CN109844476A - 运动跟踪用热电堆阵列传感器及其应用 - Google Patents

运动跟踪用热电堆阵列传感器及其应用 Download PDF

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Abstract

系统包括热电堆红外阵列传感器、能执行运动跟踪算法的微处理器，以及灯控策略。热电堆阵列传感器由透镜、传感器芯片和红外图像处理器组成。透镜用于成像。传感器芯片由横竖排列的热电堆像素组成，并置于透镜的焦点处。热电堆传感器检测红外辐射而不是检测热辐射。传感器的红外图像处理器用于获取由传感器的热电堆像素检测到的物体表面温度，并将温度数据传送到外部微处理器做后续处理。根据传感器的温度测量值，微处理器内的运动跟踪算法用于检测移动物体、静止物体的存在及其位置以及物体的移动方向。运动跟踪算法可以用于灯光的亮度控制以达到节能的效果。

Description

运动跟踪用热电堆阵列传感器及其应用
技术领域
本发明涉及热电堆红外阵列传感器、基于阵列传感器测量值进行运动跟踪算法的微处理器，以及在节能灯控系统方面的应用。
背景技术
在许多地方，公共区域的灯的使用占了能耗的大部分。传统做法是在晚上时将灯光调到全亮，在第二天早晨调灭灯光。有时，特别是过了午夜后，由于人流量低，对灯的使用需求将降低。因此增强灯控系统的功能，使其具备只在有需要时、提供合适亮度水平的灯光、从而降低能耗的能力会有巨大的潜力。
市场上的灯节能系统采用运动检测传感器，如被动红外(PIR)或微波传感器来控制灯的亮度。当传感器没有检测到其周围的运动时，传感器周围的灯光被调暗。当传感器检测到其周围的运动时，传感器附近的灯光被调至全亮。然而，这些传感器无法检测移动物体、静止物体的存在及其位置、物体移动方向及其表面温度。
因此，本发明通过采用热电堆红外阵列传感器检测比被动红外或微波传感器更多的运动行为，开发运动跟踪算法并将其应用于灯的亮度控制，从而达到更加节能的目的。
发明内容
根据本发明的系统，包括一个或多个热电堆阵列传感器、微处理器，以及灯控系统。热电堆阵列传感器包括透镜、传感器芯片和红外图像处理器。传感器芯片由排成多行和多列的热电堆组成。热电堆传感器用于远程测量物体和人体温度。
根据本发明的第一个方面，根据阵列传感器测得的温度，运动跟踪算法能够检测移动物体、静止物体的存在及其位置以及物体的移动方向。
根据本发明的第二个方面，运动跟踪算法可以用于控制灯的亮度，从而达到节能的目的。
附图说明
图1为热电堆阵列传感器结构示意图。
图2为热电堆传感器阵列的排布示意图。
图2为红外图像处理器和热电堆阵列示意图。
图4为传感器温度测量示例图。
图5为安装在天花板的两个用于人体存在检测的热电堆阵列传感器示意图。
图6为经过数据滤波后人体温度数据示意图。
图7为传感器测得的多人表面温度的热图。
图8为当有人走过热电堆阵列传感器时的示意图。
图9为当有人朝向传感器边缘走动时的人体温度的热图。
图10为基于人体移动方向的灯控策略示意图。
图11为多人的温度特性及其移动方向示意图。
图12为基于多人移动方向的灯控策略示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种热电堆阵列传感器101，包括透镜、传感器芯片以及红外图像处理器。透镜用于成像。图1和图2所示的传感器芯片102由热电堆像素阵列组成，并且放置在透镜的焦点处。热电堆传感器检测红外辐射而不是检测热辐射。每个热电堆像素，简称为像素，包括一系列热元件，每个热元件是一条由两种具有不同热效应的材料组成的细线。当线的两端出现温差时，电压产生了。如图3所示，由测量到的电压，传感器101的红外图像处理器得到所有像素的温度结果，并将数字温度数据传送到外部微处理器做后续处理。数字滤波用于降低热电堆的测量噪声。
图4示出了热电堆传感器视场内的物体表面温度测量的示例。基于所获取的温度数据流，可以在微处理器内实现各种不同的算法。
如图5所示，一个或多个热电堆阵列传感器可以安装在天花板上，用于人体存在检测。当有人在传感器的检测区域内时，传感器中所有像素的平均温度将高于无人时同一检测区域内的平均温度。基于温差，可以得到人体的存在状态，而不管该区域内是否有移动或静止的物体。
在很多地方，人们坐在一起聊天，那里没有安装用于调节灯光亮度的被动红外或微波传感器，因为这些传感器无法检测到静止的物体，因此即使该区域内无人，灯也始终保持点亮状态。可以在这些地方安装热电堆阵列传感器，以通过当没有人在附近时调暗灯光、当检测到有人时调亮灯光，来达到节能的目的。此外，基于传感器的温度数据，人在该区域的位置也可以估计出来。当一个人在热电堆阵列传感器下面时，测量到的温度数据可能类似于图4所示数据，地面和环境温度低于25摄氏度，人体温度高于25摄氏度。采用滤波器将25摄氏度以下温度数据滤除，图6所示为传感器测量值的热图，人体温度分布图显示在热图的中心周围。将此结果用于灯控，通过增加仅在正下方有人的灯的亮度，并调暗该区域的其他灯，可以进一步减少灯的耗能。
当多个人在传感器下面时，在将25摄氏度以下温度数据滤除后，测量的热图示例在图7中示出，三个不同的区域被识别为三个人，因此可以估算出在检测区域内人的位置和人数。估算结果可以用于灯光控制，实现节能。
基于传感器读数的运动跟踪算法可以用于检测移动方向。如图8所示，当有人从左向传感器中心移动时，数据滤波后，人体表面温度分布热图类似于图6所示分布。基于此热图可以得到热图的中心，即显示为36摄氏度的像素附近位置。当此人继续向右移动时，其热图可能如图9所示，热量中心在36摄氏度像素附近位置。基于传感器像素的热量中心的移动趋势，人的移动方向可以被估算出来。如图10所示，只有人体移动方向的两盏灯保持全亮，而其余的灯保持暗的状态。基于此控制策略，能耗可以被更进一步地降低。
不同的人可能具有表现出不同表面温度的热特征。如图11所示，在热图左上部分人的温度高于中间靠左的人的温度。通过获取具有不同温度特征的人的运动，每个人的移动方向可以被估算出来，其中一个人从左上走向右上，另外一个人从中间靠左走向右下。将此结果用于灯控，如图12所示，只有靠近传感器和沿着两个移动方向的灯保持全亮，其余的灯保持暗或灭的状态，从而达到更进一步节能的目的。

Claims (11)

1.一种热电堆阵列传感器包括:
透镜，用于成像，
传感器芯片，置于透镜焦点处、由横竖排列的热电堆像素组成，
红外图像传感器，用于从热电堆像素的测量值得到温度数据，并将滤波后的数字温度数据传输到用于运动跟踪算法和后续处理的外部微处理器。
2.根据权利要求1所述的热电堆阵列传感器，其特征在于：为了人体存在检测目的，当人在传感器的检测区域之内时，传感器中所有热电堆像素的平均温度会高于没有人时同一检测区域内的平均温度，并且基于温差，可以得到人体的存在状态，而不管该区域内是否有移动或静止的物体。
3.根据权利要求2所述的人体存在检测算法，其特征在于：热电堆阵列传感器可以布置在有人坐着聊天的区域，当检测到周围没有人时可以根据节能策略调低此处灯光的亮度，当检测到有人时则增加灯光的亮度。
4.根据权利要求1所述的热电堆阵列传感器，其特征在于：当有人在传感器的检测区域之内时，测量到的人体温度会高于环境温度，而通过滤除环境温度数据后得到的热量中心，就可以估算出在此区域内人的大致位置。
5.根据权利要求4所述的人体位置检测算法，其特征在于：将此结果用于灯光控制，通过增加检测到正下方有人的灯的亮度，调暗其余无人区域的灯的亮度来实现节能。
6.根据权利要求1所述的热电堆阵列传感器，其特征在于：当多个人在检测区域内时，不同的人可能具有表现出不同的平均体温的不同热特征，通过计算每个人的热量中心即可以估算出每个人的位置以及人的数量。
7.根据权利要求6所述的多人位置检测算法，其特征在于：将此结果用于灯光控制，通过增加每个检测到正下方有人的灯的亮度，调暗其余无人区域的灯的亮度来实现节能。
8.根据权利要求1所述的热电堆阵列传感器，其特征在于：当有人在传感器的检测区域之内走动时，通过计算在不同时刻人的热量中心的位置，人体的移动方向也就可以推算出来。
9.根据权利要求8所述的运动跟踪算法，其特征在于：将此结果用于灯光控制，只有人附近和人的移动方向上的灯完全打开，其余区域的灯光调灭或调暗，从而达到节能的目的。
10.根据权利要求1所述的热电堆阵列传感器，其特征在于：当多个人在检测区域内走动时，因为不同人的身体平均温度也不同，而通过计算每个人在不同时刻的热量中心就可以推算出每个人的移动方向。
11.根据权利要求10所述的位置跟踪算法，其特征在于：将此结果用于灯光控制，仅将每个人附近和移动方向上的灯完全打开，其余区域的灯光调灭或调暗，从而达到节能的目的。
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