對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，尤其是物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員來說，越來越多的任務(wù)是檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域中是否有人存在。這些應(yīng)用不盡相同，包括安保、照明和一般樓宇自動(dòng)化，但它們都面臨著相同的挑戰(zhàn)：如何實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效、可靠的檢測(cè)。

　　本文將討論可靠人體檢測(cè)的重要性，以及為什么流行的存在傳感器（如攝像頭和普通熱傳感器）通常不是最佳的感測(cè)模式。接著會(huì)介紹智能熱傳感器，以及如何與微控制器結(jié)合使用，以經(jīng)濟(jì)高效的方式輕松解決可靠的存在感測(cè)問題。

　　傳感器故障可能代價(jià)高昂

　　如果存在感測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)檢測(cè)失敗或錯(cuò)誤，會(huì)帶來從不方便到代價(jià)高昂等各種各樣的結(jié)果。例如，對(duì)于照明，檢測(cè)失敗意味著必須手動(dòng)去打開燈。誤報(bào)會(huì)導(dǎo)致昂貴的照明費(fèi)用。這同樣適用于樓宇自動(dòng)化；現(xiàn)在通?？梢岳梦锫?lián)網(wǎng)，根據(jù)人體存在情況對(duì) HVAC 系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程優(yōu)化。對(duì)于安保，誤報(bào)可能會(huì)導(dǎo)致假警報(bào)，如果必須打電話給當(dāng)?shù)鼐?，則可能會(huì)代價(jià)高昂。檢測(cè)失敗可能導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失或人身傷害。

　　在上述每一種情況下，都必須高度可靠地檢測(cè)一個(gè)人或多個(gè)人。攝像頭與智能軟件配合使用時(shí)，其表現(xiàn)優(yōu)異。但是，如果不需要直播或存儲(chǔ)的視頻源，這可能就有點(diǎn)浪費(fèi)，并且其完全依賴于相關(guān)軟件的可靠性。視頻還有假設(shè)前提：人在視頻中很容易被識(shí)別為人體，并且處于攝像頭的清楚視野中且不會(huì)被箱子或隔斷墻遮擋。

　　普通的熱傳感器可以檢測(cè)人體熱量的存在，但缺乏檢測(cè)運(yùn)動(dòng)或識(shí)別人數(shù)的任何智能技術(shù)。

　　通過智能簡(jiǎn)化性實(shí)現(xiàn)可靠性

　　要實(shí)現(xiàn)可靠性和成本之間的適當(dāng)平衡，解決方案來自于 Omron Electronics Components 的 D6T 系列智能熱傳感器。D6T 專為檢測(cè)傳感器熱檢測(cè)范圍內(nèi)的人體而設(shè)計(jì)，每個(gè)傳感器在硅鏡頭后面都有 1 個(gè)、8 個(gè)或 16 個(gè)熱電堆傳感器芯片，并配有定制 ASIC 來處理輸出（圖 1）。

　　圖 1：Omron 的 D6T 系列熱傳感器比郵票小，可自動(dòng)將紅外光轉(zhuǎn)換為攝氏溫度 （°C） 矩陣。（圖片來源：Omron）

　　鏡頭可收集設(shè)備檢測(cè)范圍內(nèi)的紅外輻射，并將其聚焦在熱電堆傳感器上。紅外輻射的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于該范圍內(nèi)物體的表面溫度。熱電堆將紅外輻射的強(qiáng)度作為電阻來測(cè)量，該電阻將饋送至機(jī)載的定制 ASIC。ASIC 將電阻轉(zhuǎn)換為溫度 （°C），而微控制器會(huì)通過 I2C 串行接口來獲取該溫度?？蓹z測(cè)的溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。

　　簡(jiǎn)單檢測(cè)

　　D6T 產(chǎn)品系列中最簡(jiǎn)單的傳感器是 D6T-1A-01。它的鏡頭后面只有一個(gè)熱電堆傳感器，因此輸出一個(gè)溫度。硅鏡頭在 X 和 Y 方向上均具有 58.0 度的視角 （FOV）。視角對(duì)于識(shí)別其范圍內(nèi)的人員非常重要。對(duì)于 D6T-1A-01，如果一個(gè)人完全填滿其 58.0 度 X 和 Y 視角，則單熱電堆傳感器的讀數(shù)將是此人的輻射表面溫度。但是，如果此人沒有完全填滿視角，則單熱電堆傳感器的溫度讀數(shù)將是人體的紅外輻射加上背景輻射的組合（圖 2）。

　　圖 2：在單 D6T 熱電堆傳感器的視角內(nèi)，人靠得越近，熱檢測(cè)就越準(zhǔn)確，因?yàn)槿藢?huì)填充更多的視角。（圖片來源：Omron）

　　對(duì)于更集中的檢測(cè)區(qū)域，Omron 的 D6T-1A-02 同樣只配備一個(gè)熱電堆傳感器，但硅鏡頭的視角更窄，為 26.5 度。

　　房間內(nèi)的復(fù)雜檢測(cè)

　　對(duì)于更復(fù)雜的存在檢測(cè)要求，D6T-44L-06 微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 熱傳感器配備 16 個(gè)熱電堆傳感器，構(gòu)成一個(gè) 4x4 矩陣。這使得 D6T 不僅可以檢測(cè)是否存在人體，還可以檢測(cè)多個(gè)人的位置和移動(dòng)（圖 3）。此傳感器的視角為 X 方向 44.2 度，Y 方向 45.7 度，值得注意的是它通過了 AEC-Q100 認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用。

　　圖 3：Omron 的 D6T-44L-06 熱傳感器可通過其 4x4 熱傳感器矩陣檢測(cè)房間內(nèi)的多個(gè)人。對(duì)于該示例，溫度分布檢測(cè)結(jié)果以顏色表示表面溫度，其中紅色代表最高溫度，然后依次是橙色、黃色、深綠色、綠色、青色和代表最低溫度的藍(lán)色。（圖片來源：Omron）

　　在 D6T-44L-06 檢測(cè)一個(gè)房間內(nèi)兩個(gè)人的典型場(chǎng)景中，圖 3 中的第一幅圖顯示房間中沒有人，由冷藍(lán)綠色表示。第二幅圖顯示了房間里并排坐著兩個(gè)人。仔細(xì)檢查表明，各個(gè)傳感器檢測(cè)到的表面溫度（大致由底部的顏色表示）與人體填充傳感器區(qū)域的面積成正比。人體的輻射熱量加熱了地板，以黃色表示。

　　第三幅圖顯示了人站起來向右走出房間后的溫度。請(qǐng)注意，由于他們先前的位置，以及他們?cè)诳騼?nèi)從左向右移動(dòng)，仍然存在一些殘余表面溫度。

　　對(duì)于所有這三種情況，特別是對(duì)于最后一幅圖，當(dāng)兩個(gè)人從房間中離開時(shí)，由固件開發(fā)人員根據(jù)當(dāng)前和過去的表面溫度讀數(shù)來辨別姿勢(shì)、位置和移動(dòng)?？紤]一下，如果最初沒有人在房間中，如第一幅圖所示，然后一個(gè)人從右側(cè)進(jìn)入房間，如第三幅圖所示，則第三幅圖的溫度分布檢測(cè)結(jié)果將大不相同。

　　縮小檢測(cè)范圍

　　對(duì)于更窄的檢測(cè)范圍，D6T-8L-09 使用 1x8 MEMS 熱傳感器矩陣（圖 4）。該傳感器具有 54.5 度的寬 X 方向視角，5.5 度的窄 Y 方向視角。

　　圖 4：Omron 的 D6T-8L-09 使用 1x8 熱傳感器矩陣，具有 5.5 度的窄 Y 方向視角，因而適合掃描應(yīng)用。（圖片來源：Omron）

　　借助 D6T-8L-09，可以開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，用于掃描穿過過道的人。如果放置于過道盡頭的門入口之前，這可能特別有用。在任何水平方向上均可以檢測(cè)移動(dòng)。該裝置還可用于檢測(cè)梯子上的垂直移動(dòng)或?qū)⑵鋬A斜以檢測(cè)樓梯上的移動(dòng)。

　　對(duì)于使用 D6T 系列的設(shè)計(jì)人員來說，令人欣慰的是，所有 D6T 設(shè)備均配備相同的連接器接口，如圖 4 中間的繪圖所示。它們同樣使用 I2C 接口與任何兼容的微控制器進(jìn)行通信。為了便于開發(fā)，Omron 提供了 D6T-HARNESS-02 電纜，可牢固連接至任何 D6T MEMS 傳感器。

　　要充分利用傳感器，務(wù)必使放到硅鏡頭上的任何覆蓋物都不會(huì)降低傳感器對(duì)紅外輻射的靈敏度。如果需要覆蓋物，則覆蓋物材料必須能讓輻射熱穿透。雖然諸如高密度聚乙烯 （HDPE） 等材料具有此特性，但材料仍應(yīng)盡可能薄。

　　在微控制器系統(tǒng)中使用 D6T

　　對(duì)于獨(dú)立的嵌入式應(yīng)用，D6T 系統(tǒng)應(yīng)連接至專用于該任務(wù)的微控制器，尤其是在應(yīng)用于安保的情況下。來自 STMicroelectronics 的 STM32L073VZ 微控制器足夠強(qiáng)大，應(yīng)可執(zhí)行 D6T 應(yīng)用的數(shù)字運(yùn)算（圖 5）。它基于配備內(nèi)存保護(hù)單元 （MPU） 的 Arm? Cortex?-M0+ 內(nèi)核。該內(nèi)核可以在 32 千赫茲 （kHz） 與 32 兆赫茲 （MHz） 之間的任何時(shí)鐘頻率上工作，并由 192 KB 的閃存，20 KB 的 SRAM 和 6 KB 的 EEPROM 提供支持。該微控制器在 1.65 V 和 3.6 V 之間的電壓軌上運(yùn)行，消耗電流為 0.29 微安 （μA）。它配備多個(gè)串行接口，包括一個(gè)帶有專用 DMA 通道的 I2C 接口，以及 USB 2.0 和 LCD 驅(qū)動(dòng)器。

　　圖 5：在開發(fā)獨(dú)立的嵌入式存在感測(cè)系統(tǒng)時(shí)，基于 Arm Cortex-M0 的 STM32L073VZ 微控制器可與 D6T 智能熱傳感器完美配合。（圖片來源：STMicroelectronics）

　　在存在感測(cè)應(yīng)用中，STM32L073VZ 的眾多特性與 D6T 相得益彰。例如，6 KB 的內(nèi)部 EEPROM 可用于存儲(chǔ)自定義房間識(shí)別信息，該信息可能會(huì)根據(jù) D6T 系統(tǒng)的位置而變化。USB 2.0 接口可用于將過去的入侵信息（例如所記錄檢測(cè)事件的時(shí)間戳和識(shí)別的人數(shù)）下載到 PC。這些信息可以存儲(chǔ)在 20 KB 的 RAM 或 EEPROM 中，而 192 KB 的閃存足以存儲(chǔ)識(shí)別算法。

　　LCD 驅(qū)動(dòng)器外設(shè)可以連接到外部 LCD 顯示器，從而顯示檢測(cè)事件的運(yùn)行計(jì)數(shù)。該微控制器的 24 通道電容式感應(yīng)外設(shè)可以檢測(cè)電容式鍵盤上是否存在手指以配置系統(tǒng)，也可以連接至安保系統(tǒng)中的電容式觸摸傳感器。配備的兩個(gè) 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 可與揚(yáng)聲器連接，提供合成語音或聲音報(bào)警。處理器的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 可與溫度傳感器連接，以檢測(cè)可能影響 D6T 靈敏度的環(huán)境溫度。對(duì)于照明自動(dòng)化應(yīng)用，ADC 可以連接到光傳感器以檢測(cè)燈是否成功打開。

　　對(duì)于樓宇安保應(yīng)用，STM32L073VZ 上的代碼存儲(chǔ)器可以通過微控制器的內(nèi)部防火墻進(jìn)行保護(hù)。該防火墻可保護(hù)內(nèi)部存儲(chǔ)器不會(huì)由外部接口讀取，即使連接了調(diào)試器。

　　使用 STM32L073VZ 讀取 D6T 內(nèi)部的值時(shí)，需要通過 I2C 接口讀取寄存器。D6T-1A 設(shè)備具有一個(gè)寄存器 （P0），用于讀取單個(gè)熱傳感器，D6T-8L 設(shè)備有 8 個(gè)寄存器 （P0-P7），而 D6T-44L 有 16 個(gè)寄存器 （P0-P15）。

　　讀取 D6T 的數(shù)據(jù)

　　通過 I2C 接口從 D6T 讀取溫度數(shù)據(jù)，這是一項(xiàng)相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)。每次微控制器從 D6T 讀取數(shù)據(jù)時(shí)，輸出格式均相同。首先，發(fā)送內(nèi)部參考溫度的值，接著發(fā)送所有溫度傳感器的值，最后是 CRC-8 數(shù)據(jù)包校驗(yàn)和。在 D6T 傳感器上無需進(jìn)行任何配置或?qū)懭肴魏螖?shù)據(jù)。D6T ASIC 通過硬連線每 250 毫秒 （ms） 獲取一次新的傳感器讀數(shù)，從而允許通過 I2C 總線獲取傳感器讀數(shù)，每秒四次。該 I2C 接口支持最高 100 kHz 的速度。

　　溫度讀數(shù)為 16 位帶符號(hào)數(shù)據(jù)，其值代表 °C 溫度的十倍，因此如果溫度讀數(shù)為 0x01D7，則轉(zhuǎn)換為 471，即 47.1°C。如果寄存器顯示 0xFF06，則轉(zhuǎn)換為 -250，即 -25.0°C。

　　Omron 提供 I2C 庫函數(shù)，可用于讀取 D6T 系列傳感器的溫度值。請(qǐng)注意，D6T-1A-01、D6T-1A-02 和 D6T-8L-09 不支持 I2C 時(shí)鐘拉伸，因此如果它們無法跟上，將無法減慢 I2C 主時(shí)鐘的速度。如果需要，微控制器固件可能必須提供此功能。

　　實(shí)用的檢測(cè)技術(shù)

　　當(dāng)檢測(cè)區(qū)域中的人時(shí)，開發(fā)人員應(yīng)首先對(duì)空區(qū)域取樣，以確定環(huán)境條件的表面溫度，然后在該區(qū)域中存在人員時(shí)獲取讀數(shù)。通過將 STM32L073VZ 中的 ADC 連接到溫度傳感器，可以將環(huán)境溫度考慮進(jìn)任何檢測(cè)算法中。

　　由于每個(gè)房間的情況都不同，因此很難給出存在檢測(cè)的一般指導(dǎo)原則。但是，一種檢測(cè)方法是尋找一個(gè)或多個(gè)熱電堆傳感器中的突然升溫。如圖 3 中的示例所示，當(dāng)人離開某個(gè)區(qū)域時(shí)，地板或家具上可能會(huì)留有較高的殘余表面溫度。雖然檢測(cè)兩個(gè)人或更多人比檢測(cè)一個(gè)人更復(fù)雜，但是當(dāng)基本檢測(cè)技術(shù)對(duì)升溫進(jìn)行分類時(shí)并不困難。

　　在開發(fā)過程中校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)，可以通過將要檢測(cè)的升溫變?yōu)楣碳械淖兞縼碚{(diào)整系統(tǒng)的靈敏度，該變量最終存儲(chǔ)在 STM32L073VZ 的 EEPROM 中。校準(zhǔn)應(yīng)在不同的室溫，采用各種空調(diào)和熱源設(shè)置，以及存在穿著 T 恤或冬裝夾克的人員的情況下進(jìn)行。

　　總結(jié)

　　對(duì)于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來說，存在檢測(cè)是一項(xiàng)越來越重要的功能，它需要在成本、便利性和有效性之間取得適當(dāng)?shù)钠胶?。Omron 的 D6T 系列智能表面溫度傳感器解決了這一平衡問題，使設(shè)計(jì)人員能夠快速進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，并開發(fā)出能夠檢測(cè)區(qū)域內(nèi)多人存在的系統(tǒng)。與配備一組靈活外設(shè)的 STM32L073V 微控制器配合使用，可以開發(fā)出簡(jiǎn)單、可靠且易于定制的檢測(cè)系統(tǒng)。