浅谈DragonBoard410C下的红外人体监测实现

　　红外传感器

 

　　红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类， 按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。 红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用

 

　　红外线对射管的驱动分为电平型和脉冲型两种驱动方式。由红外线对射管阵列组成分离型光电传感器。该传感器的创新点在于能够抵抗外界的强光干扰。太阳光中含有对红外线接收管产生干扰的红外线，该光线能够将红外线接收二极管导通，使系统产生误判，甚至导致整个系统瘫痪。本传感器的优点在于能够设置多点采集，对射管阵列的间距和阵列数量可根据需求选取。

 

　　红外线技术在测速系统中已经得到了广泛应用，许多产品已运用红外线技术能够实现车辆测速、探测等研究。红外线应用速度测量领域时，最难克服的是受强太阳光等多种含有红外线的光源干扰。外界光源的干扰成为红外线应用于野外的瓶颈。针对此问题，这里提出一种红外线测速传感器设计方案，该设计方案能够为多点测量即时速度和阶段加速度提供技术支持，可应用于公路测速和生产线下料的速度称量等工业生产中需要测量速度的环节。

 

　　红外技术已经众所周知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

 

　　红外传感器根据探测机理可分成为：光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。

 

　　原理

 

　　待测目标

 

　　根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

 

　　大气衰减

 

　　待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

 

　　光学接收器

 

　　它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。

 

　　辐射调制器

 

　　对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

 

　　红外探测器

 

　　这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

 

　　探测器制冷器

 

　　由于某些探测器必须要在高温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

 

　　信号处理系统

 

　　将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。

 

　　显示设备

 

　　这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

 

　　依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。

 

　　热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

 

　　图上所示为欧姆龙公司生产的漫反射式和对射式光电传感器，这两种传感器主要用于事件检测和物体定位。图中的红灯和绿灯表示传感器的状态。

 

　　红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。

 

　　类型

 

　　红外线传感器依动作可分为：

 

　　（1） 将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型。

 

　　（2） 利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN 接合之光电动势效果的量子型。

 

　　热型的现象俗称为焦热效应，其中最具代表性者有测辐射热器 （THERMAL BOLOMETER），热电堆（THERMOPILE）及热电（PYROELECTRIC）元件。

 

　　热型的优点有：可常温动作下操作，波长依存性（波长不同感度有很大之变化者）并不存在，造价便宜；

 

　　缺点：感度低、响应慢（MS之谱）。

 

　　量子型 的优点：感度高、响应快速（ΜS 之谱）；

 

　　缺点：必须冷却（液体氮气） 、有波长依存性、价格偏高；

 

　　红外线传感器特别是利用远红外线范围的感度做为人体检出用，红外线的波长比可见光长而比电波短。红外线让人觉得只由热的物体放射出来，可是事实上不是如此，凡是存在于自然界的物体，如人类、火、冰等等全部都会射出红外线，只是其波长因其物体的温度而有差异而已。人体的体温约为36～37°C，所放射出峰值为9～10微米的远红外线，另外加热至400～700°C的物体，可放射出峰值为3～5微米（不是MM）的中间红外线。

　　红外监测是安防设计中常用的一种传感器，通过该传感器可以快速的探测到移动的物体，目前许多摄像头上都集成了红外移动侦测开关，可以在有移动物体入侵的时候快速的启动摄像设备观察和拍照记录，这样就可以有效的避免了摄像头长期工作中浪费电能和影响其使用寿命，本节博客将基于DragonBoard410c开发板来实现通过红外移动侦测传感器来探测人体的运动，具体的设计如下：

　　一、硬件设备的准备

　　这里大家首先要准备的硬件设备包括一个Dragonboard 410c开发板、给开发板供电的电源、面包板和杜板线等，如下图1所示：

　　图1 DragonBoard 410c开发板及相关套件

　　Dragonboard 410c开发板是由高通推出的一块面向创客群体的开发套件，体积小但是功能非常强大，具体的资料和相关的学习内容可以在http://qualcomm.csdn.net/上有详细介绍。

　　然后还需要，准备一个红外感应模块，本文使用的是常用的HC-SR501红外模块，如下图2所示，该模块的技术参数如下：

　　1）工作电压：DC5V至20V

　　2）静态功耗：65微安

　　3）电平输出：高3.3V，低0V

　　4）延时时间：可调（0.3秒~18秒）

　　5）封锁时间：0.2秒

　　6）触发方式：L不可重复，H可重复，默认值为H

　　7）感应范围：小于120度锥角，7米以内

　　8）工作温度：-15~+70度

　　9）PCB外形尺寸：32*24mm，螺丝孔距28mm，螺丝孔径2mm，感应透镜尺寸：（直径）：23mm（默认）

　　图2 HC-SR501人体红外感应模块

　　以上就是所使用的硬件，开发软件工具的准备大家可以参考http://blog.csdn.net/andymfc/article/details/52127413中的软硬件环境的搭建过程，因为我们最终要完成对红外感应开关的控制主要还是需要通过GPIO控制来实现，

　　二、软件环境的搭建

　　本文在设计程序过程中，使用的是linux操作系统，Dragonboard 410c开发板linux系统的安装和环境搭建参考https://developer.qualcomm.com/hardware/dragonboard-410c/tools上的资源和工具，下载linux镜像和使用手册根据使用手册进行安装，完成linux环境的搭建。

　　完成linux环境的搭建后还需要在linux环境下安装一个QT库，该库的移植可以参考博客http://blog.csdn.net/andymfc/article/details/52368199，这个库主要是为后续我们设计和开发红外人体传感器模块提供相应的显示功能，以上就是整个开发过程中的软件环境的搭建。

　　三、硬件连接

　　准备好硬件后，我们各个硬件模块用杜邦线进行连接，如下图3所示。这里连接过程需要注意，供电直接从Dragoboard 410c开发板提供的5v电源给红外感应模块进行供电，完成连线后，如果大家手中有万用表最好先测量一下，看是否有出现短路现象，还有一点就是在I/O口连接的过程中，不能直接将红外模块的输出I/O口接到Dragoboard410c开发板上，应为开发板的I/O电压为1.8v，而红外模块的输出电压为3.3v，直接接会导致系统工作不问题，I/O口被烧坏。

　　图3 硬件连接示意图

　　四、软件设计

　　完成硬件连接后，接着就可以进行软件设计了，软件设计中主要是采用QT作为界面，然后通过调用系统函数来访问和控制相关的GPIO口来监测和读取红外感应模块输出端的电平变化，对其输出进行监测，具体的软件设计与http://blog.csdn.net/andymfc/article/details/52127413GPIO程序设计一样，只是在上层增加了QT来进行处理，在QT环境下通过一个定时器来控制GPIO访问的频率，然后将获取的结果显示到界面上，核心程序设计如下：

　　int get_Infrared _status（int Key）{

　　int tmp=1;

　　int time=0;

　　Write_GPIO（Infrared_stat， 1） ;

　　do{

　　delay_ms（10）;

　　if（Read_GPIO（infrared_stat， &tmp）==0）{

　　time++;

　　}

　　else return -1;

　　if（time》=100）{

　　break; //输出的电平维持时间超过1s，表示探测到人体，退出检测。

　　}

　　}while（！tmp）

　　if（time》=50）{ //输出电平大于0.5s认为有人体进入，不是干扰

　　return 1;

　　}

　　else return 0;

　　}

　　五、测试

　　完成软件设计后，利用qmake工具进行交叉编译，编译后的文件下载到安装了linux的Dragoboard 410c开发板，并将开发板的HDMI输出连接到显示器上，运行后用手在传感器边上移动，可以看到LED灯变亮和熄灭。

　　总结，本文介绍了大家如何通过Dragobard 410c开发板来实现红外感应监测，后续大家还可以结合前面有关利用Dragobard和摄像头实现帧测的博客，实现一个利用红外传感器来唤醒摄像头工作进行基于触发方式的拍照和监测功能。