基于熱釋電安防響應系統的研究

胡騰飛　張偉

摘 要：基于熱釋電的安防響應系統可以給人們的生活帶來更加安全的保障。該系統利用熱釋電紅外傳感器作為感知元件，將人體釋放出來的特殊波長的紅外信號轉化成電信號，并驅動監控探頭對侵入目標進行拍照或者錄視頻，通過無線網絡將入侵者的面貌以及體態特征及時的發送給使用者，使用者也可以通過網絡控制語音播報，對入侵者進行恐嚇達到阻止侵犯的目的，也節約了內存存儲的空間。使用者還可以根據生活、生產等的實際需要對安防響應系統的模式進行私人的設定，比如語音播報的提醒功能，以及警示燈亮滅等模式的切換操作。該系統具有功耗低、工作穩定、抗干擾能力強、實用性好、操作簡單、方便等優點。

關鍵詞：熱釋電；安防；實用性好

中圖分類號：TP301 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0045-03

引言

安防是我們幸福生活的基石，面對魚龍混雜的社會，及時的防止、阻止不法分子對我們人身、財產的侵害，并讓他們受到應有懲罰，可靠的安防響應系統將為我們生活的安全環境錦上添花。由于紅外線是不可見光，隱蔽性能良好，因此在防盜、警戒等安保裝置中被廣泛應用[1-4]。現如今大街小巷監控探頭比比皆是，當我們受到不法的傷害或不公正待遇時，它是我們的證人，可以幫我們還原事情的真相。當然如此繁多的監控探頭的存在也給警務人員帶來大量的工作任務，調取監控、翻看監控視頻、搜索重要的有價值的信息等。而熱釋電紅外探測技術，具有全天候、被動式、視距遠、識別偽裝能力強等優點，在軍事領域起著舉足輕重的作用[5]。傳統的熱釋電報警系統只能進行聲光報警，不能對入侵者的體貌特征等信息進行存儲、傳輸。本系統基于以往熱釋報警系統增加了部分功能，可以根據人們的實際生活、生產需要選擇不同的工作模式，當有人員流動的時候開啟監控探頭對目標進行拍攝，在沒有人員流動的情況下使監控探頭處于靜默模式，這樣即降低了功耗，也節約了視頻存儲的內存空間，同時也能達到安防的目的。

1 基本原理

熱釋電傳感器是基于熱釋電效應把熱能轉化成電信號的，熱釋電效應是晶體的一種自然物理效應，部分晶體受熱或受寒時存在極化的現象，溫度變化的高低會導致極化強度變化，晶體兩端會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的極化現象被稱為熱釋電效應。熱釋電效應的形成原理如圖1所示。

在自然界中，溫度高于絕對零度（-273.15℃）的任何物體，都會向周圍輻射紅外線，在現代物理學中稱之為熱射線。軍事上所用的夜視儀就是利用這一工作原理，在漆黑的夜晚發現可疑目標的。紅外線是不可見光中的一種，也是電磁波，以光速傳播能量，光譜分布如圖2所示。波長介于可見光與微波之間（780nm至1mm），熱作用強。

由維恩位移定律（熱輻射的基本定律之一）：在一定溫度下，絕對黑體的溫度與輻射能力的最大值所對應的波長λ的乘積為一常數，即λm·T=b式中，b=0.002897m·K，稱為維恩常量。而人體的平均溫度在37℃（310k）左右，根據這一公式可以計算出人體輻射出的紅外波長峰值為9.35μm。37℃時人體光譜輻射強度與波長關系如圖3所示：

而某些電介質材料，如鉭酸鋰、鈦酸鉛等材料受到紅外輻射后，自身溫度就會升高，這種現象稱為紅外輻射的熱效應。熱釋電紅外探測器就是基于以上原理將人體輻射出的紅外線轉換成熱能進而轉化成電能，再經過后續的放大、濾波輸出所需要的電信號的。

2 總體設計

熱釋電安防響應系統的總體框圖如圖4所示，系統整體硬件主要組成部分，由熱釋電紅外傳感器、信號處理、放大電路、模數轉換、人機對話模塊設計和語音錄放電路、監控探頭及聲光報警等部分組成。系統工作的過程如下：當被探測的目標對象所輻射的紅外線透過菲涅爾透鏡，聚焦在熱釋電紅外傳感器探測元上，熱釋電探測元將輸出一定的電壓信號，把這一信號進行進一步的放大、信號處理，模數轉換，由微控制器根據系統設定的規則進行條件判定，并執行相應的安防響應。微機控制模塊是整個系統的核心部分，它完成對系統的總體控制以及協調各功能模塊之間的運行。

3 硬件結構及部分電路

3.1 熱釋電紅外探測模塊

熱釋電紅外傳感器能以非接觸檢測的形式探測出人體所輻射出的紅外線能量變化，并將其轉換成電壓信號輸出。將這個電壓信號加以處理，便可驅動我們需要控制的電路。熱釋電紅外傳感器的結構如圖5所示，在管帽的頂端裝有干涉濾光片，它的作用是阻止部分光進入傳感器，以免造成干擾，允許人體輻射的紅外波長（10μm）左右的光通過，這樣就可以達到針對特定目標探測的目的。由于此傳感器具有很高的輸出阻抗，而輸出信號微弱，需要在其內部裝設場效應管（FET）以及偏置電路對輸出信號放大和阻抗匹配。

根據傳感器敏感元件的數目，熱釋電傳感器可以分為單元型和多元型，單元型的傳感器可以檢測外界任何溫度的變化，需要進行溫度補償來降低靈敏度，所以又稱為溫度補償傳感器。本系統使用雙元傳感器，其內部結構如圖6所示。當輻射信號同時透過濾光片，入射到2個傳感元件上時，由于傳感元件極性相反，干擾信號相互抵消，從而能夠對環境溫度的變化、背景輻射和受振動產生的隨機噪聲起到良好的補償作用，使得在使用中性能穩定可靠。

菲涅爾透鏡（螺紋透鏡）相當于傳感器探測元的眼睛，它有兩個作用：（1）將外界輻射的紅外信號匯聚到PIR窗口上；（2）它的特殊結構如圖7所示，由于它的特殊結構可將探測區域內分為若干個交替變化的明區和暗區，當物體在探測區域內移動便以溫度變化的形式在PIR產生熱釋電紅外信號，這個信號是整個響應系統的中樞神經。

紅外熱釋電處理芯片BISS0001，芯片由運算放大器、狀態控制器、電壓比較器和延遲時間定時器、封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路。用此芯片先對紅外熱釋電信號進行第一級放大，然后由C2耦合，再進行第二級的放大，然后經電壓比較器進行雙向鑒幅處理。該電路可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾。電路圖如8所示。endprint

3.2 微控制芯片

針對本系統的應用場合，選擇一款高性能、低功耗的微處理器是很有必要的。在此選擇16位單片機MSP430系列的代表作MSP430F149系列微處理器。其最小系統如下圖9所示，由微控制芯片對前端輸出的熱釋電紅外信號進行響應，根據適用場合的實際情況控制語音電路、聲光報警電路、以及監控探頭視頻錄像傳輸等電路協調有序的配合工作，是整個系統正常工作的核心樞紐。

3.3 語音錄放模塊

ISD1420芯片是優質的語音錄放電路，此芯片采用CMOS技術，多電平直接模擬量存儲技術，具有前置放大器、自動增益控制電路、振蕩器、語音存儲單元、抗干擾濾波器、輸出放大器組成，能夠自然真實的再現語音、音樂的音調效果。內部框圖如10所示：

該系列單片錄放時間為8～20秒，具有高音質、自然語音還原技術，最小系統外圍元器件少、功耗低等優點。

3.4 監控探頭

當入侵目標進入探測范圍，產生相應的紅外信號再由微控制器控制監控探頭開啟工作模式，對目標錄像或者拍照。電力網絡IP攝像頭，此攝像頭由兩部分組成，前端是一只500M的PLC橋接器，智能攝像頭終端為集成了500M電力貓PLC橋接器功能的電力網絡IP攝像頭。電力網絡IP攝像頭設置簡單安裝方便，只需將電力貓連接到無線路由器上，連接好PLC適配器的電源插頭，可以使用現有的插座和電線來傳輸視頻信號，無需額外布線，內置紅外LED可以晝夜監控，采用P2P技術，AES加密傳輸，能夠有效的保證監控數據安全傳輸，可以通過手機網絡和WiFi網絡遠程隨時查看關注的對象和目標，可以通過手動云臺控制鏡頭上下調節和左右旋轉。

4 結束語

本系統采用模塊電路設計，具有接線簡單，成本低廉，功耗低，抗干擾能力強的優點，用戶可以根據應用場合來選擇適合的模式（聲光報警、監控拍照、視頻錄播、語音播報），不同模塊之間可以相互通信，對目標的動向做出預算，進行跟蹤從而實現智能安防響應，即實現了實時安防，也降低了設備運行的功耗，還節約了磁盤的存儲空間。

參考文獻：

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