Design hurtigt et system til pålidelig følelse af menneskelig tilstedeværelse

Designere af indlejrede systemer, især dem til IoT-applikationer (Internet of Things), får i stigende grad til opgave at opdage tilstedeværelsen af mennesker i et målområde. Applikationerne varierer for at omfatte sikkerhed, belysning og generel bygningsautomation, men de deler alle udfordringen med omkostningseffektiv, pålidelig detektion.

Denne artikel vil diskutere vigtigheden af pålidelig påvisning af menneskelig tilstedeværelse, og hvorfor populære tilstedeværelsessensorer såsom kameraer og almindelige termiske sensorer ofte ikke er den optimale sensormodalitet. Derefter introducerer det smarte termiske sensorer, og hvordan de kan bruges med en mikrocontroller til omkostningseffektiv og simpelthen at løse problemet med pålidelig tilstedeværelsesregistrering.

Sensorfejl kan være dyrt

Konsekvenserne af en mislykket eller falsk detektion i et tilstedeværelsesregistreringssystem spænder fra det ubelejlige til det dyre. For eksempel med belysning betyder manglende registrering, at nogen skal manuelt tænde lysene. En falsk positiv kan føre til en dyr lysregning. Det samme gælder bygningsautomation, hvor HVAC'er ofte ofte er optimeret eksternt omkring menneskelig tilstedeværelse ved hjælp af IoT. For sikkerheds skyld kan en falsk positiv resultere i en falsk alarm, hvilket kan være dyrt, hvis det lokale politi skal tilkaldes. Manglende registrering kan resultere i tab af ejendom eller personskade.

I hver af disse situationer skal en eller flere personer påvises med en høj grad af pålidelighed. Kameraer er gode, når de bruges med intelligent software. Men hvis et live eller gemt videofeed er unødvendigt, kan dette være for stort, såvel som at være helt afhængigt af pålideligheden af den tilknyttede software. Video antager også, at personer let kan genkendes som mennesker på video, og at de er i almindeligt billede af kameraerne og ikke tilsløres af kasser eller kabinevægge.

Almindelige termiske sensorer kan registrere tilstedeværelsen af menneskelig kropsvarme, men mangler intelligens til at detektere bevægelse eller identificere antallet af personer.

Pålidelighed gennem smart enkelhed

Løsningen til at opnå den rette balance mellem pålidelighed og omkostninger ligger iD6T serie af smarte termiske sensorer fraOmron Electronics Components . Hver D6T er designet specielt til at detektere menneskelig tilstedeværelse inden for sensorernes termiske detektionsområder, og har enten 1, 8 eller 16 termopil-sensorchips bag en siliciumlinse med en brugerdefineret ASIC til at behandle output (figur 1).

Figur 1: Omron D6T-serien af termiske sensorer er mindre end et frimærke og konverterer automatisk infrarødt lys til en matrix med temperaturer på Celsius (° C). (Billedkilde: Omron)

Linsen samler infrarød stråling inden for detektionsområdet for enheden og fokuserer den på termopilssensorerne. Intensiteten af den infrarøde stråling svarer til overfladetemperaturen på objekterne i det område. Termopælerne måler intensiteten af den infrarøde stråling som en modstand, der tilføres en brugerdefineret ASIC om bord. ASIC konverterer modstanden mod temperatur (° C), som er tilgængelig for en mikrocontroller over en I² C seriel grænseflade. Det detekterbare temperaturområde er fra -40 ° C til + 85 ° C.

Enkel detektion

Den enkleste sensor i D6T-produktlinjen erD6T-1A-01 . Den har en enkelt termopilesensor bag linsen, så den udsender en enkelt temperatur. Siliciumobjektivet har et synsfelt (FOV) på 58,0 grader i både X- og Y-retninger. FOV er vigtig for at identificere personer inden for dets anvendelsesområde. For D6T-1A-01, hvis en person fuldstændigt udfylder sine 58,0 grad X- og Y-FOV'er, vil aflæsningen for den enkelte termopælesensor være personens udstrålede overfladetemperatur. Men hvis personen ikke fuldstændigt udfylder FOV'en, vil temperaturaflæsningen for en enkelt termopilesensor være en kombination af personens infrarøde stråling plus baggrundsstrålingen (figur 2).

Figur 2: Inden for FOV for en enkelt D6T termopilssensor, jo tættere en person er, jo mere nøjagtig er den termiske detektion, fordi en person vil udfylde mere af FOV. (Billedkilde: Omron)

For et mere fokuseret detektionsområde, OmronD6T-1A-02 har også en enkelt termopilesensor, men siliciumobjektivet har en smallere FOV på 26,5 grader.

Sofistikeret afsløring i et rum

For mere sofistikerede tilstedeværelsesdetekteringskrav,D6T-44L-06 mikroelektromekaniske systemer (MEMS) termisk sensor har 16 termopile sensorer i en 4x4 matrix. Dette gør det muligt for D6T ikke kun at opdage menneskelig tilstedeværelse, men også detektere placering og bevægelse for mere end en person (figur 3). Denne sensors FOV er 44,2 grader X, 45,7 grader Y, og det er værd at bemærke, at den er AEC-Q100 kvalificeret til bilapplikationer.

Figur 3: Omron D6T-44L-06 termisk sensor kan registrere flere personer i et rum med sin 4x4 termiske sensormatrix. I dette eksempel repræsenterer temperaturfordelingsdetekteringsresultatet overfladetemperatur som farver med rød til den hotteste detektion, til orange, gul, mørkegrøn, grøn, cyan og blå repræsenterer den koldeste. (Billedkilde: Omron)

I et typisk scenario med D6T-44L-06, der registrerer to personer i et rum, viser det første billede i figur 3 ingen i et rum, som er repræsenteret af kølige blågrønne farver. Det andet billede viser to personer i rummet side om side. En nøje undersøgelse viser, at overfladetemperaturen, der registreres af de enkelte sensorer, groft repræsenteret af farver i bunden, er proportional med, hvor meget personens krop fylder sensorområdet. Folks udstrålede varme varmer gulvet, repræsenteret af gul.

Det tredje billede viser temperaturen, efter at folket har rejst sig og gået til højre ud af rummet. Bemærk, at der stadig er en vis rest overfladetemperatur som et resultat af deres tidligere positioner, og også som et resultat af deres bevægelse fra venstre mod højre af rammen.

I alle tre situationer og især for det sidste billede, når de to personer flytter fra rummet, er det op til firmwareudvikleren at skelne mellem position, placering og bevægelse baseret på nuværende og tidligere overfladetemperaturmålinger. Overvej, at hvis ingen oprindeligt var i rummet som på det første billede, og en person kom ind i rummet fra højre som repræsenteret i det tredje billede, ville temperaturfordelingsdetekteringsresultatet for det tredje billede være meget anderledes.

Indskrænkning af detektionsfeltet

For et meget smallere detektionsfelt,D6T-8L-09 bruger en 1x8 MEMS termisk sensormatrix (figur 4). Denne sensor har en bred X FOV på 54,5 grader med en smal Y FOV på 5,5 grader.

Figur 4: Omron D6T-8L-09 bruger en 1x8 termisk sensormatrix med en smal Y FOV på 5,5 grader, der gør den velegnet til scanningsapplikationer. (Billedkilde: Omron)

Med D6T-8L-09 kan der udvikles et system til at scanne efter mennesker, når de bevæger sig gennem en gang. Dette kan være særligt nyttigt, hvis det placeres lige før indgangen til en dør i slutningen af en korridor. Bevægelse kan detekteres i enhver vandret retning. Denne enhed kan også bruges til at registrere lodret bevægelse på en stige eller vinklet til at registrere bevægelse på en trappe.

For designere, der bruger D6T-serien, er det betryggende at bemærke, at alle D6T-enheder deler den samme stikgrænseflade, som vist i den midterste tegning i figur 4. De bruger også et jeg² C-interface til at kommunikere med enhver kompatibel mikrocontroller. For at lette udviklingen tilbyder OmronD6T-HARNESS-02 kabel, der tilsluttes sikkert til enhver D6T MEMS-sensor.

For at få mest muligt ud af sensorerne er det vigtigt, at ethvert dæksel, der lægges over siliciumobjektivet, ikke nedsætter følsomheden af sensoren over for infrarøde emissioner. Hvis et dæksel er nødvendigt, skal dækmaterialet lade strålevarme trænge ind. Mens materialer som højdensitetspolyethylen (HDPE) muliggør dette, skal materialet stadig være så tyndt som muligt.

Brug af D6T i et mikrokontrollersystem

For en selvstændig integreret applikation skal et D6T-system grænseflade til en mikrocontroller dedikeret til opgaven, især hvis applikationen er af sikkerhed. DetSTM32L073VZ mikrokontroller fraSTMikroelektronik skal være tilstrækkelig kraftig til at udføre antallet af knasende numre til en D6T-applikation (figur 5). Den er baseret på Arm® Cortex®-M0 + -kernen med en hukommelsesbeskyttelsesenhed (MPU). Kernen kan være uret mellem 32 kilohertz (kHz) og 32 megahertz (MHz) og understøttes af 192 Kbytes flash, 20 Kbytes SRAM og 6 Kbytes EEPROM. Mikrocontrolleren kører fra en spændingsskinne mellem 1,65 og 3,6 volt og bruger 0,29 mikroampere (µA). Den har flere serielle grænseflader, herunder et I² C-interface med en dedikeret DMA-kanal samt USB 2.0 og en LCD-driver.

Figur 5: Den Arm Cortex-M0-baserede STM32L073VZ mikrocontroller er godt matchet med de D6T smarte termiske sensorer, når der udvikles et selvstændigt indlejret tilstedeværelsesfølersystem. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Mange af STM32L073VZ-funktionerne komplimenterer D6T i en tilstedeværelsesfølsom applikation. For eksempel kan de 6 Kbytes internt EEPROM bruges til at gemme brugerdefinerede rumidentificeringsoplysninger, der kan ændre sig baseret på placeringen af D6T-systemet. USB 2.0-grænsefladen kan bruges til at downloade information til en pc om tidligere indtrængen såsom tidsstempler for loggede påvisningshændelser og antallet af identificerede personer. Disse oplysninger kan gemmes i 20 kbyte RAM eller EEPROM, mens 192 kbyte flashhukommelse er nok til at gemme identificerende algoritmer.

LCD-driverens perifere udstyr kan interface til et eksternt LCD-display, der kan vise et løbende antal registreringshændelser. Mikrocontrollerens 24-kanals kapacitive sensing perifere kan detektere tilstedeværelsen af en finger på et kapacitivt tastatur til konfiguration af systemet eller kan interface til en kapacitiv berøringssensor i et sikkerhedssystem. To 12-bit digital-til-analoge konvertere (DAC'er) er tilgængelige, der kan interface til en højttaler for at give en syntetisk stemme eller en hørbar alarm. Processorens 12-bit analog-til-digital-konverter (ADC) kan interface til en temperatursensor for at registrere omgivelsestemperaturer, der kan påvirke følsomheden af D6T. For en belysningsautomatiseringsapplikation kan ADC oprette forbindelse til en lyssensor for at registrere, om lysene blev tændt.

Til opbygning af sikkerhedsapplikationer kan kodehukommelse på STM32L073VZ beskyttes med mikrocontrollerens interne firewall. Firewall beskytter intern hukommelse mod at blive læst af en ekstern grænseflade, selvom der er tilsluttet en fejlfinding.

Brug af STM32L073VZ til at læse værdierne inde i en D6T kræver læsning af registre over I² C-grænseflade. D6T-1A-enhederne har et register (P0) til at læse den enkelte termiske sensor, D6T-8L-enhederne har otte registre (P0-P7), og D6T-44L har seksten registre (P0-P15).

Læsning af data fra en D6T

Aflæsning af temperaturdata fra en D6T med I² C-interface er en relativt enkel opgave. Hver gang mikrokontrolleren læser data fra en D6T, er outputformatet det samme. Først sendes værdien af den interne referencetemperatur efterfulgt af værdierne for alle temperatursensorer, og sidst er CRC-8-pakkekontrolsummen. Der er ikke noget at konfigurere eller skrive på D6T-sensorer. D6T ASIC er hårdt kablet til at tage nye sensoraflæsninger hver 250 millisekunder (ms), hvilket giver mulighed for sensoraflæsninger over I² C bus fire gange i sekundet. Jeg² C-interface understøtter en maksimal hastighed på 100 kHz.

Temperaturer læses som 16-bit signerede data, hvor værdien repræsenterer ti gange temperaturen i ° C, så hvis temperaturaflæsningen er 0x01D7, svarer det til 471, hvilket er 47,1 ° C. Hvis registre viser 0xFF06, oversættes det til -250, hvilket er -25,0 ° C.

Omron leverer jeg² C-bibliotek fungerer til at aflæse temperaturværdier fra D6T-sensorfamilien. Bemærk, at D6T-1A-01, D6T-1A-02 og D6T-8L-09 ikke understøtter I² C ur strækker sig, så de ikke er i stand til at bremse I2C master uret, hvis de ikke kan følge med. Hvis dette er påkrævet, skal mikrocontroller-firmwaren muligvis sørge for dette.

Praktiske detektionsteknikker

Når man opdager mennesker i et område, skal bygherren først tage prøveaflæsninger med området tomt for at bestemme overfladetemperaturen for de omgivende forhold og derefter tage aflæsninger med mennesker til stede i dette område. Tilslutning af ADC i STM32L073VZ til en temperatursensor gør det muligt at indregne den omgivende temperatur i enhver detektionsalgoritme.

Det er svært at give en generel retningslinje til påvisning af tilstedeværelse, da hver rumsituation vil være forskellig. En detektionsmetode er imidlertid at se efter en pludselig stigning i temperaturen i en eller flere termopile sensorer. Som det ses i eksemplet i figur 3, kan en tilbageværende overfladetemperatur, når en person forlader et område, blive hængende på gulve eller møbler. Påvisning af to eller flere personer er mere kompliceret end at detektere en person, men det er ikke svært, når den grundlæggende detektionsteknik er sortering efter en stigning i temperaturen.

Ved kalibrering af systemet under udvikling kan systemets følsomhed justeres ved at gøre temperaturstigningen, der skal detekteres, til en variabel i firmware, der eventuelt gemmes i EEPROM i STM32L073VZ. Kalibrering skal udføres ved forskellige stuetemperaturer, med forskellige indstillinger af aircondition og varme, og med personer iført T-shirts eller vinterjakker.

Konklusion

Tilstedeværelsesregistrering er en stadig vigtigere funktion for indlejrede og IoT-systemer, og den skal udføres effektivt med den passende balance mellem omkostninger, enkelhed og effektivitet. Omron D6T-serien af smarte overfladetemperatursensorer adresserer denne balance og giver designere mulighed for hurtigt at prototype og udvikle et system til at detektere tilstedeværelsen af flere personer i et område. Parret med STM32L073V-mikrocontroller, der har et fleksibelt sæt perifert udstyr, kan der udvikles et detektionssystem, der er enkelt, pålideligt og let tilpasset.