基于热释电技术的人体计数装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于热释电技术的人体计数装置，所述装置包括前端采集模块和数据处理传输模块，所述的前端采集模块包括有信息调制罩，菲涅尔透镜，热释电传感器；所述的数据处理传输模块包括数据处理电路，数据显示电路，无线传输电路，有线传输电路。所述的信息调制罩用于调整人体的热红外入射量，所述的菲涅尔透镜具有增大感应距离和产生明暗交替的感应区域，所述的热释电传感器将感应的人体热红外能量信号输出端经数据处理电路的进行处理，所述的数据显示电路显示处理后的结果，并通过无线信道传输到所述有线传输电路。本发明可以提高人体计数的准确度，降低计算的复杂度，同时使用单一设备就可以对人体移动的方向进行实时判断。
【专利说明】基于热释电技术的人体计数装置
【技术领域】
[0001]本发明属于人流统计装置，特别是涉及一种基于热释电技术的人体计数装置。
技术背景
[0002]热释电效应是在自身温度发生变化时会在自身表面产生过剩的热电荷，且只对自身温度的变化率有反应。通俗的讲热释电效应就是自然界中的某些晶体受热变化而产生的固有自身电极化现象。从本质上讲，所有的传感器都是换能装置，从这个意义上说热释电红外传感器是红外辐射的光热电转换器，将看不见的红外辐射能先转换成热能，再转换为电能进行量测。
[0003]最常见及使用最广泛的为双元热释电传感器，双元热释电传感器具有两个反向串联的敏感元，具有以下特点:1、由于是两个敏感元反向串联，所以当入射能量顺序照射在敏感元上时，传感器输出的电信号是一正一负相交替的交流电压信号，其输出比单元热释电传感器高一倍。2、由于两个敏感元是反向串联，对于同时入射的能量会相互抵消，可以消除环境温度变化及太阳等固定红外热源引起的误差。3、该PZT敏感元件具有压电效应，还可以消除因振动弓I起的检测误差。
[0004]人体辐射的红外能量相当微弱，且热释电传感器的探测距离较近，一般为1-2米，因此为提高其探测灵敏度，需要在传感器的前面加上一套光学装置。最常见的光学装置为菲涅尔透镜。菲涅尔透镜主要由两方面作用，一方面人体辐射出的红外线聚集到PIR的敏感元上，从而加大探测的距离，另一方面也能将入射的红外线做周期的遮蔽，使PIR传感器输出连续信号[I]。
[0005]目前，被动式报警系统采用热释电红外传感器，它是基于热释电效应，能以非接触形式检测出人体特定波长红外辐射，有很强的隐蔽性，能较好地实现报警功能，而且在自动控制、接近开关、遥控等领域也有较好的应用，现在已有部分基于热释电红外传感器的报警系统，但它们对侵入侦测范围内的一切运动人体进行感应，无法智能识别，误报率较高[2-7]。
[0006]将PIR传感器应用于人体运动模式识别的研究在国内外尚属少见，人作为动态的分布式的红外源是由体貌特征及步态特征所决定的，人体不同的步行运动姿态可导致所得PIR信号不仅时域特征有差异，并且其频域信号在特定频段也会产生差异.PIR传感器可探测人体所辐射出的红外线，输出电信号.当人体沿一定路径运动时，红外辐射将以唯一的方式影响PIR传感器的探测场，进而影响传感器的输出信号[8-10]。
[0007]如果再菲涅尔透镜前加装一个有孔的罩子，将可以调制连续波的数目并优化检测到的波形，如果将孔的宽度设计的足够小，将会得到单个波。
[0008]现在已有部分基于热释电红外传感器的报警系统，但是它们对侵入侦测范围内的一切运动人体进行感应，无法智能识别，误报率较高，由于热释电红外传感器是通过目标与背景的温差来检测目标，对运动后静止的人体无法感应。
[0009]基于热释电传感器运动检测相比其它检测的优势在于它只检测从人体发出的中到长波的红外辐射，其波长是从8到14微米且峰值在9.55微米，所以可以实时检测人体移动情况，并可以排除其他动物或移动物体的干扰[11]。
[0010]参考文献
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[0022]现有的人体计数装置包括有视频计速器，冷红外对射式计数器，热红外计数器，其不足在于:
[0023]1、视频计算器:人流.计数算法成熟，处理速度普通，但是价格昂贵，区分进、出算法复杂，实时性较差。安装条件有限
[0024]2、冷红外对射式计数器:普及性高，操作简单，可以判断进和出，实时性好，但是需要一个发射器和一个接收器，不能区分人和物，安装环境要求高。
[0025]3、热红外计数器:可以统计出人流人数，实时性较好，安装方面，但是不能判断人流的方向。需要另外加载其他的传感器判断方向，操作比较复杂，价格较昂贵。
【发明内容】
[0026]本发明的目的是针对现有技术二提供一种基于热释电技术的人体计数装置，以便对人体流量进行精确采集，以及人体流量方向进行精确的识别。
[0027]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0028]种基于热释电技术的人体计数装置，包括前端采集模块和数据处理传输模块，所述的前端采集模块包括有信息调制罩，菲涅尔透镜，热释电传感器，放大滤波电路；所述的数据处理传输模块包括有数据处理电路，数据显示电路，无线传输电路，有线传输电路，电源电路。所述的信息调制罩安装在菲涅尔透镜上，所述的信息调制罩，可以调整人体的热红外入射量，所述的菲涅尔透镜安装在热释电传感器上，所述的菲涅尔透镜具有增大感应距离和产生明暗交替的感应区域，所述的热释电传感器将感应的人体热红外能量信号输出端与所述的放大滤波电路相连，所述的放大滤波电路输出端与所述的数据处理传输模块中的数据处理电路的输入端相连，以便将所述的前端采集模块采集的人体热红外信息进行处理，所述的数据处理电路分别与所述的数据显示电路相连接显示数据处理后的结果，与所述无线传输电路相连接，将数据处理后的结果通过无线信道传输到接收端，所述的数据存储电路与数据处理电路相连，用于存储数据处理电路处理完的数据，所述的电源电路对所有的电路进行供电，也能保证在断电的情况下支持数天对所有电路进行供电。其特征在于:所述的前端数据采集模块，可以对人体热红外信息进行定量获取，与现有的技术相比，本发明可以提高人体计数的准确度，降低计算的复杂度，同时使用单一设备就可以对人体移动的方向进行实时判断。
[0029]上述信号调制罩有且只有一个人体热红外能量输入孔，该孔可以控制人体热红外能量摄取量，且能调整输入到热释电传感器感应的波形与波数，从而降低数据处理的复杂度。
[0030]上述数据处理电路包括有一数模转换电路和一微控器电路，该数模转换电路的输入端与前端采集模块的放大滤波电路的输出端相连接，数模转换电路的输出端与微控器电路的输入端连接，这样前端采集模块就可以与数模转换电路分离，使采集更加方便，当前端采集模块出现故障，可简单的进行更换和修理操作。
[0031]上述信号调制罩有且只有一个人体热红外能量输入孔，且菲涅尔透镜为马蹄形，该孔可以控制人体热红外能量摄取量，所述马蹄形菲涅尔透镜能增加所示热释电传感器的感应范围、形成明暗交替的感应区，将他们进行配合能决定热释电传感器所采集的人体热红外波形与波数。
[0032]上述有线通信电路包括有串口模块和以太网模块，且上述数据处理电路中的微控器电路嵌入了 WEB功能，通过串口模块或以太网模块，PC能在在线或离线状态下修改人体计数装置的计数方法。同时串口模块和以太网模块能传输微控器电路中的计算数据。
[0033]上述无线通信电路能和其它拥有无线通信电路的人体计数装置进行组网。组成星型网络，网络中心将对星型网络中的数据进行实时统计和监测。
[0034]上述的电源电路包括有电池接入电路和外来电源接入电路，电源电路输出端与其他电路的电源输入端连接，提供人体计数装置必要的电能的同时，当没有外来电源输入时，电池电路也能提供给该装置支持较长时间的工作能量。
[0035]前端采集模块采集的人体热红外信息，经数据处理电路中的数模转换电路，将单个类正弦波的人体热红外信息传输到微控器电路，通过微控器电路内嵌差分运算机制，即如果差分运算结果超过先设置好的阈值，可以判断为有人体目标在检测区域移动，然后判断该差分运算结果的符号，如果运算结果为正，则判断进入检测区域，如果运算结果为负，则判断为出检测区域。在一段时间内可以计算出入检测区的人数，并存储在微控器电路中。同时，可以在数据显示电路上进行实时显示出入检测区的人数情况。如果需要可以将出入检测区的数据通过无线传输电路和有线传输电路,传输到其他终端。
[0036]从检测技术来看，本发明采用特殊的硬件结构来获得检测人体热红外信息的准确性、高效性和实时性。
[0037]本发明与现有技术相比具有以下主要的优点:
[0038]1.现有的人体热释电感应技术只有开关作用，当有人经过感应区域触发感应模块，然后触发其他终端例如，电灯，警报器等。而本发明能够判断人体目标的方向，根据人体移动的方向来触发电灯，报警器等终端。
[0039]2.现有的人体计数器技术只能统计人流数，如果要统计人流的方向，需要另外加载其他类型的传感器，而本发明在统计人流数量的同时，也可以统计人流的方向。
[0040]3.现有的人体计数器技术没有设计人机交互系统，而本发明设计了人机交互，可以根据客户的要求来设置对检测人数进行限制和对进、出检测区域的人数进行限制。
[0041]总之，本发明能够实时统计人流的状态，并且性价比较高。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1为本发明前端采集模块原理框图。
[0043]图2为本发明数据处理传输模块原理框图。
[0044]图3为本发明信号调制罩主视图(跟踪孔径正视图)。
[0045]图4为本发明信号调制罩俯视图。
[0046]图5为本发明前端采集模块电路框图。
[0047]图6为本发明数据处理传输模块电路框图。
[0048]图7为本发明数据处理流程图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
[0050]本发明人体计数装置包括有前端采集模块I和数据处理传输模块2，如图1所示，前端采集模块包括有信号调制罩11，菲涅尔透镜12，热释电传感器13，放大滤波电路14。如图2所示，数据处理传输模块2包括有数据处理电路26，数据存储电路25，数据显示电路22，无线传输电路24，有线传输电路23，电源电路21。如图3所示，在信号调制罩中部开凿一个宽1.5_，长27mm的孔，该孔的作用是为了限制人体热红外能量的摄取量，通过该孔可以得到一个完整的类正弦波。同时把信号调制罩折成半径为16_的圆弧，通过这个圆弧可以将8202-6型菲涅尔透镜固定，该菲涅尔透镜分为两个部分，上半部分的镜片面积大，数量较少主要收集人体上半身的热红外信息，下半部分的镜片面积较小，数量较多主要收集人体下半身的热红外信息，由于人体的上半身的热红外信息要小于下半身的热红外信息所以选择这型菲涅尔透镜。
[0051]本发明放大滤波电路14主要由TL082D型芯片组成，该芯片引脚5与热释电传感器13的引脚2相连，对热释电传感器的感应电压差进行两级放大，同时该芯片对放大的信息进行滤波，放大滤波电路14对输入给热释电传感器13的电压进行降噪，同时滤除噪音，将有效提高数据处理传输模块的计算精度和复杂度。
[0052]本发明数据处理传输模块2中包括STM32微处理器，STM32微处理器采用Cortx-M7ARM内核，工作频率高达72MHz，数据处理能力强，性能突出，该处理器也嵌入了WEB系统，提供人机交互平台，使人体检测装置可以更加需求和实际环境进行设置。采用的电容网络对电路进行了滤波与降噪。
[0053]无线传输电路中采用SI4432芯片，SI4432芯片的引脚SDO、SDI与STM32微处理器中的PB14，PB15引脚相连作为数字数据的传入传出；
[0054]有线传输电路中采用MAX232芯片，MAX232芯片TlIN引脚和RlOUT引脚与STM32微处理器中的PA9，PAlO引脚相连作为热释电数据的串行传输通道，这些数据将传输到其它终端，提供数据采样。
[0055]同时有线传输电路中采用以太网DM9000A芯片，以太网DM9000A芯片它具有低功耗和高性能，其引脚SD0-SD15与微控器所对应的引脚相连，并利用UIP与STM32通信，可以以高达1Mbps的速度进行数据交换。
[0056]显示电路采用12864-086芯片，12864-086芯片的SDA引脚与微控器的PC5相连可以将微控器中的计算结果在该显示器上显示，其中CS引脚与微控器的PA3连接，控制IXD液晶片选择，CD引脚与微控器的PBl相连接控制着LCD数据命令。
[0057]所述的热释电传感器为D205B热释电传感器，该传感器能获得人体辐射处的热红外信息。
[0058]所述的调制罩为铝制材料或塑料材料，在该信号调制罩长108mm上，宽30mm上，开宽1.5-2.0mm,长27mm的孔，如图1所示，该孔的作用是为了限制人体的热红外能量，并使热释电传感器只采集一个有方向的正弦波。如图2所示，信号调制罩的前端为一个16_半圆弧度加8_的过度单元，这个结构是为了符合菲涅尔透镜的结构要求。
[0059]所述的菲涅尔透镜采用了 8001-1型菲涅尔透镜，该菲涅尔分为两层，上层的单元数少，下层的单元数多，摆放时，单元数少的一面朝上，单元数多的一面朝下，它可以使探测距离增大，并使感应的波形更加有规律。
[0060]热释电传感器，信号调制罩，菲涅尔透镜按一定的顺序摆放，即传感器前摆放菲涅尔透镜，然后在菲涅尔透镜前摆放信号调制罩，并保证他们的中心都在一条准轴线上。以保证收集信号的规整。
[0061]所述前端采集模块电路，由热释电传感器，ADSl115数模转换器，STM32F103VET6微控制器，DS1307时钟芯片，433M模块，以及78M05和AMS1117所组成的电源组模块构成。所述前端采集模块电路的工作原理是:
[0062]第一:热释电传感器采集到的人体热红外信息为模拟信息，通过数模转换器将模拟信号转换为数字信号，然后传输到微控器，微控器将信号进行预处理，即判断输该信号是否为人体目标，以及该信号的方向，同时进行累加和存储运算，并将运算结果，通过无线模块进行数据传输。
[0063]第二:锂电池(电源组模块)分别对热释电传感器，数模转换器，微控器，无线模块进行供电，供电分别为3.4v,5v, 3.3v，5v。
[0064]第三:时钟模块给微控器提供精准的时间信息。
[0065]所述数据处理传输模块电路由DM9000A以太网模块，串口 MAX3232模块，12864液晶显示模块，STM32F103VET6微控制器，时钟芯片以及78M05和AMSl117所组成的电源组模块构成。数据处理传输模块电路的工作原理是:
[0066]通过前端采集模块采集的人体热红外数据，经过微控器预处理，将处理的结果可以通过，以太网进行数据传输和人机交互，即使用PC对嵌入到微控器的WEB进行设置；串口模块可以将微控器处理的数据，传输到其他终端，并通过该模块与其他终端进行数据交流；同时微控器也可以通过I2C接口将数据传输到液晶显示器进行显示，显示进、出两个方向人数、时间、部分属性以及总的人数。
[0067]所述前端采集模块的数据处理流程是:
[0068]第一步:微控器实时读取，经数模转换器，转换后的热释电数字电压数据读取频率为 100 ；
[0069]第二步:当探测到人体数据时，取电压值前后50单位进行差分运算，同时设置一个阈值，使差分结果实时与设置的阈值进行比较。
[0070]第三步:当实时差分结果值超过阈值时，将判断为有人经过，如果没有超过这个阈值将被判断为没人经过，并继续查询。
[0071]第四步:当计算出有人存在时，通过差分计算过程中符号的处理判断人体目标的移动方向。
[0072]第五步:统计进出检测区域人体进出的人数，同时区分进检测区域的人数，和出检测区域的人数。
[0073]所述数据处理传输模块的数据处理流程是:
[0074]第一步:将数据采集模块中采集的人体数据属性进行存储，属性包括:进检测区域，出检测区域，进、出检测区域的人数；
[0075]第二步:将人数属性传输到液晶显示屏进行显示，同时根据需要可以通过以太网，串口模块和无线方式传输到指定的接受端。
[0076]第三步:如果修改微控器中WEB，可以经过以太网进行进行人机交互。
[0077]第四步:根据时间限制的条件，在一定的范围内对人数的各种数据进行重设。
[0078]所述微控器内嵌web界面用于设置使用范围和使用条件，当检测区域需要设置时间作为限制条件时，可以将限制人数的进、出与时间进行绑定，这样就可以满足一定的场所的需求。同时可以设置不同环境下的阈值和精度范围，这样能更好的针对不同环境下，热释电传感器的实际感应准确性。IP地址设置单元可以满足大规模组网条件。
[0079]本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1.一种基于热释电技术的人体计数装置，包括前端采集模块和数据处理传输模块，所述的前端采集模块包括有信息调制罩，菲涅尔透镜，型热释电传感器，放大滤波电路；所述的数据处理传输模块包括有数据处理电路，数据显示电路，数据存储电路，无线传输电路，有线传输电路，电源电路，其特征在于:所述的信息调制罩安装在菲涅尔透镜上，所述的信息调制罩，调整人体的热红外入射量，所述的菲涅尔透镜安装在热释电传感器上，所述的菲涅尔透镜具有增大感应距离和产生明暗交替的感应区域，所述的热释电传感器将感应的人体热红外能量信号输出端与所述的放大滤波电路相连，所述的放大滤波电路输出端与所述的数据处理传输模块中的数据处理电路的输入端相连，以便将所述的前端采集模块采集的人体热红外信息进行处理，所述的数据处理电路分别与所述的数据显示电路相连接显示数据处理后的结果，与所述无线传输电路相连接，将数据处理后的结果通过无线信道传输到接收端，与所述有线传输电路相连接，将数据处理后的结果通过有线信道传输到其它接收端，所述的数据存储电路与数据处理电路相连，用于存储数据处理电路处理完的数据，所述的电源电路对所有的电路进行供电，也能保证在断电的情况下支持数天对所有电路进行供电。
2.根据权利要求1所述的基于热释电技术的人体计数装置，其特征在于:所述信号调制罩设置有一个人体热红外能量输入孔，该孔能控制人体热红外能量摄取量，降低数据处理的复杂度。
3.根据权利要求1所述的基于热释电技术的人体计数装置，其特征在于:所述的菲涅尔透镜为马蹄形，用于增加所示热释电传感器的感应范围、形成明暗交替的感应区并能优化人体热红外能量摄取量。
4.根据权利要求1所述的基于热释电技术的人体计数装置，其特征在于:所述的数据处理电路包括有一数模转换电路和一微控器电路，该数模转换电路的输入端与前端米集模块的放大滤波电路的输出端相连接，数模转换电路的输出端与微控器电路的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的基于热释电技术的人体计数装置，其特征在于:所述的微控器电路中嵌入WEB功能,该功能能修改人体计算的方法。
6.根据权利要求1所述的基于热释电技术的人体计数装置，其特征在于:所述无线通信电路能和其它拥有无线通信电路的人体计数装置进行组网。
7.根据权利要求1所述的基于热释电技术的人体计数装置，其特征在于:所述有线通信电路包括有串口模块和以太网模块。通过串口模块可以将前端采集模块采集的数据传输到其他终端，以太网模块能与PC进行交互，来修改微控器中web的数据。
8.根据权利要求1所述的基于热释电技术的人体计数装置，其特征在于:所述的电源电路包括有电池接入电路和外来电源接入电路，电源电路输出端与其他电路的电源输入端连接，提供人体计数装置必要的电能的同时，当没有外来电源输入时，电源电路也能提供给该装置支持较长时间的工作能量。
【文档编号】G07C9/00GK104167034SQ201410270679
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】李方敏, 熊迹, 赵宁, 李等, 张景源 申请人:武汉理工大学