CN104137162B - 用于位置检测的被动红外传感器系统 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，一种PIR传感器系统（100）包括与第一感测区（11）相关联的第一PIR传感器（1）和与第二感测区（12）相关联的第二PIR传感器（2）。第一和第二感测区部分重叠使得与第二感测区的区段重叠的第一感测区的区段限定检测池（46a‑46f），并且非重叠区段限定另外的检测池（45a‑45d）。每个检测池由第一和第二输出信号的预定的特性表示，所述第一和第二输出信号基于来自每个PIR传感器的第一和第二感测元件（4‑7）的输入信号。另外，PIR传感器系统包括处理单元（15），其被配置成将第一和第二输出信号的特性与检测池之一相关联，以用于确定热源位于哪个检测池中。本发明的有利之处在于降低PIR传感器系统的生产成本。
Description
技术领域
本发明一般地涉及用于检测热源的位置的被动红外传感器系统的领域。
背景技术
运动检测是智能照明系统中的重要特征，当检测到人的存在时智能照明系统被激活。用于运动检测的普通和相对廉价的传感器是被动红外（PIR）传感器。常规的PIR传感器包括当被加热或冷却时生成短暂电压的热电元件，以及菲涅耳透镜（或其它光学构件），其用于聚焦来自热电元件上的某个区域（PIR传感器的感测区）的红外（IR）辐射。典型地，两个或四个热电元件被接线为对差分放大器的相反输入以抵消由感测区中的整体温度增加导致的IR能量跨整个感测区的增加。
普通可得到的PIR传感器通常是二值传感器，即，它们能够检测热源在PIR传感器的感测区中是否存在，但它们不能确定热源在感测区内的位置。US 2009/0219388示出了一种PIR传感器系统，其包括聚焦在相同观察区域上的四个PIR传感器，其中视场被调制和编码。为此，对它们中的每一个而言，透镜以及因此光束的组合被屏蔽。组合对每个传感器是不同的，以便将唯一的代码与每个射束相关联并提供定位热源的位置和移动的数据。然而，这样的PIR传感器系统具有以下缺点：不得不为每个传感器设计和安装定制的屏蔽元件，这意味着高的生产和安装成本。另外，所有的PIR传感器不得不聚焦在相同的区域上，这意味着不得不向标准的存在检测系统添加若干PIR传感器以实现位置和移动检测功能性。
已知的传感器系统的另外的示例包括US 5296707 A，其公开了一种用于检测热源的移动的装置。为了在扩宽的范围之上通过使用数目减少的热电类型的红外传感器来检测热源的移动，传感器段包括两个红外检测构件X和Y。由红外检测构件X观察的区域被分为两个区段A和B，而由红外检测构件Y观察的区域被分为两个单个的区段a和b。单个的区段A和a相互重叠以形成重叠区段。区段之间的热源移动被鉴定以检测传感器段观察的整个区域之上的热源移动。
文档CH 629904 A5公开了一种针对用于房间监控的热辐射的检测器设备。由于检测器区域的特殊设置，要监视的房间被分为彼此接合、靠近或在分离的点处稍有重叠的扇区。检测器区域以在每种情况下邻近扇区生成检测器处的相反输出信号的方式连接。评估两个信号之间的信号阶跃。
文档EP 1184824 A1公开了一种被动红外传感器，其具有带用于重叠反射器前方的区段的菲涅耳透镜聚焦元件的传感器。
文档WO 2011/098931 A1公开了一种存在检测系统，其用于检测对象、特别是人或动物或车辆在分为覆盖区域的检测区段的区域内的存在。系统包括用于检测对象移动的移动检测设备。系统还包括电子处理设备，其用于基于检测到的对象移动，以按区段的方式存储涉及对象的位置的信息。
发明内容
本发明的目的是克服以上提到的缺点，并提供改进的PIR传感器系统。更特别地，本发明的目的是提供能够以降低的成本制造的用于热源的位置检测的PIR传感器系统。
本发明的这些和其它目的借助于具有独立权利要求中限定的特征的PIR传感器系统实现。本发明优选的实施例由从属权利要求表征。
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种PIR传感器系统。所述系统包括与第一感测区相关联的第一PIR传感器和与第二感测区相关联的第二PIR传感器。第一PIR传感器包括被配置成感测来自第一感测区的第一组区段的热辐射的第一感测元件和被配置成感测来自第一感测区的第二组区段的热辐射的分立的第二感测元件。第二PIR传感器包括被配置成感测来自第二感测区的第一组区段的热辐射的第一感测元件和被配置成感测来自第二感测区的第二组区段的热辐射的分立的第二感测元件。第一和第二感测区部分重叠，使得与第二感测区的区段重叠的第一感测区的区段限定检测池（detection
cell），并且非重叠区段限定另外的检测池。每个检测池由基于来自第一PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号的第一输出信号的预定的幅度和预定的符号以及基于来自第二PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号的第二输出信号的预定的幅度和预定的符号表示。另外，PIR传感器系统包括处理单元，其被配置成将第一输出信号的幅度和符号以及第二输出信号的幅度和符号与检测池之一相关联，以用于确定热源位于哪个检测池中。
本发明使用具有至少两个PIR传感器的重叠感测区的概念，从而提供多个检测池，其中每个检测池由第一和第二输出信号的信号特性（幅度和符号）的某个组合表示（或编码）。处理单元由此可以将第一和第二PIR传感器提供的输出信号的特性与某个检测池相关联。例如，检测池之一可以由-0.5V的第一输出信号和-1V的第二输出信号表示。当热源进入该检测池时，生成对应的第一和第二输出信号并将其提供给处理单元，处理单元因此能够通过将第一和第二输出信号的信号特性（如上所提及的，分别是-0.5V和-1V）与该特定检测池相关联来确定热源存在于该特定检测池中。
发明人已经发现，具有至少两个感测元件的PIR传感器的感测区的区段可以通过部分地重叠（或叠加）感测区而被用于编码区域。因此，常规的PIR传感器的性质被用于编码PIR传感器系统的感测区域，从而使得能够实现热源在感测区域内的定位。因此，不需要（如现有技术中的）屏蔽并且可以使用现成的组件，这降低了生产成本。每个检测池的不同的信号特性（即，幅度和符号）可以例如取决于检测池到PIR传感器的距离（接近于PIR传感器意味着更高的幅度），如果检测池包括非重叠区段的话（由此，输出信号之一是零或平坦的），以及取决于检测池被导向的一个/多个感测元件的极性（这将确定第一和第二输入信号的符号）。
另外，本发明的有利之处在于，当与其中四个PIR传感器聚焦在相同的区域上（从而与单个PIR传感器覆盖相同的区域）的现有技术相比时，用数目减少的PIR传感器提供增加感测区域的PIR传感器系统，这是由于第一和第二感测区仅部分重叠（从而覆盖比单个PIR传感器更大的区域）。另外，通过本发明，仅仅需要两个PIR传感器来编码PIR传感器系统的感测区域，借此位置检测功能性可以用数目减少的PIR传感器实现。然而，将理解，根据本发明的实施例的PIR传感器系统可以包括多于两个PIR传感器以用于增加系统的感测区域、促进二维位置检测和/或获得由第一和第二输出信号的信号特性的唯一组合表示的数目增加的检测池。
另外，将理解，第一和第二输出信号的预定的幅度和预定的符号可以在制造阶段就已经被确定，但更优选的是，在安装的时候要么由安装者手动地估计要么借助于校准单元估计（在本公开中将进一步进行更详细的描述）。
根据本发明的实施例，第一感测区的第一组区段的区段与第一感测区的第二组区段的区段可以交替设置。类似地，第二感测区的第一组区段的区段与第二感测区的第二组区段的区段可以交替设置。例如，感测区的区段可以以条状图案设置，其中第一组区段的列与第二组区段的列交替。可替换地，感测区的区段可以以格子图案设置。本实施例的有利之处在于改善了位置确定的精度，因为它在第一感测区的区段与第二感测区的区段之间提供了数目增加的接口/连结。每次热源进入区段时，诸如当热源从与第一和第二感测元件之一相关联的一个区段移动至与第一和第二感测元件中的另一个相关联的邻近区段时，提供输出信号特性中的改变。
在本发明的实施例中，PIR传感器系统还可以包括量化构件（或量化器），其被配置成将第一输出信号量化为至少两个并且优选地至少四个水平，和/或将第二输出信号量化为至少两个并且优选地至少四个水平，其有利之处在于提供了第一和/或第二输出信号的更具区分性的信号特性，这便于输出信号的处理和分析。在两个量化水平的情况下，根据说明性（并且非限制性）的示例，输出信号可以使用一个阈值T1来量化，其中，如果输出信号的幅度和符号在T1和-T1之间，则它被四舍五入到0，并且如果它的幅度和符号大于T1，则四舍五入到0.5V，以及如果它的幅度和符号小于T1，则四舍五入到-0.5V。因此，通过两个水平的量化，可以获得输出信号的三个区分性的信号特性值（幅度和符号）。在四个量化水平的情况下，可以使用两个阈值，并且根据相同的原理可以获得五个区分性的信号特性值。通过量化输出信号，每个检测池可以由第一输出信号的区分性的量化值（例如，0、0.5V和-0.5V之一）和第二输出信号的区分性的量化值（例如，0、0.5V和-0.5V之一）的组合表示。
量化水平和/或阈值的数目可以例如在制造阶段确定，在系统的使用期间由用户或者通过统计学习确定。量化构件可以例如设置在每个PIR传感器处、处理单元处或作为分离的单元。
根据可替换的实施例，PIR传感器系统可以包括设置在第一PIR传感器处并且被配置成将第一输出信号量化为至少两个并且优选地至少四个水平的第一量化构件，和/或设置在第二PIR传感器处并且被配置成将第二输出信号量化为至少两个并且优选地至少四个水平的第二量化构件。除了通过量化本身获得的上述优势（诸如第一和/或第二输出信号的更具区分性的信号特性）之外，本实施例的有利之处在于更少的信息不得不从PIR传感器传送到处理单元，因为量化的信号比原始（未量化）的信号携带更少的信息。
根据实施例，具有重叠区段的检测池的数目可以等于或大于量化水平的数目。因此，第一和第二感测区的部分重叠的范围可以通过量化水平的数目确定。本实施例的有利之处在于它为检测池提供了第一输出信号的幅度和符号以及第二输出信号的幅度和符号的更多唯一的组合。换言之，更少的检测池被相同的信号特性组合表示，这降低了热源位置的错误检测的风险。
在实施例中，每个检测池可以由第一输出信号的预定的幅度和预定的符号以及第二输出信号的预定的幅度和预定的符号的唯一的组合表示，这降低了热源位置的错误检测的风险。第一和第二输出信号的信号特性的特定组合于是可以仅与一个检测池相关联。
可替换地，一些检测池可以由输出信号特性的相同组合表示。
根据实施例，PIR传感器系统还可以包括第一光学构件，其被适配成引导来自第一PIR传感器的第一感测元件上的第一感测区的第一组区段的热辐射以及来自第一PIR传感器的第二感测元件上的第一感测区的第二组区段的热辐射。另外，系统还包括第二光学构件，其被适配成引导来自第二PIR传感器的第一感测元件上的第二感测区的第一组区段的热辐射以及来自第二PIR传感器的第二感测元件上的第二感测区的第二组区段的热辐射。光学构件可以优选地包括透镜，诸如菲涅耳透镜，但也可以包括例如用于引导IR辐射的分段抛物面镜。例如，每一个光学构件可以包括被设置成引导来自第一感测元件上的第一组区段的IR辐射的第一组透镜，以及被设置成引导来自第二感测元件上的第二组区段的IR辐射的第二组透镜。
根据实施例，PIR传感器系统还可以包括第一差分电子组件，第一PIR传感器的第一和第二感测元件可以被连接为对其的相反输入，第一差分电子组件被配置成基于来自第一PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号提供第一输出信号。另外，系统可以包括第二差分电子组件，第二PIR传感器的第一和第二感测元件被连接为对其的相反输入，第二差分电子组件被配置成基于来自第二PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号提供第二输出信号。本实施例的有利之处在于跨整个感测区的温度改变被抵消，从而降低错误检测的风险。差分电子组件可以例如是差分放大器。
另外，第一差分电子组件可以被配置成通过对来自第一PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号做减法来提供第一输出信号，并且第二差分电子组件可以被配置成通过对来自第二PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号做减法来提供第二输出信号。因此，如果一个PIR传感器的感测区中的整体温度增加，该PIR传感器的两个感测元件将生成电压，该电压将彼此相减并从而抵消，这导致零（或平坦的）输出信号。
根据实施例，PIR传感器系统还可以包括第一滤波器，其用于对第一输出信号进行滤波以用于移除噪声和/或连续的信号分量，和/或第二滤波器，其用于对第二输出信号进行滤波以用于移除噪声和/或连续的信号分量，其有利之处在于它便于第一和/或第二输出信号的处理和分析。滤波器可以例如被设置在每个PIR传感器处、处理单元处或作为系统中的分离的单元。
根据本发明的实施例，处理单元可以被配置成在预定的时间间隔处确定热源位于哪个检测池中，由此可以随时间获得热源位置的映射，这可以用于确定热源的运动方向和/或运动模式。
在实施例中，处理单元可以被配置成确定热源的运动方向，其例如可以通过在预定的时间间隔处确定热源的位置来实现，如上所述，和/或通过监视第一和第二输出信号中的改变来实现，诸如信号中的符号的改变。确定热源的运动方向例如在照明系统中可以是有利的，因为照明系统可以基于运动方向被控制，例如使得灯在运动的方向上被接通并且可以在热源的前方提供（或者投射）较多光而在所述热源后方提供较少光。
根据本发明的实施例，PIR传感器系统还可以包括校准单元，其被配置成基于第一和第二输出信号确定第一和第二感测区的配置，其有利之处在于PIR传感器系统可以被适配于其中它被建立的局部环境。另外，校准单元可以被配置成确定第一和第二感测区的覆盖、取向和空间重叠中的一个或多个。本实施例的有利之处在于诸如第一和第二感测区的覆盖、取向和空间重叠之类的信息不需要被事先知道。这样的信息对于PIR传感器和光学构件的所有组合并不总是可用的，特别是如果光学构件和PIR传感器由不同的制造商提供。如果感测区的配置地图可用，它仍然可能仅仅是指示性的并且可能并未考虑PIR传感器的装配高度和取向。通过本实施例，PIR传感器系统可以被校准并且被适配于系统中的实际的PIR传感器、关于其中设置系统的环境的其感测区及其配置。
根据本发明的实施例，提供了包括如前述实施例中的任一个中限定的PIR传感器系统的照明系统。本发明的有利之处在于，照明系统可以将光照适配于PIR传感器系统检测到的热源的存在和/或位置。
在另一个实施例中，可以提供HVAC（采暖、通风和空气调节）系统，其包括如前述实施例中的任一个中限定的PIR传感器系统。另外，根据本发明的PIR传感器系统可以被包括在其中期望热源的位置检测的任何系统中。将理解，根据本发明的PIR传感器系统还可以被用于向若干不同的系统提供信息，诸如照明系统和HVAC系统。
注意，本发明涉及权利要求中陈述的特征的所有可能组合。当研究随后的详细公开、附图和随附的权利要求时，本发明的另外的目的、特征及其优势将变得显而易见。本领域技术人员认识到，本发明的不同特征可以进行组合以创建除了以下描述的那些之外的实施例。
附图说明
参照示出本发明的实施例的附图，现在将更详细地描述本发明的这些和其它方面。
图1是根据本发明的实施例的PIR传感器系统的示意图。
图2a示出了图1中所示的PIR传感器系统的PIR传感器的感测区。
图2b示出了当人走过图2a中所示的感测区时PIR传感器提供的输出信号。
图3示出了图1中所示的PIR传感器系统的具有检测池的感测区域以及第一和第二输出信号的预定的幅度和预定的符号，每个检测池由所述预定的幅度和预定的符号表示。
图4a-4d示出了当人走过其中安装有图1的PIR传感器系统的房间时的测试情形，其中：
图4a是某些时间点处的房间的示意性顶视图，
图4b示出了作为时间的函数的生成的输出信号，
图4c示出了量化后的输出信号，以及
图4d示出了PIR传感器系统的处理单元估计的人的位置。
图5a-5d图示了根据本发明的实施例的校准方法。
图6示出了作为时间的函数的输出信号能量。
图7示出了归一化的输出信号。
图8示出了量化的平均输出信号。
图9a和9b示出了通过校准方法获得的第一和第二PIR传感器的感测区的地图。
所有附图是示意性的，未必是按比例的，并且一般仅示出阐明本发明必需的部分，其中其它部分可以被省略或仅仅被暗示。
具体实施方式
参照图1，将描述根据本发明的实施例的PIR传感器系统。
图1示出了PIR传感器系统100的示意图，其包括与第一感测区11相关联的第一PIR传感器1和与第二感测区12相关联的第二PIR传感器2。第一和第二PIR传感器1、2被设置使得第一和第二感测区11、12部分重叠。第一PIR传感器1包括第一感测元件4、第二感测元件5，以及第一菲涅耳透镜8（或任何其它合适的光学构件），其被适配成将热辐射从第一感测区11的第一组区段（图1中未示出）引导（或聚焦）到第一感测元件4，并且将热辐射从第一感测区11的第二组区段（图1中未示出）引导（或聚焦）到第二感测元件5。类似地，第二PIR传感器2包括第一感测元件6（也可以被称为第三感测元件6）、第二感测元件7（也可以被称为第四感测元件7），以及第二菲涅耳透镜9（或任何其它合适的光学构件），其被适配成将热辐射从第二感测区12的第一组区段（图1中未示出）引导到第三感测元件6，并且将热辐射从第二感测区12的第二组区段（图1中未示出）引导到第四感测元件7。
感测元件4-7可以包括热电材料，当它被加热或冷却时生成短暂的电压。优选地，感测元件4-7对波长9.4μm左右的IR辐射敏感，来自人体的IR辐射在该波长处最强。例如，感测元件4-7可以对区间1-20μm内的波长敏感。例如，感测元件可以由诸如氮化镓、硝酸铯或聚氟乙烯之类的热电材料制成，其对宽范围之上的IR辐射敏感。滤波窗口可以设置在每个感测元件前方以用于将到达热电材料的IR辐射限制到8-14μm的区间内的辐射。
第一和第二感测元件4、5被接线为对诸如差分放大器之类的第一差分电子组件13的相反的输入，所述第一差分电子组件13被配置成基于来自第一和第二感测元件4、5的输入信号提供第一输出信号。因此，由被加热或冷却的感测元件生成的短暂电压提供了输出信号所基于的输入信号。优选地，第一差分电子组件13通过对第一和第二感测元件4、5生成的输入信号做减法来提供第一输出信号，使得跨整个第一感测区11的整体温度改变被抵消。类似地，第三和第四感测元件6、7被接线为对诸如差分放大器之类的差分电子组件14的相反的输入，所述差分电子组件14被配置成基于来自第三和第四感测元件6、7的输入信号提供第二输出信号。优选地，第二差分电子组件14通过对第三和第四感测元件6、7生成的输入信号做减法来提供第二输出信号，使得跨整个第二感测区12的整体温度改变被抵消。第一和第二差分电子组件13、14可以例如被分别设置在第一和第二PIR传感器1、2处或者作为分离的单元。
另外，PIR传感器系统100包括处理单元15，诸如中央处理单元，CPU 15，其被配置成基于第一和第二差分电子组件13、14提供的第一和第二输出信号确定热源在PIR传感器系统100的感测区域（即，第一和第二感测区11、12覆盖的区）中的位置。滤波器（未示出）可以被提供用于对第一和/或第二输出信号进行滤波以用于移除噪声和/或连续的信号分量。滤波器可以优选地被提供在每个PIR传感器1、2处，但是可以可替换地被设置在CPU 15处或者作为分离的单元。CPU
15可以连接至照明系统或照明设备（未示出）并被配置成基于热源的位置检测控制照明系统。
参照图2a和2b，将描述PIR传感器系统100中的第一PIR传感器1的第一感测区11。
图2a示出了第一PIR传感器1的感测区11。菲涅耳透镜8将IR辐射从第一组区段的区段21引导到第一感测元件4以及从第二组区段的区段22引导到第二感测元件5。优选地，菲涅耳透镜8可以被配置使得第一组区段的区段21与第二组区段的区段22以条状图案交替设置，如图2a中所示。可选地，每个区段21、22可以被分为按列设置的子区段26（为清晰起见，图2a中仅用参考编号标记了两个子区段），其中每一列提供区段21、22。
在本实施例中，人20（或热源）的位置和/或移动可以沿箭头31指示的跨区段21、22的横向延伸的方向确定。当人20在方向31上走过第一感测区11，并因此穿过交替设置的区段21、22时，第一PIR传感器1将提供随时间变化的第一输出信号25，如图2b中所示。在本示例中，第一感测元件4被接线为对第一差分组件13的正输入，并且第二感测元件5作为负输入，由此，当人20进入第一组区段的区段21时，提供第一输出信号25的正峰，并且当人20进入第二组区段的区段22时，提供负峰。
将理解，第二感测区12的结构和第二PIR传感器2的操作原理可以与如上所述的第一感测区11的结构和第一PIR传感器1的操作原理相同。
参照图3，将进一步描述PIR传感器系统100的感测区域40（即，覆盖区域）。感测区域40由第一和第二PIR传感器1、2的两个重叠的感测区11、12形成。第一和第二感测区1、2部分重叠使得与第二感测区的区段重叠的第一感测区11的区段限定检测池46a-46f，并且非重叠区段限定其它的检测池45a-45d。在本示例中，两个最左边的检测池45a、45b每个都包括第一感测区11的一个非重叠区段，并且两个最右边的检测池45c、45d每个都包括第二感测区12的一个非重叠区段。另外，中央的六个检测池46a-46f包括第一和第二感测区11、12的重叠的（或叠加的）区段。
每个检测池由第一输出信号的预定的幅度和预定的符号（如参考编号47指示的行中所示）以及第二输出信号的预定的幅度和预定的符号（如参考编号48指示的行中所示）的特定组合表示。幅度由从检测池到PIR传感器的距离确定，使得更靠近感测区的边缘的区段由更低的幅度（由-和+图示）表示，并且更靠近感测区的中心的区段由更大的幅度（由--和++图示）表示。符号由与区段相关联的感测元件的输入和差分电子组件之间的接线确定。在本示例中，第一感测区11的第一组区段的区段21和第二感测区12的第一组区段的区段由正号（由+和++图示）表示，并且第一感测区11的第二组区段的区段22和第二感测区12的第二组区段的区段由负号（由-和--图示）表示。例如，参考编号45a指示的检测池由预定的第一和第二输出信号特性+和0表示，其中+表示第一输出信号，并且0表示第二输出信号，因为检测池45a包括第一感测区11的边缘处的非重叠区段且不包括第二感测区12的任何区段。因此，如果第一输出信号是小的正信号（如使用例如某些阈值确定的那样）且第二输出信号是零（或平坦的），则人（即，热源）被检测为在参考编号45a指示的检测池中，即在感测区域40的极左边上。作为另外的示例，由参考编号46c指示的检测池由分别的预定的第一和第二输出信号特性++和++表示。因此，如果第一和第二输出信号二者都是大的正信号（如使用例如某些阈值确定的那样），则人被检测为在参考编号46c指示的检测池中，即，靠近感测区域40的中心。
PIR传感器系统100还可以包括量化构件或量化器（未示出），其被配置成根据量化方案量化第一和第二输出信号。信号可以例如根据以下方案使用两个阈值T1和T2被量化为四个水平（排除零水平）：
其中s是未量化的输出信号并且sq是量化的信号。阈值可以例如是T1=0.05V以及T2=0.4V。将理解，符号+、++、-和--是象征性的，并且可以表示量化的信号的实际信号值，诸如例如分别为0.5V、1V、-0.5V和-1V。
检测池由其被表示（或编码）的信号特性的组合由第一和第二感测区11、12的重叠的范围和配置确定。在本示例中，每个检测池由第一输出信号的预定的幅度和预定的符号以及第二输出信号的预定的幅度和预定的符号的唯一的组合表示，如图3中所示。唯一组合的使用是优选的，因为第一和第二输出信号的信号特性的一个组合于是可以与单个检测池相关联。为了增加唯一组合的数目，具有重叠区段的检测池的数目可以等于或大于量化水平的数目，其在本示例中具有四个量化水平，这意味着至少四个检测池可以包括重叠区段。如果较少的检测池包括重叠区段，将获得非唯一的组合。在实施例中（未示出），检测池可以包括部分重叠的区段，从而允许更精细的热源定位，然而，这可能更加有噪声。
将参照图4a-4d描述根据本发明的实施例的PIR传感器系统100的操作原理。图4a是某些时间点处房间30的示意性顶视图，图4b示出了在PIR传感器系统100中生成的、作为时间的函数的第一和第二输出信号，图4c示出了量化后的第一和第二输出信号，并且图4d示出了PIR传感器系统100的CPU 15估计的人20的位置。
PIR传感器系统100在实验布置中被测试，其中第一和第二PIR传感器1、2以从地面大约2.5m的距离被设置在房间30中，并且PIR传感器系统100覆盖的感测区域40大约是6×7.5m。感测区域40（以及重叠）的布局被配置为如上文参照图3所述。在测试期间，人20两次从房间30的左侧走到右侧并且返回，并且然后停在房间30的左侧几秒钟，如图4a中所示。
在测试期间第一和第二PIR传感器1、2分别生成的未量化的第一和第二输出信号在图4b中绘制，并且根据等式1量化后的第一和第二输出信号在图4c中绘制。CPU 15被配置成将第一输出信号的幅度和符号以及第二输出信号的幅度和符号与检测池之一相关联以用于确定人20位于哪个检测池。因此，通过分析量化的第一和第二输出信号的幅度（或量值）和符号，CPU
15使用图3中所示的编码确定人20在感测区域40内的位置（或在感测区域40内定位人20）。图4d示出了CPU 15估计的人的位置，其中人20的定位每0.4s被绘制一次。人20在房间30中的位置由方形61指示（为清晰起见，只有一个方形被参考编号61标记），其如箭头32指示的那样在房间的维度范围之上延伸。如在图4a和4d中可见，CPU 15估计的定位遵循人20两次从房间30的左侧到右侧并且返回的运动。在测试的最后几秒期间（由图4d中最右边的列表示），人20静止站立在房间30的左侧，并且因此在该区域中仅出现三个检测。
热源的定位可以通过使用诸如卡尔曼滤波、粒子滤波或隐马尔可夫模型之类的追踪技术来修正（微小的）错误而得到进一步增强，从而使定位更鲁棒。
为了改善PIR传感器系统的功能，第一和第二感测区（或PIR传感器系统的感测区域）的配置可以优选地对处理单元已知。第一和第二感测区的配置可以包括第一和第二感测区的覆盖、取向和空间重叠中的一个或多个，并且可以取决于PIR传感器、光学构件的配置以及它们相对彼此的取向和距离。由关于感测区域的配置的信息，可以推导第一和第二输出信号的预期配置并且可以为每个检测池设定第一和第二输出信号的预定的幅度和预定的符号。
关于感测区域的配置的信息可以从PIR传感器和光学构件的制造商获得，并且可以在PIR传感器系统的安装之前或期间预设。然而，这样的信息并不总是可用的，特别是如果PIR传感器和光学构件来自不同的制造商的话，并且即使信息可用，它通常仅仅是指示性的，并且可能取决于安装设定（主要是随安装高度中的变化）而变化。因此，根据本发明的实施例，PIR传感器系统可以包括校准单元，其被配置成基于第一和第二输出信号确定第一和第二感测区的配置。校准单元可以被配置成确定第一和第二感测区的覆盖、取向和空间重叠中的一个或多个。将在下文中描述根据其可以校准PIR传感器系统的校准方法。校准单元可以被包括在CPU中或者可以是分离的单元。
校准方法包括安装者或用户可以沿着PIR传感器系统近似覆盖的区域（即，感测区域）中的预定义的轨迹（或图案或路径）行走。轨迹点可以被PIR传感器检测到并用信号传达给处理单元（诸如参照图1所述的CPU），其可以优选地包括存储器。预定义的轨迹可以被适配于被校准的PIR传感器系统的配置。例如，如果PIR传感器每个都包括两个感测元件，如参照图1所述，则可能需要比如果PIR传感器每个都包括四个感测元件时更简单的校准模式。
另外，校准单元（或处理单元）可以被配置成分析响应于该已知的运动（即，安装者沿着预定义的轨迹的运动）所生成的第一和第二输出信号的配置（或PIR传感器的输出电压的形状），并且基于所述分析确定（或计算）第一和第二感测区的配置，例如通过确定光学构件的几何结构（或配置）和/或第一与第二PIR传感器之间的空间偏移。另外，校准单元（或处理单元）可以被配置成为每个检测池设定第一和第二输出信号的预定的幅度和预定的符号，从而编码PIR传感器系统的感测区域。在完成校准方法后，PIR传感器系统被设定用于热源的定位和追踪。
参照图5a-9b，将描述校准方法的更详细的示例。在本示例中，为如参照图1-3所述的PIR传感器系统100实施校准过程，该系统被安装在测试房间30中（如参照图4a-4d所述）。然而，将理解，下文中所描述的系统和方法还可以被扩展至其它类型的PIR传感器，包括具有四个感测元件的那些。
每个PIR传感器1、2的感测区11、12都具有三种类型的区，这反映在表示其配置的地图中，如图2a中所示，其中预期的PIR传感器响应被表述为0（无响应/在范围之外）、+1（正差电压）和-1（负差电压），其中+1将会对应于图2a中的深色区段21，并且-1对应于浅色区段22（或反之亦然）。为了估计PIR传感器系统100的配置，安装者可以通过根据PIR传感器1、2覆盖的区域40中的预定义的图案行走来校准系统。校准过程的开始和终止可以用信号传达给PIR传感器系统100，例如，使用远程控制。在这种情况下，通过两个感测元件类型的PIR传感器，行走图案可以包括PIR传感器1、2下的两个垂直方向上的行走（一个方向平行于列状区段21、22的纵向，并且一个方向垂直于列状区段21、22的纵向）。如果采用标准的装配系统，PIR传感器1、2相对于其相关联的光学构件8、9的取向可以是可观察的，并且因此是已知的。
在本示例中，人20可以首先在PIR传感器1、2下从左向右并且返回地行走两次，从而覆盖房间30的整个区域（除房间左侧，桌子占用的近似70cm），如图5a中所示。两个PIR传感器1、2的结果得到的输出信号被绘制在图5b中，其中实线表示第一输出信号，并且虚线表示第二输出信号。输出信号可以优选地用0.3Hz和8Hz处的截止频率带通滤波以移除连续的信号分量和任何高频噪声。
另外，安装者20可以在垂直方向上在第一PIR传感器1下来回行走四次，如图5c中所示，并且在第二PIR传感器2下来回行走四次（未示出）。来自第一PIR传感器1下的行走的结果得到的输出信号被绘制在图5d中。图5d中的y轴范围与图5b中的y轴范围相同，并且如可见的，图5d中所示的输出信号的幅度明显小于图5b中所示的输出信号的幅度。这是因为两个感测元件类型的PIR传感器对在垂直于列状区段21、22的纵向的方向上的温度改变更敏感，而对在平行于列状区段21、22的纵向的方向上不太敏感，这是由于感测区的几何结构所致。当安装者在与图5c中所示的相同的方向上在第二PIR传感器2下行走时，输出信号与图5d中所示的输出信号类似。
通过分析感测的输出信号，PIR传感器的取向可以通过计算当安装者在两个垂直的方向上行走时平均输出信号能量之间的比来推断。在图6中，绘制了当安装者20从左到右行走四次（即，图5a中所示的行走）时以及当安装者20从房间的前面向后面行走四次（即，在图中从上到下，如图5c中所示的行走）时的第一输出信号的能量。图6中的两个情况下的每个样本的平均能量之间的比是十，即，当某人在房间中从左向右行走时的输出信号能量平均起来是从房间的前面到后面（即，在图中从上到下）时的输出信号能量的十倍。通过使用该措施，确定第一PIR传感器1如何取向以及它沿着竖直方向具有低敏感性并且沿着水平方向具有高敏感性是可能的。在本示例中，可能最有意思的是确定沿着较高敏感性的方向（其为水平（左-右）方向）的感测区域配置，这可以使用参照图6描述的能量分析确定。
在校准过程之后，每个PIR传感器处记录的最大值可以被用于归一化校准期间记录的输出信号。在归一化之后，校准期间的最大值等于1，并且所有其它值可以被相应地缩放。随后，当安装者20在房间30中在水平方向（左-右）上行走时，考虑归一化的信号，并且焦点被导向第一输出信号，如图5b中所示。如果将输出电压信号分段成对应于四次行走的四个部分，其中两个被翻转以顾及行走方向，并且四个信号被绘制在一起，从而导致图7中所示的绘图。由图7中可见，信号非常类似。四个信号的平均在图7中用加粗的黑线绘制。平均信号然后可以被量化以使用阈值T获悉第一感测区的配置，这根据以下规则：
在本示例中，T=0.1（最大信号值的10%）。图8中示出了量化的图7中所示的平均信号。这时，可以估计针对每个区段（或房间位置）的第一输出信号的预期的极性，如图9A中所示的地图中图示的那样。将理解，地图可以被适配于手边的安装。浅色块92指示在这些区段中预期负的输出电压，深色块91指示预期正的输出电压，并且在块91、92之间和之外的区域中预期零（或非常低的）响应。对于第二PIR传感器的类似过程将引起类似的地图（其在图9b中示出），其中浅色块94指示在这些区段预期负的输出电压，深色块93指示预期正的输出电压，并且在块93、94之间和之外的区域指示预期零（或非常低的）响应。
本领域技术人员认识到，本发明绝不限于上述优选的实施例。相反，在随附的权利要求的范围内，许多修改和变型是可能的。例如，二维空间定位可以例如通过使用具有四个感测元件的分段PIR传感器实现，或者通过沿不同的方向设置PIR传感器对（例如，使得第一对PIR传感器关于第二对PIR传感器垂直取向）来实现。
另外，位置估计过程可以为相邻的传感器的子群执行以降低需要的通信量。在这种情况下，可以提供混合传感器网络拓扑，其中多个传感器执行基本操作，诸如滤波和/或量化，并且少数更智能、更强大的传感器整合来自相邻的传感器的信息并且在局部层面上执行热源定位。
Claims (17)
1.一种被动红外，PIR，传感器系统（100），包括：
-与第一感测区（11）相关联的第一PIR传感器（1），第一PIR传感器包括被配置成感测来自第一感测区的第一组区段的热辐射的第一感测元件（4）和被配置成感测来自第一感测区的第二组区段的热辐射的第二感测元件（5），其中第一PIR传感器的第一感测元件和第二感测元件是分立的，
-与第二感测区（12）相关联的第二PIR传感器（2），第二PIR传感器包括被配置成感测来自第二感测区的第一组区段的热辐射的第一感测元件（6）和被配置成感测来自第二感测区的第二组区段的热辐射的第二感测元件（7），其中第二PIR传感器的第一感测元件和第二感测元件是分立的，
其中，第一和第二感测区部分重叠使得与第二感测区的区段重叠的第一感测区的区段限定检测池（46a-46f），并且非重叠区段限定另外的检测池（45a-45d），
其中，每个检测池由基于来自第一PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号的第一输出信号的预定的幅度和预定的符号以及基于来自第二PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号的第二输出信号的预定的幅度和预定的符号表示，PIR传感器系统还包括：
-处理单元（15），其被配置成将第一输出信号的幅度和符号以及第二输出信号的幅度和符号与检测池之一相关联，以用于确定热源位于哪个检测池中。
2.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，其中，第一感测区的第一组区段的区段（21）与第一感测区的第二组区段的区段（22）交替设置，并且第二感测区的第一组区段的区段与第二感测区的第二组区段的区段交替设置。
3.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，还包括量化构件，其被配置成将第一输出信号量化为至少两个水平，和/或将第二输出信号量化为至少两个水平。
4.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，还包括量化构件，其被配置成将第一输出信号量化为至少四个水平，和/或将第二输出信号量化为至少四个水平。
5.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，还包括：
-第一量化构件，其被设置在第一PIR传感器处并且被配置成将第一输出信号量化为至少两个水平，和/或
-第二量化构件，其被设置在第二PIR传感器处并且被配置成将第二输出信号量化为至少两个水平。
6.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，还包括：
-第一量化构件，其被设置在第一PIR传感器处并且被配置成将第一输出信号量化为至少四个水平，和/或
-第二量化构件，其被设置在第二PIR传感器处并且被配置成将第二输出信号量化为至少四个水平。
7.如权利要求3-6中任一项限定的PIR传感器系统，其中，具有重叠区段的检测池的数目等于或大于量化水平的数目。
8.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，其中每个检测池由第一输出信号的预定的幅度和预定的符号以及第二输出信号的预定的幅度和预定的符号的唯一的组合表示。
9.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，还包括：
-第一光学构件（8），其被适配成引导来自第一PIR传感器的第一感测元件上的第一感测区的第一组区段的热辐射以及来自第一PIR传感器的第二感测元件上的第一感测区的第二组区段的热辐射，以及
-第二光学构件（9），其被适配成引导来自第二PIR传感器的第一感测元件上的第二感测区的第一组区段的热辐射以及来自第二PIR传感器的第二感测元件上的第二感测区的第二组区段的热辐射。
10.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，还包括：
-第一差分电子组件（13），第一PIR传感器的第一和第二感测元件被接线为对其的相反输入，第一差分电子组件被配置成基于来自第一PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号提供所述第一输出信号，以及
-第二差分电子组件（14），第二PIR传感器的第一和第二感测元件被接线为对其的相反输入，第二差分电子组件被配置成基于来自第二PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号提供所述第二输出信号。
11.如权利要求10中限定的PIR传感器系统，其中第一差分电子组件被配置成通过对来自第一PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号做减法来提供第一输出信号，并且第二差分电子组件被配置成通过对来自第二PIR传感器的第一和第二感测元件的输入信号做减法来提供第二输出信号。
12.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，还包括：
-第一滤波器，其用于对第一输出信号进行滤波以用于移除噪声和/或连续的信号分量，和/或
-第二滤波器，其用于对第二输出信号进行滤波以用于移除噪声和/或连续的信号分量。
13.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，其中，处理单元被配置成在预定的时间间隔处确定热源位于哪个检测池中。
14.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，其中，处理单元被配置成确定热源的运动方向。
15.如权利要求1中限定的PIR传感器系统，还包括校准单元，其被配置成基于第一和第二输出信号确定第一和第二感测区的配置。
16.如权利要求15中限定的PIR传感器系统，其中，校准单元被配置成确定第一和第二感测区的覆盖、取向和空间重叠中的一个或多个。
17.一种包括如权利要求1中限定的PIR传感器系统的照明系统。
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