基于三边定位原理的热释电红外智能讲解系统

方志鹏 谢正华 王帅

摘  要：当今中国人们旅游日益频繁，景区的接待能力亟待提高。针对景区讲解服务薄弱这个环节，在研究了三边定位原理及热释电红外效应之后，依托MT7688AN嵌入式系统，设计了一种基于三边定位原理的热释电红外线智能讲解系统。本系统利用热释电红外探测目标（人体），使用三边定位原理进行目标（人体）定位，在确认目标（人体）在特定区域内后启动对应讲解器播放对应讲解音频或视频片段。有效地降低了景区的人力成本，改善并提高了人们的游览体验。

关键词：三边定位;热释电;BISS0001;MT7688AN

中图分类号：TP212         文献标志码：A         文章编号：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

国民经济蓬勃发展，人民生活水平不断提高，物质和精神方面的追求日趋强烈，每逢节假日人们都会前往景区游览，放松心情，陶冶情操，增进家人之间和朋友之间的情感。景区的接待能力，配套设施，包括硬件和软件方面都亟待改善和提高，以适应不断增加的人流量，更好地为游客服务，增加游客的游览体验。智能化的景区设备势在必行。

本文简述了热释电效应的原理，热释电红外传感器工作原理与特点。同时阐述了三边定位原理及实现方式，设计了基于三边定位原理的热释电红外信号采集器，并利用MT7688AN通过TCP/IP发送数据给上位机，上位机处理接收到的数据实现目标（人体）侦测与定位，继而根据定位信息启动对应区域的讲解播放器进行音频或视频的播放，从而实现景区智能讲解的功能。

1 热释电效应及三边定位原理

所谓热释电效应[1][2]就是外界温度变化导致晶体内部产生自发极化的现象。即在晶体表面温度发生改变时，在晶体的两端就会产生一定数量的电荷。通常来说晶体处于平衡状态，即晶体表面的正电荷与负电荷相等，当晶体温度差产生并超过限值时，就会打破原有的平衡状态，电荷发生移动，产生电流，继而形成电势差，输出电压。

正是由于热释电效应的存在，才会产生热释电红外传感器，这种传感器可以对红外辐射进行检测。利用具有热释电效应特征的材料制成的传感器被称为热释电红外传感器[3]。其工作过程可分为三个步骤：第一步，当接收到红外辐射后，晶体材料表面温度发生变化;第二步，由于晶体材料表面温度发生改变，从而导致电极上的电荷密度发生变化，打破原有平衡;第三步，电荷密度改变导致电荷转移，电荷移动到外部电路或阻抗电路从而产生电压信号。热释电红外传感器最主要的特点是传感器表面積与温度的变化量与受到红外辐射产生的电流成正比。其公式如下：

其中I为电流，ps为热释电系数，SA为热释电传感器的表面积，ΔT为传感器表面温度变化。

三边目标定位是一种常用的定位算法[4]。假设一个等边三角形的三个顶点的坐标分别为A1（x1，y1），A2（x2，y2），A3 （x3，y3），待测位置的坐标为P（x，y）。三个传感器节点中心分别对应等边三角形的三个顶点，每个传感器节点由三个热释电红外传感器组成同心圆，每个传感器节点遮挡掉其中的两部分，裸露出一部分，具体遮挡示意图如图1所示。

图中白色部分为遮挡区，黑色部分为裸露区。由于三个传感器距离很近，我们近似认为三个传感器的感知范围是一致的。将传感器节点布置在室内顶部，向下感知。单个传感器节点可初步定位目标（人体），设传感器节点中心到目标（人体）的水平距离为d，确定目标（人体）所在传感器节点中三个热释电红外传感器所在环数为n，感知区域最大半径为m，则有：

2 信号采集设计与实现

有了上面的理论基础与设计思路，便可开始热释电红外传感器节点的设计，本文采用RE200B热释电红外传感器，该传感器采用双元设计，工作波长7-14μm，正好覆盖目标（人体）红外线辐射的波长范围。RE200B与BISS0001组合完成信号的调理，具体电路图如图2所示。

BISS0001是一款具有较高性能的传感器信号处理集成电路[5]，辅以热释电红外传感器及少量的外围电路即可构成被动式热释电红外开关。当有目标（人体）在感应区域范围内活动时能够输出稳定的3.3V电压，没有目标（人体）时电压为0，然后输入ADC电路。LTC1867L是八路16位ADC芯片，该ADC的输入电压范围要求在0-3.3V，正好与BISS0001的输出电压相匹配。经过AD转换后的数字信号被MT7688AN采集后，通过TCP/IP以有线或无线的方式发送给上位机，上位PC机收到数据后进行三边目标定位的算法处理，上位机再根据结果判断目标（人体）所属区域，开启对应区域的讲解播放器进行音频或视频的播放，从而实现景区智能讲解的功能。

3 软件设计与实现

MT7688AN（下位机）使用OpenWrt SDK[6]开发工具，OpenWrt是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件和扩展性。提供100多种已编译好的软件，大大简化了开发软件的工序。

下位机数据采集流程图如图3所示。首先初始化各模块，然后开始探测目标（人体），即采集热释电红外传感器的数据。当其中一个传感器节点发现目标（人体）时向相邻的两个传感器节点发送采集数据指令，接着确认是否有反馈数据（n，m），如有反馈数据则将三个传感器节点的数据发送至上位机，如无则重新开始目标（人体）探测。

上位机接收到数据后根据三边定位原理进行处理得出目标（人体）位置，判断目标（人体）所属区域，如在讲解区域内则开启对应区域内的播放器进行音频或视频的循环播放。如下一个周期没有接收到下位机上传的数据则说明刚才区域内没有目标（人体），当前讲解片段结束后停止播放。

4 结束语

针对景区讲解服务薄弱的环节，设计了一种基于三边定位原理的热释电红外线智能讲解系统。在解释了热释电效应原理及三边定位原理的基础上给出了探测及定位目标（人体）的具体算法，设计了信号采集电路，给出了软件设计流程。该系统具有较好的应用前景。

参考文献：

[1]刘冬梅，陈实，李元昕，等.铁电薄膜热释电非制冷红外传感器研究[J].仪表技术与传感器，2004（2）：3-4，28.

[2]狄文宁，刘林华，赵祥永，等.基于动态法的高灵敏度热释电系数测试系统[C]//第15届全国晶体生长与材料学術会议，2009：13-22.

[3]尚中锋，郭景华，祁明锋，等.热释电红外传感器[J].城市建设理论研究，2012，36（21）：90-93.

[4]马珏.基于三边测距和质心的三边质心网络定位算法[D].江苏广播电视大学，2013.

[5]李育红.基于BISS0001的热释电红外开关[J].科学之友，2011，14（478）：22.

[6]梁业彬.基于OpenWrt的智能家具通用网关的设计与实现[D].山东大学，2018.