CN102317745B - 数字占用传感器照明控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种感测在预定区域内的动作的方法。该方法可包括使用数字输出动作传感器产生指示在预定区域内出现动作的数字输出信号。该方法可进一步包括沿不依赖于模拟放大和滤波的信号路径传输该数字输出信号。该方法还可包括使用耦接到信号路径的微处理器接收并处理该数字输出信号。

Description

数字占用传感器照明控制
技术领域
本发明涉及照明设备和其他负载的控制装置(control)。更具体地说，本发明涉及与占用传感器(occupancy sensor)协同工作的照明设备和其他负载的控制装置。更为具体地，本发明涉及利用热电传感器的无源红外线(“passive infrared，PIR”)占用传感器。
背景技术
PIR传感器是一种在其预定区域和/或视野中测量从物体发出的红外光的电子设备。当具有一个温度的红外源(例如一个人)从具有另一温度的红外源(例如一面墙壁)前经过时，PIR检测到动作。
现有的PIR占用传感器利用具有模拟电压输出的热电传感器。该输出用高增益运算放大器放大和滤波，以与传统逻辑和/或微控制器接口。
在传统PIR传感器中使用的高增益具有增加信号路径中的噪声的缺点。信号路径中的噪声源包括信号噪声、热噪声、电源噪声、来自AC主供电线的瞬时现象、和来自继电器或用于交流电的三极真空管(“Triac，三端双向可控硅开关”)(一种双向电子开关，在被触发时能在任一方向上导通电流)的开关噪声、以及来自环境的辐射噪声。
另一个噪声源[从传感器信号的角度看]是来自[无线]RF通信装置例如黑莓(商标)设备或其他类似设备的辐射信号。高增益放大器有可能拾取这些传输，连同由来自传输的电流脉冲产生的额外电源噪声。这种噪声使用模拟滤波难以过滤掉。事实上，对于某些信号来说，这种传输可能不能被过滤掉。
至少为了减轻与RF传输相关联的噪声和电源噪声的放大的目的，期望将高增益放大器从PIR的信号路径中消除。
发明内容
本发明提供了一种基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，包括数字输出动作传感器，该传感器产生数字输出信号并沿着不依赖于模拟放大和滤波的信号路径传输该数字输出信号。该数字输出信号能指示动作的存在与否。该负载控制装置还可以包括耦接到信号路径的微处理器。该微处理器可以接收和处理该数字输出信号。
附图说明
为了说明本发明的各个方面，附图中示出了目前优选的形式，但是应当理解本发明不限于示出的精确设置和手段。
图1为通常用于模拟输出无源红外线输出传感器的现有技术电路的示意图。
图2为根据本发明的数字传感器的基本电路的示意图。
图3为根据本发明的电路的优选实施例的示意图。
图4为根据本发明的方法的优选实施例的示例流程图。
具体实施方式
使用数字输出热电传感器可以允许消除模拟放大和滤波，这将会提高信噪比并使产品不太容易受到周期性的和/或瞬时的噪声的影响。这种数字热电传感器是市场上可买到的，例如，马萨诸塞州沃尔瑟姆市(Waltham，Massachusetts)的Perkin Elmer公司生产的商标为DigiPyro的系列部件PYD1978，PYD1988。
如上面关于模拟输出热电传感器描述的，高增益放大器和滤波器将显著的噪声引入到信号中。由此，通过使用高增益放大器和滤波器，现有传感器在放大和滤波之前会丢失关于PIR信号中的噪声的信息。热电传感器响应于环境中的热能以及来自人的热能。现有传感器中的滤波器通常具有约1秒的低通滤波器以及大时间常数。由于以下的原因而使用描述滤波器的术语“一秒”。通常人的动作频率在0.1-1Hz的范围之内。滤波器通常在这一频率附近设计，并且滤波器衰减通常取决于温度并随制造工艺而有很大变化的DC分量、和并非由人体动作产生而是由其他现有的噪声因素产生的较高频率。因此，传感器关注信号的变化而不是信号本身。这样，关于低于这一界限的信号的任何频率信息都丢失了。丢失的频率信息通常在从约0.25-1Hz到约10-15Hz的频带或其他适当的频率以外。
另一方面，数字信号路径占用传感器可以访问与PIR信号有关的噪声信息以及否则会被低通滤波器过滤掉的频率信息。
应当注意本专利申请中描述的系统和方法可以应用到手动接通传感器(空缺传感器(vacancy sensors))和/或自动接通传感器(占用传感器(occupancy sensors))。手动接通传感器(空缺传感器)是一种照明系统，其被手动打开并响应于由传感器确定的一个预定的空缺时间段而关闭。自动接通传感器(占用传感器)是一种照明系统，其响应于来自传感器的信号而被打开，该信号对应于在预定区域和/或视野内出现热源，例如一个人。
此外，也能够实施使用根据本发明的系统的负载控制。这种负载控制可以包括接通或关闭负载和/或根据需要调整(dim)负载。在特定实施例中，这种负载控制可以使用继电器或晶闸管-例如前述的三端双向可控硅来实现。在本发明的特定实施例中，负载控制可实施为仅控制灯或照明装置，而排除控制其他设备，例如控制一个使用根据本发明的动作传感器的安全系统。在其他实施例中，负载控制可实施为控制各种负载，例如风扇、加热设备、真空和空气调节系统(“HVAC”)、安全系统、可电子操作的百叶窗和/或任何其他适当的电子负载。
根据本发明的基于PIR的占用传感器负载控制装置优选地包括一个实施例，其中PIR信号仅用数字方式处理。这种处理优选地不依赖于模拟放大和滤波而进行。在本发明的特定实施例中，范围和/或灵敏度调节可通过数字信号处理来实施。
在本发明的某些实施例中，可以实施作用于原始数字信号的适应算法(adapting algorithm)。基于PIR的占用传感器负载控制装置还可以使用继电器作为负载控制装置来控制负载。在本发明的可选实施例中，负载控制装置可以为调光器(dimmer)。
根据本发明的基于PIR的占用传感器负载控制装置还可以包括指示负载即将超时的可见指示器。在负载为灯的情况下，这种可见指示器可适合于生成使被控制灯变暗和变亮的某种序列，以提醒占用者灯很快会关闭。可见指示器还可以包括亮度等级显示器，用于指示延迟关闭时间的持续时间。该亮度等级显示器还可以用于指示灯的调整等级(dim level)。
本发明的可选实施例可以包括PIR占用传感器照明设备控制装置，其在LED显示器上显示测量的环境光的水平。这种PIR占用传感器照明设备控制装置可以包括编程模式，其中包括但不限于灵敏度调节的用户调节被数字化编程。这种编程模式的一个实施例可以通过按压并保持开/关按钮一个预定时间段的方式进入。这种编程模式的另一个实施例可以通过基本上同时按压开/关按钮和亮按钮一个预定时间段的方式进入。
图1示出了传统的无源红外线占用传感器电路100，其使用具有模拟电压输出104的热电传感器102。电路100通常还包括比较器106，其提供指示是否检测到动作的输出。
电路100通常还包括运算放大器108，放大对应于来自传感器102的输出的信号。在该电路中，VCC是5V，且该对应于来自传感器102的输出的信号被引用到1/2VCC(通过包括电阻器110和112的电阻分压器)。其他电阻器114，116，118，120，122，124和126以及电容器128，130，132，134，136，138和140可用于调适对应于来自传感器102的输出的信号，以便使该信号适用于微处理器140。微处理器140优选地控制与负载控制装置(未示出)相关联的LED/显示器142以及负载本身(其被示为负载控制线144)。
在电路100中，当出现动作时，输出信号水平可以通过在基准附近正向和负向变化来指示出现动作。
已知在现有的PIR传感器中使用适应算法，该适应算法获得放大后信号(例如当信号从运算放大器108被输出时)的特性，并将历史信息与获得的特性相比较以调节传感器的灵敏度和/或延迟关闭时间。传感器的延迟关闭定时器可以发出关于当检测到无动作状态时负载应当保持接通多长时间的指示。通过适应算法可以获得使用的特定特性包括反映从传感器102接收到的脉冲的频率的特性，或反映脉冲的振幅和频率之间的关联的特性。此外，这些特性可被用于帮助改善性能-例如，当有人在房间里时保持灯打开，当没有人在房间里时尽快将灯关闭。
传统的PIR电路只在来自传感器的信号已被充分调适(例如放大和/或滤波)后才使用微处理器处理信号，另一方面，根据本发明的电路适合于直接从动作传感器接收信号。因此，根据本发明的电路优选地处理来自传感器的原始信号而基本上不依赖于任何进一步信号调适。使用优选的基本上完全数字的信号路径允许生成在毫秒级别上表征PIR信号的数字信号处理算法，从而以超过传统无源IR传感器一个数量级改善了算法的反应。
图2示出了根据本发明的具有数字信号路径的数字传感器的基本电路200。电路200包括微处理器202，数字输出传感器204，负载控制装置206，和LED/显示器208。电路200的一种实际实施方式可以包括旁路电容器(未示出)或其他用于稳定VCC连接的滤波元件。
在本发明的特定实施例中，可以通过传感器204检测动作。响应于对动作的检测，传感器204可提供输出信号给微处理器202。从图2中可以看到，传感器204可以不依赖于任何额外的信号调适元件而被实施。相反，传感器204的输出信号可直接馈入到微处理器202。响应于这一输出信号，微处理器202能够控制负载控制装置206和LED/显示器208。或者，传感器204可被实施为仅具有最少量的额外信号调适元件。
图3示出根据本发明的电路300的优选实施例。电路300优选地包括微处理器302，传感器304，负载控制装置303，和LED/显示器305-与图2示出的电路200的元件类似。图3还示出各种其他受控于微处理器302或提供信号给微处理器302的模块。这些模块包括光电池模块306。光电池模块允许传感器被设置为只有当房间内很暗或房间内出现特定亮度级时才将灯打开。这些模块还包括：允许用户在调光传感器的情况下手动调节亮度级的亮/暗按钮308；过零检测电路310，其可能对于调光器控制或使得开关与过零同步是必要的；指示模块312，其优选地利用LED条显示相对亮度级；具有电源板的连接器314；有线通信线路发射器(YW发射器)316；占用显示信号318；光串行通信端口320；有线通信线路接收器322；开关控制信号324；和微控制器复位引脚326。
根据本发明的算法提高了来自环境的热能与来自人的热能的区别，并实现了可以基于信号状况而适应性改变的滤波器。
图4为根据本发明的示例算法400的流程图。该算法可以通过读取(或以其他方式接收)数字PIR传感器的输出而启动，如步骤402所示。其后，为了由算法使用的目的，获得的值可通过具有近似示例截止频率1Hz和10Hz的旁路二阶(或更高阶)数字滤波器，如步骤404所示。可选择的，在根据本发明的电路的其他实施方式中，该截止频率可以在约0.25-1Hz至约10-15Hz之间，或算法需要的任何其他适当的截止频率集合。应当注意，如上所述，根据本发明的电路能恢复在截止频带之外的信息，虽然如此，为了算法的目的，截止频带之外的信息可能不是必需的。
在滤波之后，可执行多个步骤。步骤406示出了将经调适(例如滤波)的信号与判定阈值进行比较。判定阈值可由人工设定或基于接收到的信号的参数计算。
步骤412示出获得的信号还可以通过低通滤波器以选择信号的直流分量。其后(或可选的，跟随步骤404)，经调适(例如步骤404或412示出的滤波)的信号可通过低通滤波器，以分析在适应阈值的计算中使用的趋势(上升值和下降值的时间常数可以不同)。步骤416示出了基于信号状况(例如灯的状态(开或关)，自打开或关闭灯起的时间，和占用信号频率)来计算适应阈值。步骤418示出读取手动控制(设置和选项)，包括光电池、温度指示器、和其他传感器。
步骤406示出将在步骤404中调适过的经调适信号与步骤416中形成的阈值进行比较。步骤408示出生成用于开关或双向可控硅的控制信号，以至少部分地响应于在步骤406中形成的比较来控制灯。步骤410示出可选的与其他传感器和/或照明控制装置传递信息(例如与阈值有关的信息)的步骤。
传统的传感器通常具有范围[灵敏度]控制以调节装置能够多好地检测动作。这种调节通过在放大器反馈路径中使用电位计来影响放大增益，或者该调节同样通过使用电位计来影响比较器的阈值。
改变放大器增益的结果是同时影响信号和噪声，此外还从电位计加入额外的电气噪声。改变比较器的阈值具有不能区分信号和噪声的类似缺陷。
这两种方法-即调节放大器增益和/或调节比较器阈值-都不具有使用原始信号频率信息的优势。通过使用上述的数字信号处理算法，可以消除对这种范围控制的需要。或者，在本发明的可选实施例中，可以具有用于改变信号处理参数的用户控制。
在本发明的另一个示范实施例中，微控制器能为步骤404和/或416中所述的数字滤波器实施不同的系数或截止频率。这种不同的系数和/或不同的截止频率可通过影响信号而不影响噪声而带来更好的控制。
占用传感器通常还具有时间延迟，对于自动接通模式来说还有环境光等级调节。对时间延迟和环境光等级的调节通常可通过微处理器控制。
但是，在传统传感器中，这种调节通常需要额外的硬件来建立微处理器控制。而另一方面，根据本发明的数字信号路径消除了对额外硬件的需要，因为这些调节可在微处理器中实施，而不依赖于额外的模拟硬件。
本发明的另一个实施例涉及从负载控制产品的“编程模式”设置上述各种调节。许多负载控制产品通常都具有“编程模式”，其允许用户设置特定的参数。但是，对现有的PIR传感器来说，具有用户能够调整主要设置的编程模式却并不常见，因为这些设置通常是模拟电路的一部分。利用根据本发明的数字信号路径，所有设定能够作为“编程模式”的一部分被执行。
如此，已经描述了提供数字占用传感器负载控制的系统和方法。
已经依据示意性实施例说明了本发明的各方面。本领域技术人员可以理解，在所附的权利要求的范围和精神内还存在许多另外的实施例，修改和变型。例如，本领域技术人员会理解附图中列举的步骤可以以不同于所述顺序执行，并且其中的一个或多个步骤可以是可选的。
以上引用的实施例中的方法和系统还可以包括其他附加的元件，步骤，计算机可执行指令，或计算机可读的数据结构。就这一点而言，其他实施例同样在此处公开，其能够部分或全部在计算机可读媒体上实现，例如通过存储计算机可执行指令或模块，或通过使用计算机可读数据结构。

Claims (48)

1.一种基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，包括：
数字输出动作传感器，其产生数字输出信号并沿不依赖于模拟放大和滤波的信号路径传输该数字输出信号，该输出信号指示动作的存在与否，该输出信号包括免于遭受由模拟放大和模拟滤波引起的损失的信号信息；和
耦接到所述信号路径的微处理器，该微处理器接收并处理所述数字输出信号以产生第二信号，所述第二信号用于与阈值进行比较，并响应于所述第二信号与所述阈值的比较控制时间延迟的复位以用于切换负载。
2.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，其中数字输出信号包括超出预定频带的信号信息。
3.根据权利要求2的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，其中所述预定频带在1Hz和10Hz之间。
4.根据权利要求2的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，其中所述预定频带在0.25Hz和15Hz之间。
5.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，其中所述微处理器被配置为利用数字信号处理来实现灵敏度调节。
6.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，其中所述微处理器被配置为实现适应算法，该适应算法适于响应于所述数字输出信号来调节负载控制装置。
7.根据权利要求6的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，其中该适应算法包括调适数字输出信号，并且至少部分地响应于对经调适的数字输出信号的时间常数的分析来调节负载控制装置。
8.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，进一步包括继电器。
9.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，进一步包括调光器。
10.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，进一步包括用于指示预定负载超时的可见指示器，该可见指示器包括负载变暗序列和/或负载变亮序列。
11.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，进一步包括亮度等级显示器，其指示延迟关闭时间的持续时间。
12.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，进一步包括亮度等级显示器，其指示负载调整等级和/或延迟关闭时间的持续时间。
13.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，该负载控制装置进一步包括LED显示器，该负载控制装置在LED显示器上显示测量的环境光等级。
14.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，该负载控制装置进一步包括在微处理器上实现的编程模式，该编程模式适用于接收以数字方式编程的用户调节。
15.根据权利要求14的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，其中通过按压并保持负载接通/负载关闭按钮一个预定时间段来进入该编程模式。
16.根据权利要求14的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，其中通过按压并保持负载接通/负载关闭按钮和亮按钮一个预定时间段来进入该编程模式。
17.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，进一步包括自动接通设置。
18.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，进一步包括手动接通设置。
19.根据权利要求1的基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，其中负载为灯、风扇、HVAC系统、和可电子操作的百叶窗其中之一。
20.一种感测预定区域内的动作的方法，该方法包括：
使用数字输出动作传感器来产生指示在预定区域内出现动作的数字输出信号；
沿不依赖于模拟放大和滤波的信号路径传输该数字输出信号；
使用耦接到该信号路径的微处理器来接收该数字输出信号并处理该数字输出信号，以产生第二信号，所述第二信号用于与阈值进行比较；以及
使用该微处理器响应于所述第二信号与所述阈值的比较控制时间延迟的复位以用于切换负载，所述时间延迟表示从负载改变状态起经过的时间的大小。
21.根据权利要求20的方法，所述的处理数字输出信号进一步包括对该数字输出信号执行灵敏度调整。
22.根据权利要求20的方法，进一步包括使用微处理器来执行适应算法，该适应算法响应于数字输出信号来调节负载控制装置。
23.根据权利要求22的方法，进一步包括调适数字输出信号，并至少部分地响应于对经调适的数字输出信号的时间常数的分析来调节负载控制装置。
24.根据权利要求20的方法，进一步包括提供负载变暗序列和/或负载变亮序列，作为预定的负载超时的指示。
25.根据权利要求20的方法，进一步包括提供延迟关闭时间的持续时间的指示。
26.根据权利要求20的方法，进一步包括在LED显示器上显示测量的负载等级的指示。
27.根据权利要求20的方法，进一步包括在微处理器上实现编程模式，该编程模式适于接收用户调节。
28.根据权利要求27的方法，进一步包括通过按压并保持负载接通/负载关闭致动器一个预定时间段来进入编程模式。
29.根据权利要求27的方法，进一步包括通过按压并保持负载接通/负载关闭致动器和亮按钮一个预定时间段来进入编程模式。
30.根据权利要求20的方法，进一步包括响应于检测到动作，使用微处理器将负载置于接通状态。
31.根据权利要求20的方法，进一步包括响应于在预定时间段内没有检测到动作，使用微处理器将负载置于关闭状态。
32.根据权利要求20的方法，进一步包括使得能够使用超出预定频带之外的输出信号中的输出信号信息。
33.根据权利要求32的方法，其中所述预定频带在1Hz和10Hz之间。
34.根据权利要求32的方法，其中所述预定频带在0.25Hz和15Hz之间。
35.一种用于比较历史信息和从动作传感器获得的输出信号的特性，以便调节传感器的灵敏度和/或延迟关闭时间的方法，该方法包括：
接收来自传感器的输出信号然后再对该输出信号进行放大；
对该输出信号进行滤波以获得滤波信号；
分析该滤波信号的时间常数；
至少部分地基于信号状况来计算适应阈值；
将经调适的信号与该适应阈值相比较；以及
响应于经调适的信号与适应阈值的比较而生成控制信号。
36.根据权利要求35的方法，其中至少部分地基于信号状况来计算适应阈值的步骤包括：基于预定负载的当前状态、自从负载改变状态后经过的时间的大小、和占用信号频率中的至少一个来计算所述适应阈值。
37.一种基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，包括：
不依赖于模拟放大和滤波的信号路径；
数字动作传感器，其具有直接并电耦接到所述信号路径的输出，其中所述数字动作传感器在所述输出处产生表示运动的存在与否的原始数字输出信号；
微处理器，其具有电耦接到所述信号路径的输入，其中该微处理器被配置来通过不依赖于模拟放大和滤波的所述信号路径接收所述原始数字输出信号，并处理所述原始数字输出信号，所述微处理器被配置为根据经过处理的原始数字输出信号执行负载控制操作；以及
环境光检测器，其电耦接到所述微处理器，并且被配置为输出环境光信号，其中所述微处理器所执行的负载控制操作基于所述环境光信号。
38.根据权利要求37的装置，还包括：
电耦接到所述微处理器的LED指示器，其中所述微处理器控制所述LED指示器来指示负载控制操作。
39.根据权利要求38的装置，其中所述LED指示器显示环境光水平和预定的负载超时的指示中的至少一者。
40.根据权利要求37的装置，还包括：
过零检测电路，其用于使负载控制操作与过零同步。
41.根据权利要求37的装置，其中所述环境光检测器被配置来在检测到预定的光水平时输出所述环境光信号。
42.根据权利要求40的装置，其中所述负载控制操作包括调光控制操作。
43.一种基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，包括：
不依赖于模拟放大和滤波的信号路径；
数字动作传感器，其具有直接并电耦接到所述信号路径的输出，其中所述数字动作传感器在所述输出处产生表示运动的存在与否的原始数字输出信号；
微处理器，其具有电耦接到所述信号路径的输入，其中该微处理器被配置来：
通过不依赖于模拟放大和滤波的所述信号路径接收所述原始数字输出信号；
处理所述原始数字输出信号，并根据经过处理的原始数字输出信号进行负载控制操作；以及
实行适应算法以调整所述负载控制操作。
44.根据权利要求43的装置，其中所述适应算法使得所述微处理器：调节所述原始数字输出信号以获得多个时间常数，以及至少部分响应于对所述多个时间常数的分析调整所述负载控制操作。
45.根据权利要求43的装置，其中所述微处理器包括编程模式，处于该编程模式的所述微处理器适于并且被配置来接收一个或多个编程的用户调节输入。
46.一种基于无源红外线的占用传感器负载控制装置，包括：
不依赖于模拟放大和滤波的信号路径；
数字动作传感器，其具有直接并电耦接到所述信号路径的输出，其中所述数字动作传感器在所述输出处产生表示运动的存在与否的原始数字输出信号；
微处理器，其具有电耦接到所述信号路径的输入，其中该微处理器被配置来：
通过不依赖于模拟放大和滤波的所述信号路径接收所述原始数字输出信号，并处理所述原始数字输出信号，以根据经过处理的原始数字输出信号控制负载的操作；以及
指示器电路，其电耦接到所述微处理器，其中所述指示器电路适于并被配置为通过执行负载超时操作来指示预定的负载时间超时。
47.根据权利要求46的装置，其中所述负载超时操作包括负载变暗序列。
48.根据权利要求46的装置，其中所述负载超时操作包括下列中的至少一个：降低负载的亮度，提高负载的亮度，和/或降低以及提高负载的亮度的序列。
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