對于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計人員，尤其是物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用的設(shè)計人員來說，越來越多的任務(wù)是檢測目標(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化，但它們都面臨著相同的挑戰(zhàn)：如何實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效、可靠的檢測。

　　本文將討論可靠人體檢測的重要性，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模式。接著會介紹智能熱傳感器，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問題。

　　傳感器故障可能代價高昂

　　如果存在感測系統(tǒng)出現(xiàn)檢測失敗或錯誤，會帶來從不方便到代價高昂等各種各樣的結(jié)果。例如，對于照明，檢測失敗意味著必須手動去打開燈。誤報會導(dǎo)致昂貴的照明費用。這同樣適用于樓宇自動化；現(xiàn)在通常可以利用物聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)人體存在情況對 HVAC 系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程優(yōu)化。對于安保，誤報可能會導(dǎo)致假警報，如果必須打電話給當(dāng)?shù)鼐欤瑒t可能會代價高昂。檢測失敗可能導(dǎo)致財產(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一個人或多個人。攝像頭與智能軟件配合使用時，其表現(xiàn)優(yōu)異。但是，如果不需要直播或存儲的視頻源，這可能就有點浪費，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別為人體，并且處于攝像頭的清楚視野中且不會被箱子或隔斷墻遮擋。

　　普通的熱傳感器可以檢測人體熱量的存在，但缺乏檢測運動或識別人數(shù)的任何智能技術(shù)。

　　通過智能簡化性實現(xiàn)可靠性

　　要實現(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 專為檢測傳感器熱檢測范圍內(nèi)的人體而設(shè)計，每個傳感器在硅鏡頭后面都有 1 個、8 個或 16 個熱電堆傳感器芯片，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。紅外輻射的強度對應(yīng)于該范圍內(nèi)物體的表面溫度。熱電堆將紅外輻射的強度作為電阻來測量，該電阻將饋送至機載的定制 ASIC。ASIC 將電阻轉(zhuǎn)換為溫度 （°C），而微控制器會通過 I2C 串行接口來獲取該溫度。可檢測的溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。

　　簡單檢測

　　D6T 產(chǎn)品系列中最簡單的傳感器是 D6T-1A-01。它的鏡頭后面只有一個熱電堆傳感器，因此輸出一個溫度。硅鏡頭在 X 和 Y 方向上均具有 58.0 度的視角 （FOV）。視角對于識別其范圍內(nèi)的人員非常重要。對于 D6T-1A-01，如果一個人完全填滿其 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，熱檢測就越準(zhǔn)確，因為人將會填充更多的視角。（圖片來源：Omron）

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

　　房間內(nèi)的復(fù)雜檢測

　　對于更復(fù)雜的存在檢測要求，D6T-44L-06 微機電系統(tǒng) （MEMS） 熱傳感器配備 16 個熱電堆傳感器，構(gòu)成一個 4x4 矩陣。這使得 D6T 不僅可以檢測是否存在人體，還可以檢測多個人的位置和移動（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 熱傳感器矩陣檢測房間內(nèi)的多個人。對于該示例，溫度分布檢測結(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 檢測一個房間內(nèi)兩個人的典型場景中，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人。仔細(xì)檢查表明，各個傳感器檢測到的表面溫度（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。請注意，由于他們先前的位置，以及他們在框內(nèi)從左向右移動，仍然存在一些殘余表面溫度。

　　對于所有這三種情況，特別是對于最后一幅圖，當(dāng)兩個人從房間中離開時，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、位置和移動。考慮一下，如果最初沒有人在房間中，如第一幅圖所示，然后一個人從右側(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結(jié)果將大不相同。

　　縮小檢測范圍

　　對于更窄的檢測范圍，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移動。該裝置還可用于檢測梯子上的垂直移動或?qū)⑵鋬A斜以檢測樓梯上的移動。

　　對于使用 D6T 系列的設(shè)計人員來說，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降低傳感器對紅外輻射的靈敏度。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

　　對于獨立的嵌入式應(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 微控制器足夠強大，應(yīng)可執(zhí)行 D6T 應(yīng)用的數(shù)字運算（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 之間的電壓軌上運行，消耗電流為 0.29 微安 （μA）。它配備多個串行接口，包括一個帶有專用 DMA 通道的 I2C 接口，以及 USB 2.0 和 LCD 驅(qū)動器。

　　圖 5：在開發(fā)獨立的嵌入式存在感測系統(tǒng)時，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 可用于存儲自定義房間識別信息，該信息可能會根據(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（例如所記錄檢測事件的時間戳和識別的人數(shù)）下載到 PC。這些信息可以存儲在 20 KB 的 RAM 或 EEPROM 中，而 192 KB 的閃存足以存儲識別算法。

　　LCD 驅(qū)動器外設(shè)可以連接到外部 LCD 顯示器，從而顯示檢測事件的運行計數(shù)。該微控制器的 24 通道電容式感應(yīng)外設(shè)可以檢測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 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 可與揚聲器連接，提供合成語音或聲音報警。處理器的 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 可與溫度傳感器連接，以檢測可能影響 D6T 靈敏度的環(huán)境溫度。對于照明自動化應(yīng)用，ADC 可以連接到光傳感器以檢測燈是否成功打開。

　　對于樓宇安保應(yīng)用，STM32L073VZ 上的代碼存儲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)部存儲器不會由外部接口讀取，即使連接了調(diào)試器。

　　使用 STM32L073VZ 讀取 D6T 內(nèi)部的值時，需要通過 I2C 接口讀取寄存器。D6T-1A 設(shè)備具有一個寄存器 （P0），用于讀取單個熱傳感器，D6T-8L 設(shè)備有 8 個寄存器 （P0-P7），而 D6T-44L 有 16 個寄存器 （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)，這是一項相對簡單的任務(wù)。每次微控制器從 D6T 讀取數(shù)據(jù)時，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。請注意，D6T-1A-01、D6T-1A-02 和 D6T-8L-09 不支持 I2C 時鐘拉伸，因此如果它們無法跟上，將無法減慢 I2C 主時鐘的速度。如果需要，微控制器固件可能必須提供此功能。

　　實用的檢測技術(shù)

　　當(dāng)檢測區(qū)域中的人時，開發(fā)人員應(yīng)首先對空區(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)任何檢測算法中。

　　由于每個房間的情況都不同，因此很難給出存在檢測的一般指導(dǎo)原則。但是，一種檢測方法是尋找一個或多個熱電堆傳感器中的突然升溫。如圖 3 中的示例所示，當(dāng)人離開某個區(qū)域時，地板或家具上可能會留有較高的殘余表面溫度。雖然檢測兩個人或更多人比檢測一個人更復(fù)雜，但是當(dāng)基本檢測技術(shù)對升溫進(jìn)行分類時并不困難。

　　在開發(fā)過程中校準(zhǔn)系統(tǒng)時，可以通過將要檢測的升溫變?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)

　　對于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來說，存在檢測是一項越來越重要的功能，它需要在成本、便利性和有效性之間取得適當(dāng)?shù)钠胶狻mron 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)計人員能夠快速進(jìn)行原型設(shè)計，并開發(fā)出能夠檢測區(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)出簡單、可靠且易于定制的檢測系統(tǒng)。