1、1无线网络与移动计算课程论文题 目: 基于 MEMS 热电堆红外探测器的 家庭防盗系统 姓 名: * 学 院: 信息科技学院 专 业: * 班 级: * 学 号: * 指 导教师: * 职称: * 2017 年 6 月 15 日*大学教务处制2目 录摘要 1关键词 1Abstract1Key words11 概述 Y2 设计思路 Y3 硬件实现 Y3.1 基于 MEMS 热电堆红外探测器 Y3.1.1 红外探测器 Y3.1.2 微机械电子系统 MEMS Y3.1.3 MEMS 热电堆红外探测器 Y3.2 梯析透镜 Y3.3 STM32F103 开发板 Y3.4 NRF24L01 无线模块 Y4
2、 结论 Y参考文献Y3基于 MEMS热电堆红外探测器的家庭防盗系统*专业学生 *指导教师 *摘要：为了克服传统热释电入侵检测系统探测范围较小且仅能识别运动特征的局限性，设计了一种基于 MEMS 热电堆红外探测器的家庭防盗系统。系统基于 MEMS 技术，采用热电堆红外探测器检测入侵，利用梯析透镜扩大探测范围，通过 STM32F103 开发板进行信号处理和控制，采用 NRF24L01 无线模块实现一对多的星型拓扑无线通信。本文首先阐述了系统的整体设计思路，然后进行了相应的硬件设计。该系统具有较高的灵敏度和实时性，性能稳定，成本低，功耗小，实用性强。关键词：MEMS；热电堆红外探测器；STM32F1
3、03；NRF24L01House Anti-theft System Based on MEMS Thermopile Infrared DetectorStudent majoring in Network engineering *Tutor *Abstract：In order to overcome the limitation of the traditional detection system of detecting system with low detection range and only recognize the movement characteristics,
4、a house anti-theft system based on MEMS thermopile infrared detector is designed. The system is based on MEMS technology, the use of thermal infrared detector stack intrusion detection, expand the detection range of the ladder of lens, signal processing and control through the STM32F103 development
5、board, using NRF24L01 wireless module to realize wireless communication on a star topology much. This paper first describes the overall design of the system, and then the corresponding hardware design. The system has high sensitivity and real-time performance, stable performance, low cost, low power
6、 consumption, and strong practicability.Key words: MEMS；Thermopile Infrared Detector；STM32F103；NRF24L011 概述随着社会的发展和科技的进步，人们的居住安防意识逐渐提高，防盗报警行业也得到了一定的发展 1。红外探测技术凭借其较好的隐蔽性和环境适应性，广泛应用于红外侦查、防盗报警等领域。现有的基于红外探测器的入侵检测系统大多基于热释电红外探测器，探测范围较小且仅适用于动态目标识别，应用领域受到很大的局限 2。本文设计了一种基于 MEMS 热电堆红外探测器的家庭防盗系统，系统基于 MEMS 技术，采
7、用热电堆红外探测器检测入侵，利用梯析透镜扩大探测范围，通过 STM32F103开发板进行信号处理和控制，采用 NRF24L01 无线模块实现一对多的星型拓扑无线通信。系统通过 MEMS 热电堆红外探测器与 STM32F103 开发板相连，感知红外辐射，实现住宅入侵情况实时检测。相比热释电红外探测器，热电堆型除了实现红外目标运动入侵识别，还可以检测恒定辐射量，对静态目标进行探测 3，可靠性更高。利用梯析透镜会聚目标辐射提高有效探测距离，采用 NRF24L01 无线模块构建星型拓扑结构，实现一个服务器端对多个客户端的无线通信，搭建分布式红外探测器系统实现多方位、多角度收集测量信号。42 设计思路为
8、了克服传统入侵检测系统的局限性，本文设计了一种具有较高的灵敏度和实时性，性能稳定，成本低，功耗小，实用性强的家庭防盗系统。该防盗系统由一个服务器端和多个客户端构成，网络拓扑为一对多的星型结构，实现多方位、多角度收集测量信号。服务器端由 STM32F103 开发板（包括按键系统、LED 灯、蜂鸣器、TFTLCD 薄膜晶体管液晶显示器） 、NRF24L01 无线模块接收装置组成；客户端由 STM32F103 开发板、NRF24L01 无线模块发射装置、MEMS 热电堆红外探测器、梯析透镜组成。用户按下布防按键系统将进入布防状态，当有人闯入任何一个客户端的检测范围，无论他是运动或是静止状态，梯析透镜
9、都会将红外热量投射到热电堆敏感单元，MEMS 热电堆红外探测器将探测到的人体红外信号转换为数字信号，通过 STM32F103 开发板进行信号处理和控制，经由 NRF24L01 无线模块发射装置将数据发送给服务器端 NRF24L01 无线模块接收装置。服务器端 STM32F103 开发板读取信号，并获得该客户端地址信息，将其显示在液晶显示器以说明入侵位置。同时对收到的数据信息进行响应，通过 LED 灯的状态切换实现 LED 灯闪烁，启动蜂鸣器实现报警功能。N R F 2 4 L 0 1无线模块接收装置T F T L C D 薄膜晶体管液晶显示器S T M 3 2 F 1 0 3 Z E T 6服
10、务器端N R F 2 4 L 0 1 无线模块 发射装置M E M S 热电堆红外探测器S T M 3 2 F 1 0 3 Z E T 6客户端梯析透镜按键系统L E D 灯蜂鸣器N R F 2 4 L 0 1 无线模块 发射装置M E M S 热电堆红外探测器S T M 3 2 F 1 0 3 Z E T 6客户端梯析透镜N R F 2 4 L 0 1 无线模块 发射装置M E M S 热电堆红外探测器S T M 3 2 F 1 0 3 Z E T 6客户端梯析透镜N R F 2 4 L 0 1 无线模块 发射装置M E M S 热电堆红外探测器S T M 3 2 F 1 0 3 Z E T
11、 6客户端梯析透镜图 2-1 家庭防盗系统整体框架图3 硬件实现31 基于 MEMS热电堆红外探测器3. 1. 1 红外探测器红外线是指电磁波中波长为 0.78-1000um 的波段，也称为 “红外辐射” 。黑体辐射5理论证明，任何温度高于绝对零度的物体都会不断地向外发出红外辐射 4。物体各部位的辐射率因温度的差异而不同，显示出不同的辐射特征。红外探测设备捕捉到这些辐射特征，将其转换成可测量的物理信号，并对该物理信号进行相应的信号处理，得到可供人类观察识别的图像。红外探测器具有较好的隐蔽性和环境适应性，抗干扰能力强。根据红外焦平面阵列探测机理的不同，可将红外探测器分为光子型红外探测器和热型红外
12、探测器。光子型红外探测器利用半导体材料的内光电效应实现光电转换 5，响应速度快、探测灵敏度高，但是体积大、功耗高、价格昂贵，目前主要在军事上用于高性能、远距离的探测。热型红外探测器基于红外辐射的热效应。通过吸收红外辐射导致探测器元件温度上升，然后测定被吸收的红外辐射功率完成红外探测。相较光子型红外探测器，热型红外探测器体积小、功耗低、易于维护，价格相对低廉。3. 1. 2 微机械电子系统 MEMS微机械电子系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）兴起于 20 世纪 80年代后期，是一个融合机、电、光、磁及其他技术为一体的可以活动和控制的微工程系统，主要
13、由微传感器、微执行器、微能源三大部分组成，是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成。微机械电子系统的器件以硅为主要材料，强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似于铝，热传导率接近铜和钨，具有优良的机械电气性能。由于其质量和尺寸都比较小，使得高速动作成为可能，受到热膨胀的影响也比较小。此外，它还具有能耗低、灵敏度高、耐用性好、价格低廉、响应时间短等优点。3. 1. 3 MEMS 热电堆红外探测器微机械电子系统技术是以实现机电一体化为目标的一项新兴技术,它在红外器件制作中的引入为热型红外探测器的实用化开辟了新的途径 6。热型红外探测的关键是如何制作具有良好热绝缘特性的结构。一般而言，悬空结构具有良好
14、的热绝缘性能，而制作这种悬空结构正是微机械电子系统技术的优势。随着微机械电子系统技术的不断成熟，热型红外探测技术也取得了较大的突破。热电堆红外探测器的工作原理是基于赛贝克效应的红外辐射探测。将两种材料不同或者材料相同而逸出功不同的物体一端相连，另一端不相连。当相连端温度增加，那么两端就会因形成温差而产生温差电动势。MEMS 热电堆红外探测器主要由红外吸收体、绝缘结构和热电堆组成，相连端与红外吸收体相邻，其温度随红外吸收体的变化而变化，两端通过绝缘结构隔离，使得不相连端与环境温度保持一致。当红外吸收体吸收外界辐射时，相连端温度升高，不相连端温度不变，两端温差增大，产生温差电动势，通过输出温差电动
15、势来测量外界红外辐射的大小 7。相比传统红外探测器，MEMS 热电堆红外探测器具有灵敏度高、能耗低、响应时间短、可批量生产等特点。32 梯析透镜红外辐射能量在大气中传输会存在衰减，梯析透镜是一种非均匀介质透镜，用来配合热电堆探测器以提高接收灵敏度及扩大探测距离和范围 8。梯析透镜将红外辐射能量投射到热电堆敏感单元，投射范围可以扩大为一个锥形空间，即热电堆探测器能够探测到这个锥形空间内的红外辐射能量，将这个锥形敏感空间称为热电堆探测器的视场。6图 3-1 梯析透镜视场仿真33 STM32F103 开发板STM32F103 开发板，采用的是一款比较热门的微控制器芯片 STM32F103ZET6，其
16、内核为 ARM Cortex-M3，程序存储器大小为 512KB，RAM 为 64KB，片内 FLASH 支持在线编程。它的数据总线宽度为 32 bit，最大时钟频率为 72MHz，数据和指令分别走不同的流水线，以确保 CPU 运行速度达到最大化。34 NRF24L01 无线模块NRF24L01 无线模块，采用的芯片是 NRF24L01，通过 SPI 与外部 MCU 通信，最大的 SPI 速度可以达到 10Mhz。该芯片的主要特点如下：（1）2.4G 全球开放的 ISM 频段，免许可证使用。（2）最高工作速率 2Mbps，高校的 GFSK 调制，抗干扰能力强。（3）125 个可选的频道，满足多
17、点通信和调频通信的需要。（4）内置 CRC 检错和点对多点的通信地址控制。（5）低工作电压（1.93.6V） 。（6）可设置自动应答，确保数据可靠传输。该模块电路原理图如下所示：图 3-2 NRF24L01无线模块电路图4 结论目前国内外与入侵检测系统相关的文献都只单独研究了红外探测技术入侵检测系统 9和无线通信技术在入侵检测上的应用 10，本文设计了一种基于 MEMS 热电堆红外探测器与无线通信的家庭防盗系统，并采用梯析透镜扩大探测范围，克服传统入侵检测系统探测范围较小且仅能识别运动特征的局限性。此外，该系统通过构建星型拓扑结构，实现一个服务器端对多个客户端的无线通信，搭建分布式红外探测器系
18、统实现多7方位、多角度收集测量信号，具有较高的灵敏度和实时性，性能稳定，成本低，功耗小，实用性强。参考文献：1 郑展棒. 红外、无线、智能入侵探测器的三大主题J. 中国公共安全:学术版, 2014(10):72-75.2 卫东，董永贵利用热释电红外传感器探测人体运动特征J仪器仪表学报，2008(5)：102010233 夏燕. MEMS 热电堆红外探测器的结构设计及制造研究D. 中北大学, 2012.4 蔡远, 陈玉霞. 红外传感器技术的应用研究J. 电子制作, 2017(8):14-14.5 袁绶章, 王晓璇, 韩福忠,等. 光子型红外探测器研究现状及发展趋势J. 云光技术, 2016(2)
19、:1-10.6 胡明, 吕宇强, 颜海洋,等. MEMS 技术在非制冷热红外探测器中的应用J. 传感器与微系统, 2007, 26(1):90-92.7 邹令敏. 基于 MEMS 热电堆的表面高温测试技术研究D. 中北大学, 2009.8 王司东, 徐德辉, 熊斌,等. MEMS 热电堆传感器的红外探测系统 J. 传感器与微系统, 2017, 36(2):107-109.9 杨波，张兴敢.基于 PIC 单片机的被动式红外报警系统的设计J .电子测量技术.2008，31(1)：53-56.10 张永宏,曹健,王丽华.基于 51 单片机与 NRF24L01 无线门禁控制系统设计J.江苏科技大学学报(自然科学版),2013,27(1):64-69.
