶光阀(226)的充/放电时间与监视探测双稳态液晶光阀(126)的充/放电时间一致。
5.根据权利要求1所述的一种自获能动静态人体探测器，其特征在于，所述的监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150)的核心是自获能专用芯片MCU STM300 ；监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块的电路包括SOLAR、型号SC175130I，钽电容C21，超级电容C22和C23、型号DCL5R5105-C，自获能专用MCU、型号STM300，锁存器、型号74HC573，型号为 BSS84LT1 的场效应管 Q21、Q22、Q23> Q24，三极管 Q25> Q26> Q27> Q28，二极管 D21'D22、D23、D24> D25 ； SOLAR SC175130I “ + ”极与 D21 阳极、Q21 源极相连，SOLAR SC175130I 极接地，D21阴极与钽电容C21 “ + ”极、MCU STM300脚2和3相连，从C21 “ + ”极引出监视探测器的电源；钽电容C21 极接地，R21的两端分别与Q21的源极、门极相连；Q21门极与Q25集电极相连，Q25发射极接地，Q25基极与R22的一端相连，R22的另一端与MCU STM300脚30相连；Q21漏极与D23阳极、Q23源极相连，D23阴极与D22阳极相连，D22阴极与D21阴极相连，R25的两端分别与Q23的源极、门极相连；Q23门极与Q27集电极相连，Q27发射极接地，Q27基极与R26的一端相连，R26的另一端与锁存器74HC573脚19相连；Q23漏极与D25阳极相连，D25阴极与D24阳极相连，D24阴极与D21阴极相连，R23的一端与MCU STM300脚30相连，R23的另一端与C24 —端、Q26基极相连，C24的另一端与Q26集电极相连；Q26发射极接地，Q26集电极与Q22门极相连，R24的两端分别与Q22的门极、源极相连；Q22漏极与D22阳极相连，Q22源极与超级电容C22“+”极相连，C22 极接地，R27的一端与锁存器74HC573脚19相连，R27的另一端与C25的一端、Q28基极相连，C25的另一端与Q28集电极相连；Q28发射极接地，Q28集电极与Q24门极相连，R28的两端分别与Q24门极、源极相连;Q24漏极与D24阳极相连，Q24源极与超级电容C23 “+”极相连，C23 极接地，锁存器74HC573脚20与D22阳极相连，锁存器74HC573脚10和I并联后接地，锁存器74HC573的脚11、2分别与MCU STM300的脚16、15相连；MCU STM300的脚9、10、1、4、32分别与C22 “ + ”极、C23 “ + ”极、地、天线ElUR11的一端相连，R11的另一端与MCU STM300脚33相连；MCU STM300的脚33、11分别与监视探测热释电红外传感器专用芯片BIS0001的脚2、12相连，MCU STM300的脚13、12分别与监视探测电子开关芯片⑶4052的脚9、10相连； 监视探测热释电红外传感器专用芯片BIS0001的脚2、12分别与MCU STM300的脚33、11相连，BIS0001脚2信号用于`唤醒深度睡眠的MCU STM300, MCU STM300借助脚11的AD口、采集监视探测热释电红外传感器经BIS0001脚12输出的信号；MCU STM300脚4连接RF天线，接收环境探测器环境探测输出数据的EnOcean报文，发射监视探测器实时工况的EnOcean报文和监视探测器人体红外福射数据的EnOcean报文； 钽电容C21、超级电容C22、C23的电压分别由MCU STM300的脚2、9、10采集；MCU STM300脚30输出高/低电平时，一方面Q21和Qm导通/截止、C22充电回路打开/关闭，另一方面Q22和Q26导通/截止、C22放电回路打开/关闭、同时R24和C24组成的延时电路使C22放电回路延时关闭；MCU STM300的脚15、16分别与锁存器74此573的脚2、11相连，锁存器74HC573脚19控制C23的充/放电；MCU STM300脚16高电平、脚15高/低电平时，锁存器74HC573的脚19高/低电平，一方面Q23和Q27导通/截止、C23充电回路打开/关闭，另一方面Q24和Q28导通/截止、C23放电回路打开/关闭、同时R28和C25组成的延时电路使C23放电回路延时关闭； 监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150)借助S0LARSC175130I将获取的环境光能转化成电能，“电能”在微功耗管理电路调度下，或供监视探测器运行、或向监视探测器内的储能器充电、或两者兼而有之；微功耗管理电路储能器由小容量钽电容C21、大容量超级电容C22和C23组成；C21用于快速充电，C21电压达到MCU STM300的工作电压时、向MCU STM300供电、启动监视探测热释电探测器，SOLAR SC175130I产生的电能对C21充电，若SOLAR SC175130I尚有剩余电能，依据C22和C23的电压，或转存至C22或C23、或舍弃SOLAR SC175130I产生的剩余电能；C22和C23存储S0LARSC175130I收集的剩余电能，SOLARSC175130I供电不足或不供电时，由C22维系热释电探测器的长期稳定运行；C23是C22的热备份，一旦SOLAR SC175130I和C22存储的电能无法保证监视探测器的电能需求时、或C22失效时，由C23维系热释电探测器的长期稳定运行； 环境探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(250)同上，两者的不同之处是:后者输入和处理的信号源于环境区域，只发送环境探测器实时工况的EnOcean报文和环境探测器环境探测输出数据的EnOcean报文，不接收外部的EnOcean报文。
6.根据权利要求5所述的监视探测的信号采集处理、通讯、控制和自获能模块(150)，其特征在于，所述的监视探测器实时工况的EnOcean无线报文遵循EnOcean协议，报文由四个域组成:R0RG域、I字节的通讯报文类型；DATA域、I字节的无线报文数据，其中DATA的BIT7取值0/1无实际意义，BIT6~BITO表示存储能量/标称能量的百分比，取值O表示储能器无能量、取值127表示已达到储能器标称能量；TXID域、4字节的全球唯一 ID，监视探测器唯一性标识；STATUS&HASH域、2字节的网络状态及数据校验；监视探测器实时工况的无线报文示例:R0RG域取值0xD5，报文类型是监视探测的无线报文；DATA域取值0xF2，剩余电量为标称电量的89.7% ；TXID域取值0x00018C3A，监视探测器的全球唯一 ID ；STATUS&HASH域取值0x002D，网络状态及数据校验值； 监视探测器人体红外辐射数据的EnOcean无线报文结构同上，两者的不同之处是:RORG域通讯报文类型取值一监视探测器实时工况通讯报文类型数值的反码、本示例取0xD5的反码οχΙ)5 (0x2A);DATA域无线报文取值数据的内涵一DATA的BIT7取值0/1、代表无/有人，BIT6~BITO表示监 视探测器人体红外辐射数据，取值O为无红外辐射信号、取值127表示红外辐射信号强度等于或大于监视探测器的上限极值； 环境探测器实时工况的EnOcean无线报文、环境探测器环境探测输出数据的EnOcean无线报文结构同上，与监视探测器报文的不同之处是:后者表征环境探测器实时工况、环境区域的环境红外辐射信号强度(数据)，环境探测器环境探测输出数据的EnOcean无线报文、其DATA域的BIT7取值0/1无实际意义； 因此，自获能动静态人体探测器EnOcean无线报文类型共计5种:环境探测器实时工况的EnOcean无线报文、监视探测器实时工况的EnOcean无线报文，环境探测器环境探测输出数据的EnOcean无线报文、监视探测器人体红外辐射数据的EnOcean无线报文、监视探测器发送的自获能动静态人体探测器失效的EnOcean无线报文； 自获能动静态人体探测器失效的EnOcean无线报文结构同上，与监视探测器实时工况/人体红外辐射数据EnOcean无线报文的不同之处是:R0RG域通讯报文类型取值一OxOT ；DATA域无线报文取值数据的内涵一DATA域的BIT7取值0/1、无实际意义，BIT6~BITO表示监视探测器人体红外辐射数据，取值O为无红外辐射信号、取值127表示红外辐射信号强度等于或大于监视探测器的上限极值； 借助探测器TXID域的唯一性，可确定EnOcean无线报文对应的监视/环境探测器；借助RORG域的不同取值，可区分实时工况、探测输出数据、人体红外辐射数据和自获能动静态人体探测器失效的不同类型E nOcean无线报文；自获能动静态人体探测器组成安防系统时，系统通过实时工况的EnOcean无线报文获取全部自获能动静态人体探测器的工况、通过人体红外辐射数据/自获能动静态人体探测器失效的EnOcean无线报文实施安防作业；环境探测器环境探测输出数据的EnOcean无线报文只供监视探测器使用，对安防系统透明。
7.一种使用如权利要求1所述的自获能动静态人体探测器的微功耗低误报漏报方法，其特征在于: 低误报低漏报方法的基石是自获能动静态人体探测器对探测信号的中位数字滤波示示法处理流程；以及在环境探测器环境探测输出数据协助下，监视探测器从监视探测输出数据中抽取“人体红外辐射数据”的差分数据赫法处理流程； 自获能动静态人体探测器的监视探测器，对监视区域的监视探测数据作中位数字滤波处理，生成监视探测器监视探测输出数据；自获能动静态人体探测器的环境探测器，亦对环境区域的环境探测数据作中位数字滤波处理，生成环境探测器环境探测输出数据；中位数字滤波赫法如下:
【文档编号】G01J5/10GK103884433SQ201410089775
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】郑涛, 孙文英, 刘彦鹏, 吴明光 申请人:浙江大学, 郑涛