李志逢 鄒宏亮

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

隨著科技的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，隨之而來的，人們對(duì)空調(diào)的智能化和使用舒適性要求越來越高[1]。在日常生活中，用戶移動(dòng)了位置、人數(shù)量變化時(shí)掃風(fēng)板角度已不再適合當(dāng)前用戶的位置。只能手動(dòng)調(diào)節(jié)掃風(fēng)板角度來解決，隱形中給用戶增加了使用負(fù)擔(dān)。亟需有一種可實(shí)時(shí)檢測(cè)人體位置并可與空調(diào)掃風(fēng)板聯(lián)動(dòng)的控制器來解決此問題。本文以32位單片機(jī)TM4C123GH6PM為控制和數(shù)據(jù)處理器，通過紅外熱電堆傳感器MLX90640檢測(cè)空間熱源情況后采用熱源圖像處理算法識(shí)別人體位置來控制空調(diào)掃風(fēng)角度，真正實(shí)現(xiàn)空調(diào)的智能化控制，并可在一定程度上提升用戶舒適性和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 紅外熱電堆陣列傳感器

紅外熱電堆傳感器是一種利用紅外線輻射能量來檢測(cè)物體溫度的傳感器，它由多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來，它和熱電偶的原理都是基于物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）[2]；每個(gè)熱電偶都由兩種不同材料組成，其中一種材料是紅外線吸收材料，另一種材料是金屬導(dǎo)體，當(dāng)紅外線射到紅外線吸收材料上時(shí)，它會(huì)被吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，導(dǎo)致該材料的溫度升高，這個(gè)溫度差會(huì)導(dǎo)致熱電偶產(chǎn)生電勢(shì)差，從而產(chǎn)生電流，通過測(cè)量電流大小就可以測(cè)量物體的溫度。結(jié)構(gòu)上由可透過特定波長(zhǎng)范圍的紅外濾光片和紅外接收的熱電堆芯片組成。

1.1 MLX90460紅外熱電堆陣列傳感器

MLX90460傳感器是由邁來芯公司生產(chǎn)的一種完全校準(zhǔn)的高分辨率紅外測(cè)溫陣列芯片，其內(nèi)部集成32×24個(gè)紅外測(cè)溫單元，可精確檢測(cè)特定區(qū)域和溫度范圍內(nèi)的目標(biāo)物體[3][4]；集成了一個(gè)環(huán)境傳感器來測(cè)量芯片的環(huán)境溫度和供應(yīng)傳感器來測(cè)量VDD，支持?jǐn)?shù)字I2C總線接口讀取存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM的溫度數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)；而且體積小使用4針工業(yè)級(jí)TO39封裝，便于開發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，具體電器參數(shù)如表 1。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

人感控制器的應(yīng)用對(duì)象是天井機(jī)，安裝位置在天井機(jī)的掃風(fēng)面板的一個(gè)角上，主要由傳動(dòng)控制模塊和檢測(cè)模塊組成,紅外熱電堆傳感器集成在檢測(cè)模板板上；而傳動(dòng)模塊的作用是將檢測(cè)模塊及傳感器帶動(dòng)到四個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)360 °旋轉(zhuǎn)檢測(cè)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)模塊是紅外熱電堆傳感器的載體，由于傳感器的檢測(cè)視角范圍是75 °，因此檢測(cè)模塊和垂直方向的夾角也為75 °，保證能夠檢測(cè)到傳感器正下方的熱源情況；控制器硬件方面主要講解傳動(dòng)控制模塊。

2.1 傳動(dòng)控制模塊硬件設(shè)計(jì)

傳動(dòng)控制模塊由主芯片、步進(jìn)電機(jī)、I2C通訊接口和HBS通訊接口組成。主芯片采用TI公司推出的32位基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123GH6PM，該芯片擁有主頻80 MHz，256 KB Flash，32 KB SRAM，這些資源對(duì)于傳感器的多組檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高速運(yùn)算提供了有力保障；同時(shí)還擁有通用異步收發(fā)傳輸器器（universal asynchronous receiver /transmitter，UART）、同步串行接口（synchronous serial interface，SSI）/串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI） 、內(nèi)部整合電路（inter-integrated circuit，I2C）等通用接口，可根據(jù)通訊對(duì)象靈活快速配置，方便和空調(diào)機(jī)組（UART）、紅外熱電堆傳感器（I2C）實(shí)現(xiàn)通訊?？刂破鞯南到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)選用四相步進(jìn)電機(jī)MP24AH，該電機(jī)步距角為5.625 °/64步，可滿足傳感器檢測(cè)模塊的360 °范圍內(nèi)任意角度的轉(zhuǎn)動(dòng)需求，驅(qū)動(dòng)方式采用四相八拍，控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單且可保證力矩平穩(wěn)和控制精度，減少失步風(fēng)險(xiǎn)。驅(qū)動(dòng)芯片選用ULN2003,內(nèi)部采用NPN型達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)電路，單通道電流可達(dá)500 mA，且輸出端集成鉗位二極管，有效保護(hù)步進(jìn)電機(jī)可靠工作，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.1.2 HBS通訊電路

HBS（家庭總線系統(tǒng),Home Bus System）是一種以低壓電力載波方式將差分信號(hào)加載到兩根通訊線上的通訊總線方式[5]，因其通訊距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)，安全性高，對(duì)極性無要求等特點(diǎn)，在空調(diào)領(lǐng)域特別時(shí)中央空調(diào)產(chǎn)品中具有最廣泛的應(yīng)用。選用Maxim公司的MAX22288收發(fā)器，內(nèi)部集成有源電感和LDO模塊，可減少外圍電路的差模電感和電源轉(zhuǎn)換電路，便于控制器PCB小型化設(shè)計(jì)。并且具有可調(diào)整接收器閾值和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換速率，支持傳輸速率高達(dá)200 kbps，為芯片在復(fù)雜環(huán)境中可靠工作提供了有力保障，HBS通訊電路見圖4所示。

圖4 HBS通訊電路

表1 MLX90460傳感器電氣參數(shù)

2.2 傳動(dòng)控制模塊軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分采用時(shí)間片架構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)；控制器上電后首先初始化MCU時(shí)鐘，最小系統(tǒng)啟動(dòng)后，配置UART、GPIO和I2C等外設(shè)寄存器，并對(duì)使用的全局變量初始化；下發(fā)對(duì)紅外熱電堆傳感器初始化I2C指令，同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作，當(dāng)傳感器準(zhǔn)備好且步進(jìn)電機(jī)已完成復(fù)位后，按照時(shí)基任務(wù)進(jìn)行調(diào)度任務(wù)；本文控制器作為HBS通訊的上位機(jī)，使用波特率為57 600 bps，發(fā)送數(shù)據(jù)周期為2 ms；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率為6 ms；步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)90 °采集一次熱源信息，通過對(duì)采集到的熱源信號(hào)進(jìn)行小信號(hào)數(shù)字濾波處理、四鄰域算法和背景差值算法并結(jié)合人體溫度閾值特征可識(shí)別到有效熱源信息；之后再依據(jù)掃風(fēng)葉片角度和傳感器檢測(cè)范圍的地面投影位置映射關(guān)系，通過查表法可得出當(dāng)前熱源需要的掃風(fēng)板角度；人感控制器最后將掃風(fēng)板需要?jiǎng)幼鞯降慕嵌劝l(fā)給空調(diào)機(jī)組，就完成了空調(diào)機(jī)組根據(jù)人體位置智能掃風(fēng)的功能，軟件控制流程見圖5所示。

圖5 軟件控制流程圖

3 方案實(shí)現(xiàn)

通過以上方案設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室（16～30）℃溫度范圍情況下，識(shí)別到以機(jī)組為圓心，半徑3 m內(nèi)的人體識(shí)別率為98 %?？刂骗h(huán)境溫度在（18～28）℃范圍內(nèi)，人體分別坐在距離機(jī)組（0.4～4.5）m距離測(cè)試，當(dāng)人體感受到有0.2 m/s的風(fēng)速認(rèn)為掃風(fēng)板動(dòng)作合理，最終結(jié)果表2顯示只有在距離機(jī)組特別近時(shí)會(huì)有感受不佳的情況，但是總體上已滿足了在較寬溫度范圍內(nèi)，房間滿足空調(diào)制冷量的情況下，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)智能送風(fēng)的功能。

表2 人感風(fēng)量檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文采用MLX90460傳感器識(shí)別人體熱源信息，通過人感控制器帶動(dòng)傳感器360 °檢測(cè)并能夠聯(lián)動(dòng)空調(diào)機(jī)組，實(shí)現(xiàn)天井機(jī)組智能掃風(fēng)，驗(yàn)證了方案的可行性。但是在驗(yàn)證過程發(fā)現(xiàn)其他熱源的干擾、人體根據(jù)環(huán)境發(fā)射紅外不確定性，穿衣薄厚的影響等都會(huì)影響人體檢測(cè)的準(zhǔn)確性?？照{(diào)機(jī)組送風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的流動(dòng)性等會(huì)影響用戶的直接感受；以上的問題是后續(xù)方案產(chǎn)品化需要研究的方向。