丁國慶，趙志闖，呂雪芳，林欣悅

（沈陽大學(xué)師范學(xué)院，遼寧 沈陽 110041）

引言

由于世界人口穩(wěn)定增長，就業(yè)機(jī)會(huì)不相稱，加之社會(huì)復(fù)雜，私人和公共場所的入侵和盜竊事件日益增多。人們對(duì)私人和公共場所的防盜安全問題日益關(guān)切。這種安全意識(shí)的提升明顯表現(xiàn)在保安人員的大量雇傭以及其他監(jiān)測裝置的使用等。

然而，常見的防盜設(shè)備以及相關(guān)服務(wù)相對(duì)昂貴，防盜設(shè)備需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)才能運(yùn)行。因此一種有效的低成本、低功耗紅外防盜報(bào)警器及系統(tǒng)的研制就頗受關(guān)注。研究表明，任何物體都會(huì)輻射紅外線，但是不同物體所輻射的紅外線波長和強(qiáng)弱不同。人體所輻射紅外線的中心波長為9～10μm，而其他非生命物體所輻射紅外線的中心波長要短得多。因此，可以根據(jù)不同物體的紅外線波長，實(shí)現(xiàn)人體與周圍物體的區(qū)分，或者實(shí)現(xiàn)針對(duì)某一特定方位的人員流動(dòng)性監(jiān)控。

學(xué)者嚴(yán)煜[1]在研究中指出，紅外報(bào)警器大體上可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種設(shè)計(jì)理念。其中主動(dòng)式紅外線報(bào)警器是由報(bào)警器自身發(fā)出紅外線，再由探頭接受遇到障礙物后的入射信號(hào)實(shí)現(xiàn)報(bào)警。而被動(dòng)式報(bào)警器自身并不發(fā)射紅外線，只具備接收紅外線的功能，并對(duì)不同能量物體做出不同類型的反饋信號(hào)。學(xué)者楊卓元等人[2]指出，隨著家中電器的日益增多，火災(zāi)隱患隨之增大，設(shè)計(jì)出一款既能及時(shí)預(yù)警又不影響安全逃生的智能紅外報(bào)警系統(tǒng)意義重大。

被動(dòng)報(bào)警器中的主要傳感組件作為一種被動(dòng)響應(yīng)的部件，可被其覆蓋范圍內(nèi)的任何侵入者發(fā)出的紅外輻射激活。而在正常使用中，報(bào)警器的功率相對(duì)較低，只有在主傳感器檢測到對(duì)應(yīng)的輻射之后，才提供額外的功率來激活警報(bào)或蜂鳴器。這一被動(dòng)激發(fā)的特性使得該設(shè)備適用于偏遠(yuǎn)或電源供應(yīng)較為困難的地區(qū)。

1 被動(dòng)式報(bào)警器原理

被動(dòng)式紅外報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是熱釋電紅外傳感器，它負(fù)責(zé)將人體紅外輻射轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了非接觸感知。被動(dòng)紅外探測器是一種基于熱釋電效應(yīng)制成的紅外傳感器。熱釋電材料的溫度隨紅外輻射而變化，導(dǎo)致其自發(fā)極化，即熱釋電效應(yīng)。為了抑制環(huán)境和傳感器自身溫度變化所產(chǎn)生的干擾，通常采用兩個(gè)具有相同特性的熱電元件以相反的串聯(lián)或差動(dòng)平衡電路連接，進(jìn)而產(chǎn)生極性相反、值相等的信號(hào)，使外界干擾相互抵消。同時(shí)，為了獲得直接使用的電壓信號(hào)，在結(jié)構(gòu)上采用n通道結(jié)場效應(yīng)晶體管，并以全漏極型連接以完成阻抗轉(zhuǎn)換。

在有效示警范圍內(nèi)，如果無人移動(dòng)，傳感器只檢測到背景輻射，沒有溫度變化，無法形成電信號(hào)，則不會(huì)報(bào)警。如果有人進(jìn)入警戒區(qū)域，傳感器檢測到人體輻射與本底輻射差值的變化信號(hào)，產(chǎn)生電信號(hào)輸出，通過后處理電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

該傳感器的響應(yīng)波長范圍為0.2～20μm。該干涉濾波器安裝在窗口位置，僅使8～12μm內(nèi)的紅外輻射通過，同時(shí)抑制其他可見光和紅外輻射傳入，從而在10μm附近實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。

2 元件介紹

2.1 傳感器

ISBAS中的傳感器電路對(duì)來自源的紅外波進(jìn)行全波探測。此外，該傳感器有兩個(gè)元件以電壓反向配置連接。這種安排消除了由于陽光引起的振動(dòng)和傳感器內(nèi)部溫度變化引起的信號(hào)。一個(gè)人從傳感器前面經(jīng)過，將先后激活兩個(gè)元件。而其他源將同時(shí)影響兩個(gè)元件，產(chǎn)生的信號(hào)被抵消。因此，這種設(shè)置方式提高了檢測精度。

2.2 開關(guān)

此次被動(dòng)式報(bào)警器使用了三種開關(guān)電路。電路的功能是接通和切斷電路中的電流。當(dāng)傳感器檢測到人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，微開關(guān)即被釋放。此時(shí)，有一個(gè)小型的繼電器就被用來維持蜂鳴器的工作。

繼電器是一種電動(dòng)開關(guān)。當(dāng)電流通過繼電器線圈產(chǎn)生的磁場，磁場吸引杠桿并改變開關(guān)觸點(diǎn)。繼電器的存在可以保證兩個(gè)電路互相切換，且這兩個(gè)電路可以是完全獨(dú)立的。

在電路設(shè)計(jì)中，晶體管（NPN）也被用作開關(guān)。晶體管可在飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)這兩種狀態(tài)之間運(yùn)行。當(dāng)晶體管的兩個(gè)發(fā)射極-基極結(jié)都是正向偏置時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)飽和狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)結(jié)都是反向偏置時(shí)，就會(huì)發(fā)生截止?fàn)顟B(tài)。741 OP放大器IC（芯片）不能提供機(jī)械開關(guān)（繼電器）所需的實(shí)際電流，因此用晶體管將小的IC電流放大到繼電器線圈所需的值。

2.3 發(fā)光二極管（LEDs）

報(bào)警器使用LED作為指示燈，無論整個(gè)系統(tǒng)是開或關(guān)，當(dāng)電流以正向偏置的方式通過LED時(shí)，LED就會(huì)發(fā)光。此次報(bào)警器的研制中使用了紅光的GaP（磷化鎵）半導(dǎo)體。

2.4 UA741運(yùn)算放大器

UA741運(yùn)算放大器是一種差分放大器。輸出與運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端之間的電壓差成正比。它們能將電壓從零頻率放大到很高的頻率。運(yùn)放通常由8引腳雙直插封裝制成。

2.5 電源

本報(bào)警器的整個(gè)電路都由電池提供電流，適用于電力電子設(shè)備的各種應(yīng)用。

3 設(shè)計(jì)部分

3.1 被動(dòng)式紅外報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)研究

本次研制的小巧被動(dòng)式紅外報(bào)警器核心構(gòu)成包括報(bào)警器本體、吊片以及報(bào)警器本體角。

其中吊片與報(bào)警器柔性連接，報(bào)警器的監(jiān)控角度可調(diào)。其結(jié)構(gòu)特征主要包括：

1）報(bào)警器由上蓋、后殼體和前殼體組成，其中后殼體和前殼體通過卡扣方式進(jìn)行連接，并由上蓋進(jìn)行固定。

2）后殼體內(nèi)自下往上依次嵌入電池倉、電路板以及報(bào)警喇叭，其中報(bào)警喇叭與電路板柔性連接并受電路板控制，電路板上還設(shè)置有人體紅外傳感器。

3）上蓋開設(shè)有揚(yáng)聲孔，可供警報(bào)喇叭發(fā)出報(bào)警聲音。

4）前殼體的檢測窗口正對(duì)人體紅外傳感器，檢測窗口上配備有透鏡及其限位圍欄。

5）電池蓋位于后殼體上，并通過卡扣方式固定。

3.2 被動(dòng)式紅外報(bào)警裝置的制作研究

1）根據(jù)所需元器件名稱，調(diào)研相關(guān)產(chǎn)品供應(yīng)廠家，了解各個(gè)元器件的性能參數(shù)，并優(yōu)選適合自己實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟少徢鍐巍?/p>

2）將設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論、經(jīng)反復(fù)論證消除其中漏洞后，再次優(yōu)化元器件采購清單，并按需采購。

3）將采購到的元器件進(jìn)行記賬及驗(yàn)收，按照實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行元器件的組裝。

組裝內(nèi)容包括將透鏡放入前殼體中并進(jìn)行限位圍欄固定，扣合后殼體，安裝電路板，安裝人體紅外傳感器及報(bào)警器，安裝過程中注意調(diào)節(jié)電路板的支撐點(diǎn)和朝向狀態(tài)，規(guī)避潛在的摩擦、錯(cuò)接問題。然后將報(bào)警器連接到球頭活動(dòng)片上，檢查報(bào)警器在不同方位上的活動(dòng)靈活性，并將球頭固定到適當(dāng)位置，以保障紅外報(bào)警器最大監(jiān)控面。最后對(duì)所構(gòu)建的被動(dòng)式紅外報(bào)警體系進(jìn)行檢查，排除線路誤解、透鏡位置不當(dāng)、人體紅外傳感器錯(cuò)接等潛在失誤，保障線路連接正確，各個(gè)元器件功能可得到正確發(fā)揮。

3.3 被動(dòng)式紅外報(bào)警器裝置的操作

被動(dòng)式紅外報(bào)警器電路圖如圖1所示。電源通過端子提供電壓，該電源與IR傳感器的引腳相連。傳感器引腳的信號(hào)輸出連接到旁路的電阻。當(dāng)給設(shè)備供電時(shí)，可能會(huì)誤觸發(fā)蜂鳴器。這是因?yàn)榧词箾]有信號(hào)施加到輸入端，運(yùn)放的內(nèi)部組件也可能向輸入端提供一個(gè)小的差分電壓。即使電壓很小，運(yùn)放的增益也會(huì)在輸出處產(chǎn)生一個(gè)很大的偏置電壓。我們通過調(diào)整內(nèi)置電阻的大小來消除這一偏置電壓，使輸出正好是0 V的信號(hào)，此時(shí)輸入端沒有信號(hào)輸出。

當(dāng)檢測到運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器的引腳輸出一個(gè)非常小的電壓。這個(gè)電壓通過運(yùn)算放大器IC放大。運(yùn)算放大器IC通過輸出引腳向晶體管提供電源。晶體管控制通過繼電器電路的功率流。一旦有信號(hào)傳入，晶體管實(shí)際將作為繼電器提供觸發(fā)蜂鳴器所需的電流。

4 實(shí)驗(yàn)測試及改良

4.1 實(shí)驗(yàn)預(yù)期

構(gòu)建模擬環(huán)境，將研發(fā)的被動(dòng)式紅外傳感器置于模擬環(huán)境中，準(zhǔn)備飲水機(jī)、椅子等非生命體干擾物，以及小貓小狗等生命體干擾物，考察被動(dòng)式紅外傳感器的對(duì)人體信號(hào)的區(qū)分情況。積累初步實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，考察被動(dòng)式紅外傳感器的在真實(shí)環(huán)境下的應(yīng)用效果，包括白天及夜晚環(huán)境的使用效果。持續(xù)記錄為期14 d的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)被動(dòng)式紅外傳感器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

4.2 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

無源熱釋電紅外報(bào)警系統(tǒng)只能安裝在室內(nèi)，誤報(bào)率與安裝位置和方法密切相關(guān)。所以在安裝時(shí)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)高于地面2.0~2.2 m，報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)遠(yuǎn)離空調(diào)、冰箱、爐灶等溫度變化敏感的地方，應(yīng)在報(bào)警區(qū)域范圍內(nèi)，報(bào)警系統(tǒng)不應(yīng)安裝在有強(qiáng)流的地方。

安裝報(bào)警系統(tǒng)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試。首先，當(dāng)電路工作正常時(shí)，人從遠(yuǎn)處移動(dòng)到報(bào)警系統(tǒng)，測量報(bào)警范圍小于7 m。其次，當(dāng)人通過衰減區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。人的移動(dòng)速度快，系統(tǒng)的靈敏度更高。速度應(yīng)小于0.1 m/s。當(dāng)人從中心移動(dòng)，即到兩側(cè)的最小距離，可得到最大警戒角為80°。當(dāng)系統(tǒng)開始工作，人員經(jīng)過該報(bào)警區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。

做好防護(hù)措施，接通電路，考察被動(dòng)式紅外傳感器的各個(gè)元器件是否正常連接、是否可以正常發(fā)揮其各自功能、考察被動(dòng)式紅外傳感器是否可以對(duì)靜態(tài)人體產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)發(fā)出報(bào)警、考察被動(dòng)式紅外傳感器的球頭的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)向速度等，是否可跟蹤人體的移動(dòng)形成持續(xù)報(bào)警等，對(duì)于調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化研討分析，不斷改進(jìn)和優(yōu)化被動(dòng)式紅外傳感器的靈活性、識(shí)別性和精準(zhǔn)性。

4.3 改良措施

為了提高熱釋電紅外傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度，我們使用了菲涅耳透鏡，其作用有兩個(gè)，一是將紅外輻射信號(hào)聚焦于熱釋電紅外探測單元，二是將檢測區(qū)域劃分為幾個(gè)亮區(qū)和暗區(qū)，使運(yùn)動(dòng)物體在檢測區(qū)域引起熱釋電紅外傳感器溫度變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)輸出。

當(dāng)人進(jìn)入報(bào)警裝置探測范圍時(shí)，人體紅外輻射首先通過菲涅耳透鏡，將紅外輻射信號(hào)聚焦在熱釋電紅外探測單元上，形成交替變化的高敏感區(qū)和盲區(qū)。由于傳感器的兩個(gè)熱釋電紅外探測單元接收到的熱量不同，產(chǎn)生的信號(hào)也不同，兩個(gè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)無偏移輸出。

通過轉(zhuǎn)換得到微弱多變的電壓信號(hào)，然后將信號(hào)放大以獲得足夠的增益。再經(jīng)后續(xù)處理完成報(bào)警。根據(jù)菲涅耳透鏡的特點(diǎn)，它有不同的焦距，因此可以擁有不同的探測距離，進(jìn)而使報(bào)警系統(tǒng)有不同的監(jiān)視視場，比一般的報(bào)警系統(tǒng)具有更大的可調(diào)檢測區(qū)間。

5 結(jié)語

被動(dòng)式紅外報(bào)警器的電源是一個(gè)簡單的直流電池，不需要任何反轉(zhuǎn)或整流。經(jīng)過改良后的傳感器，功能效果十分明顯，當(dāng)沒有使用紅外菲涅耳透鏡時(shí)，它僅僅能響應(yīng)0～2 m之間的水平運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)使用紅外菲涅耳透鏡后，它可以響應(yīng)高達(dá)90 m的水平運(yùn)動(dòng)。

這款自主研發(fā)的被動(dòng)式紅外報(bào)警器提供了良好的傳感和檢測能力，并減少了組件選擇的復(fù)雜性。在發(fā)生故障時(shí)，可方便地進(jìn)行維護(hù)和維修。而且所需電子元件均可在本地采購。在沒有外界電源供給時(shí)，它也可以依靠內(nèi)置電池持續(xù)運(yùn)行數(shù)周。這種被動(dòng)式紅外報(bào)警裝置設(shè)計(jì)符合當(dāng)前行業(yè)需要，有望在居家防盜、家庭防火、智能車庫中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，切實(shí)提高居民的生活便利度。同時(shí)也有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)人體和動(dòng)態(tài)人體的感應(yīng)識(shí)別，在采礦、化工等工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景，有望提高對(duì)我國一線技術(shù)工人的生命安全保障。