基于三邊定位原理的熱釋電紅外智能講解系統(tǒng)

方志鵬 謝正華 王帥

摘? 要：當(dāng)今中國人們旅游日益頻繁，景區(qū)的接待能力亟待提高。針對景區(qū)講解服務(wù)薄弱這個環(huán)節(jié)，在研究了三邊定位原理及熱釋電紅外效應(yīng)之后，依托MT7688AN嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計了一種基于三邊定位原理的熱釋電紅外線智能講解系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用熱釋電紅外探測目標(biāo)（人體），使用三邊定位原理進(jìn)行目標(biāo)（人體）定位，在確認(rèn)目標(biāo)（人體）在特定區(qū)域內(nèi)后啟動對應(yīng)講解器播放對應(yīng)講解音頻或視頻片段。有效地降低了景區(qū)的人力成本，改善并提高了人們的游覽體驗。

關(guān)鍵詞：三邊定位;熱釋電;BISS0001;MT7688AN

中圖分類號：TP212? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0046-03

Abstract： Nowadays， the tourism of Chinese people is becoming more and more ordinary， and the reception ability of scenic spots needs to be improved urgently. In view of the weakness of scenic spot explanation service， after studying the trilateral positioning principle and pyroelectric infrared effect， relying on MT7688AN embedded system， a pyroelectric infrared intelligent explanation system based on trilateral positioning principle is designed. The system uses pyroelectric infrared detection target （human body）， uses the trilateral positioning principle to locate the target （human body）， and starts the corresponding interpreter to play the corresponding audio or video segment after confirming that the target （human body） is in a specific area. It effectively reduces the human cost of the scenic spot and improves people's sightseeing experience.

Keywords： trilateral positioning; pyroelectric; BISS0001; MT7688AN

引言

國民經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，人民生活水平不斷提高，物質(zhì)和精神方面的追求日趨強(qiáng)烈，每逢節(jié)假日人們都會前往景區(qū)游覽，放松心情，陶冶情操，增進(jìn)家人之間和朋友之間的情感。景區(qū)的接待能力，配套設(shè)施，包括硬件和軟件方面都亟待改善和提高，以適應(yīng)不斷增加的人流量，更好地為游客服務(wù)，增加游客的游覽體驗。智能化的景區(qū)設(shè)備勢在必行。

本文簡述了熱釋電效應(yīng)的原理，熱釋電紅外傳感器工作原理與特點。同時闡述了三邊定位原理及實現(xiàn)方式，設(shè)計了基于三邊定位原理的熱釋電紅外信號采集器，并利用MT7688AN通過TCP/IP發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)，上位機(jī)處理接收到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)目標(biāo)（人體）偵測與定位，繼而根據(jù)定位信息啟動對應(yīng)區(qū)域的講解播放器進(jìn)行音頻或視頻的播放，從而實現(xiàn)景區(qū)智能講解的功能。

1 熱釋電效應(yīng)及三邊定位原理

所謂熱釋電效應(yīng)[1][2]就是外界溫度變化導(dǎo)致晶體內(nèi)部產(chǎn)生自發(fā)極化的現(xiàn)象。即在晶體表面溫度發(fā)生改變時，在晶體的兩端就會產(chǎn)生一定數(shù)量的電荷。通常來說晶體處于平衡狀態(tài)，即晶體表面的正電荷與負(fù)電荷相等，當(dāng)晶體溫度差產(chǎn)生并超過限值時，就會打破原有的平衡狀態(tài)，電荷發(fā)生移動，產(chǎn)生電流，繼而形成電勢差，輸出電壓。

正是由于熱釋電效應(yīng)的存在，才會產(chǎn)生熱釋電紅外傳感器，這種傳感器可以對紅外輻射進(jìn)行檢測。利用具有熱釋電效應(yīng)特征的材料制成的傳感器被稱為熱釋電紅外傳感器[3]。其工作過程可分為三個步驟：第一步，當(dāng)接收到紅外輻射后，晶體材料表面溫度發(fā)生變化;第二步，由于晶體材料表面溫度發(fā)生改變，從而導(dǎo)致電極上的電荷密度發(fā)生變化，打破原有平衡;第三步，電荷密度改變導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移，電荷移動到外部電路或阻抗電路從而產(chǎn)生電壓信號。熱釋電紅外傳感器最主要的特點是傳感器表面積與溫度的變化量與受到紅外輻射產(chǎn)生的電流成正比。其公式如下：

其中I為電流，ps為熱釋電系數(shù)，SA為熱釋電傳感器的表面積，ΔT為傳感器表面溫度變化。

三邊目標(biāo)定位是一種常用的定位算法[4]。假設(shè)一個等邊三角形的三個頂點的坐標(biāo)分別為A1（x1，y1），A2（x2，y2），A3 （x3，y3），待測位置的坐標(biāo)為P（x，y）。三個傳感器節(jié)點中心分別對應(yīng)等邊三角形的三個頂點，每個傳感器節(jié)點由三個熱釋電紅外傳感器組成同心圓，每個傳感器節(jié)點遮擋掉其中的兩部分，裸露出一部分，具體遮擋示意圖如圖1所示。

圖中白色部分為遮擋區(qū)，黑色部分為裸露區(qū)。由于三個傳感器距離很近，我們近似認(rèn)為三個傳感器的感知范圍是一致的。將傳感器節(jié)點布置在室內(nèi)頂部，向下感知。單個傳感器節(jié)點可初步定位目標(biāo)（人體），設(shè)傳感器節(jié)點中心到目標(biāo)（人體）的水平距離為d，確定目標(biāo)（人體）所在傳感器節(jié)點中三個熱釋電紅外傳感器所在環(huán)數(shù)為n，感知區(qū)域最大半徑為m，則有：

2 信號采集設(shè)計與實現(xiàn)

有了上面的理論基礎(chǔ)與設(shè)計思路，便可開始熱釋電紅外傳感器節(jié)點的設(shè)計，本文采用RE200B熱釋電紅外傳感器，該傳感器采用雙元設(shè)計，工作波長7-14μm，正好覆蓋目標(biāo)（人體）紅外線輻射的波長范圍。RE200B與BISS0001組合完成信號的調(diào)理，具體電路圖如圖2所示。

BISS0001是一款具有較高性能的傳感器信號處理集成電路[5]，輔以熱釋電紅外傳感器及少量的外圍電路即可構(gòu)成被動式熱釋電紅外開關(guān)。當(dāng)有目標(biāo)（人體）在感應(yīng)區(qū)域范圍內(nèi)活動時能夠輸出穩(wěn)定的3.3V電壓，沒有目標(biāo)（人體）時電壓為0，然后輸入ADC電路。LTC1867L是八路16位ADC芯片，該ADC的輸入電壓范圍要求在0-3.3V，正好與BISS0001的輸出電壓相匹配。經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號被MT7688AN采集后，通過TCP/IP以有線或無線的方式發(fā)送給上位機(jī)，上位PC機(jī)收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行三邊目標(biāo)定位的算法處理，上位機(jī)再根據(jù)結(jié)果判斷目標(biāo)（人體）所屬區(qū)域，開啟對應(yīng)區(qū)域的講解播放器進(jìn)行音頻或視頻的播放，從而實現(xiàn)景區(qū)智能講解的功能。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

MT7688AN（下位機(jī)）使用OpenWrt SDK[6]開發(fā)工具，OpenWrt是一個高度模塊化、高度自動化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性。提供100多種已編譯好的軟件，大大簡化了開發(fā)軟件的工序。

下位機(jī)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。首先初始化各模塊，然后開始探測目標(biāo)（人體），即采集熱釋電紅外傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)其中一個傳感器節(jié)點發(fā)現(xiàn)目標(biāo)（人體）時向相鄰的兩個傳感器節(jié)點發(fā)送采集數(shù)據(jù)指令，接著確認(rèn)是否有反饋數(shù)據(jù)（n，m），如有反饋數(shù)據(jù)則將三個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，如無則重新開始目標(biāo)（人體）探測。

上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)三邊定位原理進(jìn)行處理得出目標(biāo)（人體）位置，判斷目標(biāo)（人體）所屬區(qū)域，如在講解區(qū)域內(nèi)則開啟對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的播放器進(jìn)行音頻或視頻的循環(huán)播放。如下一個周期沒有接收到下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)則說明剛才區(qū)域內(nèi)沒有目標(biāo)（人體），當(dāng)前講解片段結(jié)束后停止播放。

4 結(jié)束語

針對景區(qū)講解服務(wù)薄弱的環(huán)節(jié)，設(shè)計了一種基于三邊定位原理的熱釋電紅外線智能講解系統(tǒng)。在解釋了熱釋電效應(yīng)原理及三邊定位原理的基礎(chǔ)上給出了探測及定位目標(biāo)（人體）的具體算法，設(shè)計了信號采集電路，給出了軟件設(shè)計流程。該系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[2]狄文寧，劉林華，趙祥永，等.基于動態(tài)法的高靈敏度熱釋電系數(shù)測試系統(tǒng)[C]//第15屆全國晶體生長與材料學(xué)術(shù)會議，2009：13-22.

[3]尚中鋒，郭景華，祁明鋒，等.熱釋電紅外傳感器[J].城市建設(shè)理論研究，2012，36（21）：90-93.

[4]馬玨.基于三邊測距和質(zhì)心的三邊質(zhì)心網(wǎng)絡(luò)定位算法[D].江蘇廣播電視大學(xué)，2013.

[5]李育紅.基于BISS0001的熱釋電紅外開關(guān)[J].科學(xué)之友，2011，14（478）：22.

[6]梁業(yè)彬.基于OpenWrt的智能家具通用網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].山東大學(xué)，2018.