基于LoRa的无线人体红外探测器设计

基于LoRa的无线人体红外探测器设计

吕士如

（蚌埠依爱消防电子有限责任公司安徽蚌埠233010）

摘要：针对传统人体红外探测器功耗大，结构复杂，无法进行远距离传输等缺点，本文提出一种基于LoRa的无线人体红外探测器的方案。分析了目前人体红外探测器的国内外现状，介绍了基于LoRa的人体红外探测器的系统构成以及工作原理，详细介绍了硬件电路、工作原理以及软件流程。

关键词：LoRa；人体红外；无线监控；报警器

一、引言

LoRa作为低功耗广域网（LPWAN）的一种长距离通信技术，近些年备受关注。随着物联网距离由近及远的发展，势必对传统行业应用和商务模式带来新的变革[1]。LoRa是低功耗广域网通信技术中的一种，是物理层或无线调制用于建立长距离通信链路。许多传统的无线系统使用频移键控（FSK）调制作为物理层，因为它是一种实现低功耗的非常有效的基于线性调频扩频调制，它保持了像FSK调制相同的低功耗特性，但明显地增加了通信距离[2]。

二、探测原理

在室温条件下，任何物品均有辐射。温度越高的物体，红外辐射越强。人体都有恒定的体温，一般在37度，红外辐射也最为稳定，会发出波长10μm左右的红外线。探测器就是靠10μm的红外线来工作的。探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。热释电红外传感器(pir)和菲涅尔透镜是红外探测器的两个关键性的元件。传感器它能将波长为8—12um之间的红外信号变化转变为电信号，并且对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的基本原理就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。菲涅尔透镜属于光学系统，它的作用有两种。一是聚焦作用，即将人体辐射出来的红外线聚焦到pir上，二是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式体现在pir上[5-7]。

探测器系统包括信号探测模块，无线通讯模块，接收模块等。如图1所示为探测器系统框图。红外探测器为信号探测模块，中继器充当无线通讯模块，手机作为接收模块。当人体进入警戒区内，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜的聚焦和明暗分区后，形成一个低频的交流信号，转化为电信号。经过运放放大输入单片机。单片机通过LORA射频模块将信号通过天线发送给中继器，无线中继器通过WIFI模块将入侵信号发送给绑定的手机上，达到无线监控的目的。

图1探测器系统框图

具体信号产生原理如下图2所示。当热释电人体进入红外探测器探测范围时，经过菲涅尔透镜，微弱的超低频脉冲信号被放大转化为低频的交流电信号，经过隔直通交电容进入放大器与阈值进行比较，当大于设定的阈值时，输出高电平，唤醒单片机通过串口与LORA射频模块通信，射频模块将电压信号通过天线以电磁波的形式发给中继器，无线中继器通过WIFI模块将报警信号发送给手机，让用户得知某个位置有非法入侵。

图2报警信号产生原理

三、硬件电路设计

所选射频LoRa芯片SX1276、单片机MSP430的供电电压均涵盖3V，采用DC3V锂电池供电，保证结构简单和电路简化。另外，低功耗单片机MSP430的使用保证了系统的低功耗以及设备的寿命。

如图3所示为信号处理电路。电路工作原理：当人体的热释电信号经过菲涅尔透镜的聚焦和转换，在通过红外传感器E1的光电转换，变成频率为0.3-10HZ的微弱超低频脉冲电信号，低频信号输入到运算放大器正输入端，负输入端的R3，C5组成选频网络，仅对频率零移相，对于低频和高频，分别进行正移相和负移相，这样只对这个，结合后面两级正反馈的同相放大器对信号进行放大，放大倍数与电阻R4与R3比值有关。放大后的脉冲信号经过隔直通交电容C8后进入第二级放大器，VCC经过电阻R6和R7的分压，将交流信号上升到该电压后进行放大，可以有效的减少杂讯信号的干扰，提供检测系统地稳定性以及灵敏度。放大之后的超低频红外信号达到3V，输出高电平唤醒超低功耗单片机[8]。

图3红外报警信号处理电路

MSP430单片机与SX1276是通过硬件的全双工同步通信总线SPI连接的。四根线分别是MOSI串行数据输入，MISO串行数据输出，CLK主设备系统时钟以及NSS设备片选。报警数据通过单片机MOSI发送给射频芯片，射频芯片通过MISO将数据回传到单片机。CLK由主设备控制，提供时钟脉冲。SPI通过NSS来确定器件是否被选中。

四、软件设计

根据硬件设计以及设备功能的要求，进行了软件程序编写和测试。如图4所示为软件控制流程。初始化端口以及定时器的初始化，其次是检测传感器以及通讯模组的检测以及初始化，主程序通过一个主循环检测报警标志来实现。静态检测时，退出低功耗，进入LPM3状态。等待定时器中断，以及传感器以及按键中断，进入中断服务程序，退出低功耗模式。为了保证系统功耗，触发报警后，完成报警状态发送，系统会进入静态监控状态，进入低功耗模式。

图4软件控制流程

首先系统上电，硬件初始化，包括关闭看门狗，时钟以及端口初始化，LED灯巡检，按键以及LoRa初始化。开使能，初始化定时器，进入LPM3功耗模式进行休眠。然后进入主函数，开始能，等待中断并判断报警标志位，向中继器发送相应数据。打开timer0_A1定时器,等待接收中继器应答，若在此期间未收到应答则一直重发5次，每次间隔3秒。中继器将报警信息上传到服务器，服务器通过协议推送报警消息给绑定手机。

五、结论

基于LoRa技术的无线人体红外探测器，具有结构简单，操作方便，又经济实用的实现了基于LoRa通信技术的远程监控报警功能，可以满足大规模监控部署以及长距离传输和低功耗的场景应用。

在家中或者无人监控的环境安装该报警器，设置布防状态，当有人入侵时，可以实现快速报警，达到远程监控的目的。

参考文献

[1]李辉，李明亮，等.多功能家居门禁系统设计[J].科学技术与工程，2008，(08):3-4.

[2]赵静，苏光添.LoRa无线网络技术分析[J].移动通信,2016，40(21):50-57.

[3]王阳，温向明，等.新兴物联网技术—LoRa[J].信息通信与技术，2017(1):55-59.

[4]施金磊，高谷刚.基于LoRa技术的家庭物联网安防系统设计[J].电子技术与软件工程，2017(10):218-220.

作者简介

吕士如，男，1986年出生，硕士研究生.蚌埠依爱消防电子有限责任公司。