CN111174923A - 红外线阵列占用感测装置 - Google Patents

Abstract

一种利用红外线热电堆阵列传感器做占用(Occupancy)感测装置，以方便需要占用感测的应用，包括一个具有宽视角镜片的热电堆阵列传感器与信号处理器。热电堆阵列传感器用以感测辐射体的热辐射，包括一宽视角红外线镜片、一热电堆阵列感测芯片，及一热敏电阻。信号处理器接收感测温度信号与传感器环境信号，通过模拟至数字转换与算法，得出量测辐射体与环境温度差值与预设值比较，输出数字控制信号。

Description

红外线阵列占用感测装置

技术领域

本发明是有关于一种红外线阵列占用感测装置，特别是一种利用红外线热电堆阵列传感器作为占用感测装置，可作为智能传感器或车联网传感器。

背景技术

常见的占用(Occupancy)感测，多以焦电式红外线传感器(PIR)为之，它大量使用于灯光节能控制使用，其特征为动态感测，当辐射体(例如人体)固定或长时间没有移动时则信号消失，因此会加入再触发的定时器以延长电器开启的时间。另有使用微波的传感器技术，采用都卜勒效应，也是属于动态感测技术。另外，超音波与近红外线感测则利用物体反射波原理，惟无法分辨是人还是物体。当要真正感测人体常在与否，例如阅读灯或厕所照明等，如采用动态传感器或是超音波或近红外线技艺会时常造成困扰。

车用领域也有感测乘员在否的需求，做为撞击时安全气囊引爆判断，没有乘员占用的位置其安全气囊则无需引爆。汽车车载的占用感测大都采用压力式感测原理并安装于座垫下面，但对于面向后座的婴儿座椅，无法正确判断，因安全气囊引爆时会将婴儿座椅推向后椅背，反而造成伤害。因此一款正确判断乘员状态的非接触式占用传感器则有其必要。

另外，部分的停车场车位管理系统采用视频摄像头做成的非接触式占用传感器，但此种占用传感器，使用的算法与硬件需求成本比较高，同时在车联网场合，个人隐私权易有外泄疑滤。

发明内容

本发明的一方面，提供一种红外线阵列占用感测装置,依据侦测状态输出控制或状态信号。红外线阵列占用感测装置包括一热电堆阵列传感器及一信号处理器电性连接于热电堆阵列传感器。热电堆阵列传感器，用于感测温度并输出感测温度信号，包括一热敏电阻、一热电堆阵列感测芯片及一宽视角红外线镜片。热敏电阻用来提供一传感器环境信号给信号处理器。热电堆阵列感测芯片具有一像素阵列，并输出像素阵列接收到的感测温度信号至信号处理器。宽视角红外线镜片邻设于热电堆阵列感测芯片且介于热电堆阵列感测芯片与辐射体之间，用来将一监测区域的一辐射体热辐射，成像在热电堆阵列感测芯片的像素阵列上，且对应辐射体的位置。其中，信号处理器读取像素阵列的感测温度信号于监控区域的最高值及最低值与传感器环境信号，计算量测温度差值,并与一第一预设值比较,当量测温度差值超过第一预设值时，设定像素为第一状态,并计算像素阵列中相邻且属于第一状态的像素数目并与一第二预设值比较，输出警示信号、区域占用状态或区域环境信息。

以下藉由具体实施例配合所附的附图详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1绘示依照本发明一实施例的红外线阵列占用感测装置结构图。

图2绘示依照本发明一实施例的红外线阵列占用感测装置的演算流程图。

图3绘示依照本发明一实施例的红外线阵列占用感测装置的另一演算流程图。

附图标记：

100 红外线阵列占用传感器；

110 热电堆阵列传感器；

111 红外线镜片；

112 热电堆阵列感测芯片；

1120 像素阵列；

1122 区域；

113 热敏电阻；

120 信号处理器；

121 低噪音放大器；

122 微控器；

123 阵列单元选择接口；

124 存储器；

125 通讯接口；

126 开源极输出MOS晶体管；

S0 辐射体热辐射；

S1 感测温度信号；

S1’ 放大处理后的感测信号；

S2 传感器环境信号；

S3 选择信号；

P 像素；

201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、211a、211b、212、213 步骤。

具体实施方式

以下将详述本发明的各实施例，并配合附图作为例示。除了多个详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以权利要求书为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或组件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。附图中相同或类似的组件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，附图仅为示意的用，并非代表组件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求附图的简洁。

图1绘示依据本发明的一种红外线阵列占用传感器100的结构图，红外线阵列占用传感器100包括用来感测辐射体(例如是人体)的热辐射的一热电堆阵列传感器110，以及一个信号处理器120。热电堆阵列传感器110包括(1)热电堆阵列感测芯片112，具有一像素阵列1120，包括多个像素P，用来感测空间内各区域的辐射体热辐射S0；(2)红外线镜片111，用来将空间中辐射体热辐射S0成像在热电堆阵列感测芯片112的像素阵列1120中对应像素P，产生感测温度信号S1，及(3)感测环温的热敏电阻113，提供一传感器环境信号S2给信号处理器120，于此所述的传感器环境信号S2例如是热电堆阵列传感器110本身的温度，提供热电堆阵列感测芯片计算像素感测温度的基准。避免热电堆阵列传感器110因为设置于车顶或车身等因位置不同而有不同的自体温度高低，影响感测结果。

为实现宽视角的目的，红外线镜片111可选择例如是红外线透镜，可包括例如硅质或锗质，或利用例如是塑料基底，且表面镀金属层的反射式镜片。欲监看较宽广的区域，镜片的设计为宽视角型式，镜片的视角例如大于40度，较佳的视角范围在70-120度之间，更佳的视角范围在100-120度之间，可视使用需求作调整，并不作特别的限制。

信号处理器120包括低噪音放大器(low-noise amplifier)121、微控器122、存储器124、通讯接口125或开源极输出MOS晶体管126。低噪音放大器121接收并放大来自热电堆阵列感测芯片的感测温度信号S1后，输出放大处理后的感测信号S1’至微控器122。具体而言，微控器122通过阵列单元选择接口123输出选择信号S3，藉以选择像素阵列1120中欲读取的热电堆像素，经由低噪音放大器121放大后送到微控器122。微控器122内建一模拟至数字转换器，可将接收到的模拟信号转成数字信号，再配合热敏电阻113的传感器环境信号S2，计算像素阵列1120中每个像素量测到的温度差值。

于一实施例中，微控器122运作所需的程序与设定阀值可以储存在存储器124内，存储器124例如是非挥发性存储器，用以储存演算程序及预设值。经微控器122演算的输出信号则可通过通讯接口125输出各区域的环境温度、占用状态、人型姿势等信号。如使用情境只需要简单的占用状态信号，则可通过开源极输出MOS晶体管126与高压控制接口连接，例如继电器，用来控制灯或通过干接触与其它系统介接。感测区域的画分，实质上以热电堆阵列感测芯片112的像素阵列1120中的像素区分，举例而言，可依照用户的需求及设备规格作规划。于图1中的像素阵列1120仅为示意，举例而言，像素阵列1120的规格可以是16x16,32x32或64x64以上，并不作特别限制。像素阵列1120对应的感测区域，是储存在存储器124内。

通讯接口125并不作限制可以是集成电路总线(Inter-Integrated Circuit Bus，I2C)、通用异步接收发送器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)、序列周边接口(Serial Peripheral Interface，SPI)以及通用序列总线(Universal SerialBus，USB)或其他型式的通讯接口。于一实施例中，微控器122、阵列单元选择接口123、存储器124与通讯接口125可以整合在单一芯片内。

图2所示为本发明一实施例的红外线阵列占用感测装置的演算流程图。请同时参照图1及图2，演算流程包括以下步骤:首先，辐射体热辐射S0通过邻设于热电堆阵列感测芯片112的宽视角红外线镜片111，成像于热电堆阵列感测芯片112的像素阵列1120上，且对应辐射体(未绘示出)的区域1122位置。于步骤201，读取热电堆阵列芯片112的像素阵列1120所感测到的感测温度信号S1，以及热敏电阻113感测的传感器环境信号S2。于步骤202，微控器122依据步骤201读取的数据，计算每个像素的量测温度值。步骤203，判别是否要分区演算占用状态，还是合并成一区计算。分区占用或是合并成单一区域计算，可通过用户设定选择、依据产品型态预设或调整。步骤204与步骤205，分别是以分区或是单区的占用演算与区域内的环境温度计算。

于车载应用的实施例中，需要分区计算乘员占用情形。于使用儿童安全座椅的特殊情况下，更要分辨后座婴儿是前向式还是背向式乘座，可通过儿童的头部于像素阵列的位置，是头靠前座或头靠后座辨识儿童安全座椅的方位。同时，计算分区的背景温度，提供智能冷气调控参考。例如后座有乘员时，自动开启后座冷气送风。如果左侧受日晒而温度偏高，则调整左边的送风量。对于办公室的占用，亦可提供单一空间内可区分的人员数目。

接着，于步骤206中，微控器122判断监测区域内感测温度信号与预设值的关系，得到辐射体二进制数字化与像素群组计算。具体来说，由区域内感测温度的最高值与最低值的差值,如相差小于第一预设值，则无辐射体(热源)存在。反之，于步骤206，当像素温度大于区域内感测温度的最低值及第一预设值时，判断像素为辐射体(热源),区域内的像素状态设为1(二进制数字化的第一状态),步骤206中，标示区域内的其余像素设为0(二进制数字化的第二状态)是环境像素。环境像素的平均值，为此区域量测到的环境温度的平均值此为区域环境温度输出值，可作为分区冷气控制的参考。

第一预设值可依据用户的需求、像素的精密度、使用环境等参数做调整。感测到热源的区域，包括热源边界，此些边界所侦测到的像素辐射体信号可能部分位于环境部分位于辐射体热源，热源边界会同时受到环境温度与辐射体热源温度的影响。可以理解的是，像素的精密度越高，判断空间内可区分人员数目的准确度越高。于一实施例中，第一预设值可以是2℃-5℃，较佳地为2℃-3℃。

接着，于步骤207，微控器122判断相邻像素为1(第一状态)者组成群组的像素数目与第二预设值的关系，当群组内相邻像素为1(第一状态)的数目大于第二预设值，可分析为特定辐射体占用情形，则进入步骤208，标示区域内占用旗标为1。反之，则进入步骤209，标示区域内占用旗标为0。于一实施例中，第二预设值为像素的数目，可依据所欲检测的特定辐射体大小，设定第二预设值，据以依据相邻像素为1的像素数目，判别是否正确检测到辐射体，排除单一像素热点被误判为辐射体的情况。于一实施例中，也可以依据相邻像素为1(第一状态)者组成群组的区域范围，判断检测到的辐射体或其坐向等，特定辐射体可为大人、小孩、婴儿等，例如可判断婴幼儿于汽车儿童安全座椅的坐向。

接着，于步骤210，当暂存的分区运算完成，即可更新区域旗标状态。于步骤211，判断区域内旗标改变时间与第三预设值的关系。于步骤212，当区域内旗标改变时间大于第三预设值时，输出警示信号。步骤212的情境，通常对于一些应用，例如医院病人离床超过40秒，则送出警示信号到护理站。对办公室应用当占用消失一段时间后则会关灯与冷气等。步骤213，更新与输出区域占用状态与区域环境信息,尔后再回到步骤201重复上述步骤。

本发明的实施例的占用传感器，依据感测到辐射体(例如是人体)在区域内位置演算结果，可输出区域环境信息与区域占用状态，例如乘员状态(婴儿前向或背向座向)。如此一来，可克服一般占用传感器只能输出占用情形。

图3所示为本发明的红外线阵列占用感测装置的另一演算流程图。此实施例例如可配合引擎状态应用于车载装置，作为小孩遗忘在车的警示。图3揭示的演算流程，与图2相似之处，于此不再赘述。于步骤211a，判断引擎关闭时间与第四预设值的关系。于步骤211b，当引擎关闭时间大于第四预设值，且特定区域内有乘员占用(例如后座)，则进入步骤212，输出警示信号，以提醒驾驶人检查是否有小孩遗留车上。当引擎关闭时间小于或等于第四预设值，则进入步骤213，输出区域占用状态与环境信息，并回到步骤201。

本发明精神在于利用一个具有宽视角镜片的热电堆阵列传感器配合信号处理器做占用感测装置，除可输出多区域的占用状态，也可输出此区域的环境信息。又本发明可依据感测到辐射体(人体)的辐射体信号对应热电堆阵列像素位置，区分车载应用时婴儿座椅的面向。于某些实施例，本发明的非接触式占用传感器，可配合引擎开关信号，作为小孩遗留车上的警示。

采热感应原理的非接触式占用传感器，除可分辨辐射体(例如是人体)位置外，还可依据人体所在位置的环境信息，作为车载冷气自动风量调整的参考，例如对于太阳西晒的乘员位置，可加大冷气的送风量，此为智能冷气的应用，这是视频摄像头无法提供的功能。本发明采用热电堆阵列传感器制备非接触式占用传感器，可以可靠地侦测长时间的占用状态，同时可分辨多个人体位置与姿势及人体周遭环境信息，做为智能控制使用。在医院或养老院，可做夜间离床侦测，当人离床超过例如40秒没有回来时，医护人员则要介入查看，节省医护人力，同时提供病患更佳的照护与安全。特别地，本发明的热电堆阵列传感器可以在全黑环境工作，应用范围更胜视频摄像头做成的非接触式占用传感器。

综上所述，本发明的红外线阵列占用感测装置包括一个具有宽视角的热电堆阵列传感器，一个信号处理器，以及信号处理的算法，可以藉由输出感测到的占用状态与分区位置信号，或通过一个逻辑输出控制信号，做为节能或安全检测的应用。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以的限定本发明的保护范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一款红外线阵列占用感测装置，依据侦测状态输出控制或状态信号，包括：一热电堆阵列传感器，用于感测温度并输出一感测温度信号,以及

一信号处理器，与该热电堆阵列传感器电性连接，其中，该热电堆阵列传感器，包括：

一热敏电阻，用来提供一传感器环境信号给该信号处理器；

一热电堆阵列感测芯片，具有一像素阵列，并输出该像素阵列接收到的该感测温度信号至该信号处理器；

一宽视角红外线镜片，邻设于该热电堆阵列感测芯片且介于该热电堆阵列感测芯片与辐射体之间，用来将一监测区域的该辐射体的热辐射，成像在该热电堆阵列感测芯片的该像素阵列上，且对应该辐射体的位置；

其中，该信号处理器，依据该热电堆阵列感测芯片的该像素阵列的该感测温度信号于该监测区域的一最高值及一最低值、与该传感器环境信号，计算一量测温度差值,并与一第一预设值比较,当该量测温度差值超过该第一预设值时，设定该像素为第一状态,并计算该像素阵列中相邻且属于该第一状态的像素数目并与一第二预设值比较，输出警示信号、区域占用状态或区域环境信息。

2.如权利要求1所述的红外线阵列占用感测装置，其特征在于，该宽视角红外线镜片的视角介于70度至120度之间。

3.如权利要求1所述的红外线阵列占用感测装置，其特征在于，该信号处理器包括：

一低噪音放大器，具有一输入端接收该感测温度信号，以及一输出端，输出一放大处理后的感测信号；

一阵列单元选择接口,电性连接该热电堆阵列感测芯片，并提供该热电堆阵列感测芯片读取一选择像素,将该选择像素输出至该低噪音放大器；

一微控器，内建一模拟至数字转换器，该微控器接收来自该低噪音放大器输出的该放大处理后的感测信号，演算出该像素阵列的各像素的该量测温度差值并与该第一预设值比较以由该模拟至数字转换器转成数字信号设定该第一状态，且计算该像素阵列中相邻且属于该第一状态的像素数目并与该第二预设值比较以设定该区域占用状态,,利用算法计算该区域占用状态与该区域环境信息,并通过通讯接口输出该区域占用状态或该区域环境信息；

一非挥发性存储器,用以储存该微控器的运算程序与该第一预设值、该第二预设值及该第三预设值；

一通讯接口,用来输出该微控器演算后的该区域占用状态或该区域环境信息。

4.如权利要求3所述的红外线阵列占用感测装置，其特征在于，该微控器是一集成芯片，包括该非挥发性存储器、该通讯接口和该微处理器。

5.如权利要求3所述的红外线阵列占用感测装置，其特征在于，该通讯接口包括通用串行总线，通用异步收发器或串行通讯总线。

6.如权利要求1所述的红外线阵列占用感测装置，其特征在于，该像素阵列，包括一单一区域或多个区域，该单一区域或该些区域的像素地址值，储存在该非挥发性存储器内。

7.如权利要求1所述的红外线阵列占用感测装置，其特征在于，该信号处理器更包括一开源极输出MOS晶体管,电性连接该微控器及外部控制电路，用以提供整体感测区域的占用状态控制。

8.如权利要求1所述的红外线阵列占用感测装置，其特征在于，该微控器依据该感测温度信号于该像素阵列对应的区域的相对地址，判断车载乘员的面向姿势信号。

9.如权利要求1所述的红外线阵列占用感测装置，其特征在于，该微控器根据该区域占用状态改变超过一第三预设值时间，输出该警示信号。

10.如权利要求1所述的红外线阵列占用感测装置，其特征在于，该微控器接收一引擎开关信号，当该引擎开关信号显示引擎关闭，且依据该区域占用状态判断有人占用，持续时间超过一第四预设值时，输出警示信号。

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