王良升, 郭杰榮, 2, 黃民, 肖利平, 王瑞成

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基于熱釋紅外傳感器無(wú)人值守的安全控制系統(tǒng)

王良升1, 郭杰榮1, 2, 黃民1, 肖利平1, 王瑞成1

(1. 湖南文理學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院, 湖南常德, 415000; 2. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程博士后流動(dòng)站,安徽合肥, 230000)

采用熱釋電人體紅外感應(yīng)模塊對(duì)工作場(chǎng)所環(huán)境掃描檢測(cè)以判斷有無(wú)人員在場(chǎng), 然后通過(guò)多個(gè)無(wú)線模塊nRF24L01發(fā)送信息給中央處理器, 中央處理器再對(duì)相應(yīng)的用電器或者開(kāi)關(guān)等進(jìn)行相應(yīng)的控制。系統(tǒng)采用無(wú)線接收與發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)匹配, 并且將紅外傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人值守環(huán)境的管理, 具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

熱釋電紅外; 無(wú)線模塊; 無(wú)人值守

隨著生活水平的不斷提升, 人們?cè)絹?lái)越依賴大功率設(shè)備, 安全成為了人們最關(guān)心的話題, 尤其在某些工作區(qū)無(wú)人值守的情況下, 一些功率極大的設(shè)備不能自動(dòng)斷電易于造成浪費(fèi)或出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。針對(duì)這樣的情況, 本文提出一種可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的延時(shí)待機(jī)控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)使用多個(gè)無(wú)線模塊nRF24L01(可以擴(kuò)大控制面積)和繼電器[1–2]控制交流接觸器, 從而控制大功率電器。與現(xiàn)在的有線開(kāi)關(guān)控制交流接觸器相比[3–5], 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人控開(kāi)關(guān)自動(dòng)化程度更高。

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

各個(gè)模塊工作流程見(jiàn)圖1。系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行核心控制, 用多塊無(wú)線模塊nRF24L01分別作為發(fā)射和接收模塊(信號(hào)有效接收信號(hào)范圍為3～20 m), 無(wú)線收發(fā)模塊nRF24L01能有效地檢測(cè)和傳送熱釋紅外傳感器檢測(cè)到的信號(hào)。接收模塊收到發(fā)送模塊檢測(cè)到的傳感器信號(hào)后控制系統(tǒng)工作, 持續(xù)檢測(cè)3 min, 若沒(méi)有檢測(cè)到高電平, 則自動(dòng)斷開(kāi)電源, 以免造成電能浪費(fèi)和引發(fā)火災(zāi)。

圖1 各個(gè)模塊工作流程

工作流程: 首先傳感器和發(fā)送模塊上電檢測(cè)房間內(nèi)是否有人存在, 同時(shí)使接收模塊處于接收狀態(tài); 然后單片機(jī)將通過(guò)傳感器檢測(cè)到并存放在寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去。若接收模塊接收到傳感器發(fā)出的高電平, 則用電器正常開(kāi)啟; 若接收模塊接收到的電平信號(hào)為低電平, 則繼續(xù)保持用電器開(kāi)啟一段時(shí)間, 如果3 min后接收模塊依舊沒(méi)有收到高電平, 則自動(dòng)斷開(kāi)用電器電源。此時(shí)傳感器和單片機(jī)及無(wú)線收發(fā)模塊組成的控制系統(tǒng)為低功耗, 且一直處于正常工作狀態(tài)以便正確檢測(cè)是否有人。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要組成包括硬件和軟件部分。

(1)硬件部分。包括單片機(jī)、PIR熱釋電人體紅外感應(yīng)模塊(圖2)、nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊、交流接觸器。單片機(jī)的主要工作是負(fù)責(zé)控制、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)以及控制用電器。nRF24L01無(wú)線模塊將接收的傳感器發(fā)送的信號(hào)發(fā)給單片機(jī), 單片機(jī)再判斷是否有人, 決定打開(kāi)或關(guān)閉用電器(圖3)。

圖2 感應(yīng)發(fā)送主機(jī)接收模塊工作圖

圖3 控制器電路及其接口

(2)軟件部分。nRF24L01無(wú)線模塊收發(fā)模式有Enhanced Shock BurstTM收發(fā)模式、Shock BurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式。本設(shè)計(jì)采用 Enhanced Shock BurstTM收發(fā)模式, 在該收發(fā)模式下, 使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū), 數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⒖刂破魉腿? 雖然高速(1 Mbps)發(fā)射可以盡量節(jié)能, 但使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行有3大好處: 節(jié)能; 更低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射); 數(shù)據(jù)的停留時(shí)間短, 抗干擾性高。Enhanced Shock BurstTM技術(shù)同時(shí)也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。在Enhanced Shock BurstTM收發(fā)模式下, NRF24L01自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí), 自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去; 在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí), 自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼。

本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言完成[6–7], 主要流程如下:

NRF24L01射頻模塊頭文件

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

#ifndef _NRF24L01_H_

#define _NRF24L01_H_

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

#define TX_ADDR_WITDH 5 //發(fā)送地址寬度設(shè)置為5個(gè)字節(jié)

#define RX_ADDR_WITDH 5 //接收地址寬度設(shè)置為5個(gè)字節(jié)

#define TX_DATA_WITDH 4 //發(fā)送數(shù)據(jù)寬度4個(gè)字節(jié)

#define RX_DATA_WITDH 4 //接收數(shù)據(jù)寬度4個(gè)字節(jié)

/******命令寄存器******************/

#define R_REGISTER 0x00 //讀取配置寄存器

#define W_REGISTER 0x20 //寫(xiě)配置寄存器

#define R_RX_PAYLOAD 0x61 //讀取RX有效數(shù)據(jù)

#define W_TX_PAYLOAD 0xa0 //寫(xiě)TX有效數(shù)據(jù)

#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 //使能自動(dòng)應(yīng)答

#define EN_RXADDR 0x02 //接收通道使能0-5個(gè)通道

…

#define RX_ADDR_P1 0x0b //數(shù)據(jù)通道1接收地址

#define RX_ADDR_P2 0x0c //數(shù)據(jù)通道2接收地址

#define RX_ADDR_P3 0x0d //數(shù)據(jù)通道3接收地址

…

#define FIFO_STATUS 0x17//FIFO狀態(tài)寄存器

/***********相關(guān)函數(shù)聲明***********/

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 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了基本預(yù)期功能, 其基本特點(diǎn)為: (1) 最高工作速率2 Mbps, 高效GFSK調(diào)制, 抗干擾能力強(qiáng), 特別適合工業(yè)控制; (2) 內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制; (3) 低功耗, 系統(tǒng)在1.9～3.6 V工作, 待機(jī)模式下?tīng)顟B(tài)為22 μA, 掉電模式下為900 nA; (4) 內(nèi)置2.4 GHz天線, 體積小巧; (5) 模塊可軟件設(shè)地址, 只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)(提供中斷指示), 可直接接各種單片機(jī)使用, 軟件編程非常方便; (6) 內(nèi)置專門穩(wěn)壓電路, 使用各種電源包括DC/DC開(kāi)關(guān)電源均有很好的通信效果; (7) 標(biāo)準(zhǔn)DIP間距接口, 便于嵌入式應(yīng)用; (8)Enhanced ShockBurst有Automatic packet handling、Auto packet transaction handling, 具備可選的內(nèi)置包應(yīng)答機(jī)制, 極大地降低丟包率; (9) 熱釋紅外傳感器模塊有自行的封鎖時(shí)間, 但應(yīng)在初始化時(shí)延時(shí)1 s的時(shí)間編寫(xiě)程序。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編校:劉剛毅)

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

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

2014–05–08

中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013M541819), 湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。