Инфракрасный детектор присутствия для обнаружения присутствия объекта в зоне наблюдения - RU2616569C2
Код документа: RU2616569C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области техники обнаружения присутствия. Более конкретно оно относится к определению присутствия объектов в интересующей зоне с использованием датчика теплового излучения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обнаружение присутствия или занятости используется в системах, которые автоматически начинают действовать, когда представляющей интерес объект, например человек, присутствует в интересующей зоне, например, зоне наблюдения. К примеру, дверь, например, раздвижная дверь, может автоматически открываться, если перед ней стоят люди, светильники могут включаться, когда человек входит в комнату или находится вблизи светильников, светильники могут выключаться, когда в комнате никто не находится, или может запускаться аварийный сигнал при обнаружении вторжения.
Несколько способов обнаружения присутствия являются известными в области техники. Например, чувствительные к давлению датчики или индукционные петли могут встраиваться в пол для обнаружения присутствия людей или механизмов. Для выделяющих тепло объектов, например, конкретно для людей и/или животных, таких как домашние животные, обнаружение может предусматривать датчики для обнаружения инфракрасного излучения, излучаемого такими объектами. Обнаружение инфракрасного излучения может выполняться с использованием компактной и доступной по цене технологии, и преимуществом над другими способами, такими как распознавание визуального изображения, акустическое зондирование или ультразвуковое обнаружение, является, что теплокровные живые существа, например, люди, излучают тепловое излучение с характеристическим спектральным распределением, например, с пиком приблизительно 9,5 мкм для людей, и с наличием значительной мощности, например, приблизительно 100 Вт длялюдей. Поскольку инфракрасное излучение излучается этими теплокровными живыми существами, обнаружение не требует наружного освещения. Кроме того, многие материалы, которые являются непрозрачными или позволяют только ограниченное пропускание света в видимой части спектра, являются прозрачными для инфракрасного излучения.
В качестве примера, в современного технического уровня устройствах для обнаружения присутствия или занятости, пассивные инфракрасные (PIR) датчики обычно используются, чтобы обнаруживать движущиеся, выделяющие тепло объекты в зоне наблюдения. Такой PIR датчик преобразовывает инфракрасную энергию, например тепловое излучение, в электрический сигнал, например, напряжение. Термин «пассивный» в этом случае означает, что PIR датчик не излучает инфракрасный луч, а просто пассивно воспринимает входящее инфракрасное излучение. PIR датчики для обнаружения людей могут иметь пик чувствительности по длине волны, настроенный приблизительно на 10 мкм, например, близко к 9,5 мкм, максимальной длины волны инфракрасного излучения, излучаемого людьми. Такое устройство с PIR датчиком для обнаружения занятости раскрыто в патентном документе US 4318089. В этом документе устройство с PIR датчиком предшествующего уровня техники для обнаружения присутствия может содержать пару разнесенных чувствительных к инфракрасному излучению элементов в корпусе, таком как трехконтактный корпус с металлическим основанием для полупроводниковых устройств, например, корпус ТО-5 транзисторного типа. Корпус может дополнительно иметь окно прозрачности, чтобы ограничивать излучение, пропускаемое через окно в корпус, до подходящего диапазона длин волн, например, между 5 мкм и 15 мкм, или между 7 мкм и 14 мкм. Такое окно прозрачности может, например, изготавливаться из надлежащего материала, такого как германий, кремний или полиэтилен.
В типичном устройстве PIR датчика предшествующего уровня техники парой чувствительных к инфракрасному излучению элементов могут являться пироэлектрические элементы, соединенные в конфигурацию с противодействующим (с компенсацией) напряжением, например, соединенные в противофазную последовательность, например, с помощью электрического соединения пары соответствующих полюсов обоих элементов. Пироэлектрические элементы имеют дифференциальный отклик (чувствительность); изменение температуры индуцирует временное изменение напряжения через элемент, которое рассеется вследствие тока утечки при постоянной температуре. Однако, организация дифференциального считывания через два элемента может дополнительно уравновешивать сигналы, обусловленные вибрацией, изменениями температуры окружающей среды или освещением по всей области, например, солнечным светом. Корпус, содержащий пироэлектрические элементы, может дополнительно содержать чувствительный полевой транзистор (FET), чтобы считывать напряжение на паре чувствительных элементов. Два чувствительных элемента в противофазной последовательности, например, могут быть заземленными на одном зажиме, а на другом зажиме являться подсоединенными к затвору FET и подсоединенными к согласующему ("утягивающему вниз") резистору.
Сенсорные устройства предшествующего уровня техники обычно дополнительно содержат фокусирующий компонент, такой как линза Френеля или многогранное параболическое зеркало, чтобы проецировать инфракрасное излучение, излучаемое объектом, вырабатывающим тепло, например, человеком, на чувствительные элементы. Этот фокусирующий элемент сконструирован так, что излучение, излучаемое вырабатывающим тепло объектом, движущимся через зону наблюдения, например, пересекающим зону обзора устройства обнаружения, проецируется на чувствительные элементы попеременным образом, то есть, элемент, на который это излучение узко направляется, переключается периодически. Таким образом, на выходе FET генерируется переменный ток, который можно дополнительно усиливать.
Преимущество соединения элементов в конфигурации с противодействующим напряжением, например, в противофазную последовательность, состоит в том, что сенсорное устройство становится нечувствительным к температуре окружающей среды. Однако, поскольку чувствительные элементы никогда не являют абсолютно одинаковые характеристики, могут возникать уходы характеристик, которые должны отфильтровываться из системы путем создания «плавающего» опорного уровня на основе усредняющего фильтра нижних частот.
В цифровом исполнении такого устройства предшествующего уровня техники дополнительная фильтрация может приводить сигнал в надлежащее состояние, например, уменьшать искажение (наложение спектров), до его дискретизации аналого-цифровым преобразователем (ADC) обычно с низкой частотой выборки, например, менее чем 10 Гц, например, 5 Гц. Частота выборки обычно является довольно низкой вследствие малого отношения сигнал/шум (SNR), например, SNR со значением приблизительно 2. В цифровой области пики отфильтрованного сигнала могут быть детектированы, каковое запустит событие на предварительно установленную длительность при достижении некоторого уровня, например, пик может запустить включение освещения или открытие двери и перезапуск таймера, который выключит освещение или закроет дверь после предварительно установленной задержки, которая обычно является регулируемой пользователем.
В области техники являются известными сходные аналоговые схемы, которые реализуют такую же или сходную функцию. И в аналоговых, и в цифровых устройствах, выдержкой времени таймера и чувствительностью устройства можно управлять путем изменения установки параметров.
Однако, такой основанный на PIR способ обнаружения может иметь недостатки, обусловленные режимом дифференциации по проектному решению. Такие устройства запускаются только при обнаружении перемещения объектов в зоне наблюдения. Например, если люди остаются неподвижными более длительно, чем позволяет таймер в основанном на PIR сенсорном устройстве для выключения освещения, они могут удивиться выключению освещения.
В Патенте США номер № US 4849737 раскрывается другой основанный на PIR детектор. Этот датчик предшествующего уровня техники приспособлен для механического сканирования пространства, например, расположением основанного на PIR детектора на вращающемся диске. Таким образом, человек, который остается по существу неподвижным относительно своей среды, может наблюдаться этим PIR детектором предшествующего уровня техники, поскольку движение датчика устанавливает относительное перемещение между человеком и детектором. Однако, эффективность обнаружения таких основанных на PIR датчиков все еще может зависеть от относительной скорости детектора и обнаруживаемого человека.
Кроме того, PIR устройства, как известно в области техники, зачастую требуют сложного конструктивного решения, например, тщательно спроектированных линз Френеля, для способности обеспечивать указание направления перемещения обнаруженного объекта, например, направление пешего движения человека. Автоматические раздвижные двери, которые используют PIR датчики для обнаружения людей, следовательно, обычно не располагают на боковых стенах коридоров из-за многих ложных аварийных сигналов, которые могут запускаться просто проходящими мимо людьми.
Кроме того, конструктивное решение основанного на PIR устройства, которое способно обеспечивать указание числа обнаруженных объектов в зоне наблюдения, например сколько людей присутствуют в сцене, налагает дополнительные сложности. Элементарное указание количества присутствующих людей, например, различением между одним человеком или многими людьми, например, будет полезным в эффективном ориентированном на человека устройстве мониторинга образа жизни, например, для применения мониторинга в уходе за пожилыми в ситуациях, где несколько пожилых людей совместно используют одни и те же жилые помещения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объект вариантов осуществления настоящего изобретения состоит в обеспечении хорошего обнаружения присутствия для излучающих тепловое излучение объектов.
Вышеупомянутая задача решается посредством способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением.
В первом аспекте настоящее изобретение обеспечивает устройство обнаружения для осуществления обнаружения присутствия объекта в зоне наблюдения. Устройство содержит по меньшей мере один чувствительный к инфракрасному излучению элемент, приспособленный формировать сигнал датчика, связанный с количеством инфракрасного излучения, принятого изнутри зоны наблюдения; блок обработки, приспособленный получать упомянутый сигнал датчика, формировать значение контраста (различия) путем сравнения полученного сигнала датчика с опорным значением, и определять присутствие объекта путем оценивания условия относительно упомянутого значения контраста; и средство вывода для осуществления вывода определенного присутствия объекта и/или атрибута, выведенного из такового. В вариантах осуществления настоящего изобретения блок обработки дополнительно приспособлен для подстройки опорного значения так, что отрицательная обратная связь применяется к значению контраста.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может обнаруживать объекты, излучающие тепловое излучение, и когда эти объекты остаются статичными, и когда эти объекты движутся.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может не быть чувствительным к неподвижным излучающим тепло объектам, таким как нагреватели, оставаясь чувствительным к мобильным излучающим тепло объектам, даже если такие объекты остаются неподвижными в течение некоторого времени.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может заменить традиционные основанные на PIR детекторные устройства в системе обнаружения без требования крупной модернизации.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое не требует линзы Френеля.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое не требует таймера.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может использоваться в широком диапазоне установочных параметров без требования подстроек регулируемых пользователем параметров, таких как установочные параметры чувствительности или таймера.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может быть компактным и требует наличия лишь нескольких компонентов.
В вариантах осуществления настоящего изобретения блок обработки может быть приспособлен для значения контраста путем вычитания опорного значения из сигнала датчика; определения объекта «присутствующим», если упомянутое значение контраста превышает заранее заданный первый уровень; и подстройки опорного значения так, что отрицательная обратная связь применяется к значению контраста путем суммирования заранее заданной доли значения контраста с таковым, если упомянутое значение контраста ниже заранее заданного второго уровня.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, являющегося устойчивым к мешающим объектам, таким как нагреватели или окна, оставаясь при этом чувствительным к целевым, излучающим тепло объектам, таким как люди.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может приспосабливаться к присутствию таких мешающих объектов динамическим и эффективным образом, например, без требования калибровки в отсутствие целевых излучающих тепло объектов, таких как присутствующие люди.
В устройстве обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один чувствительный к инфракрасному излучению элемент может содержать по меньшей мере один термоэлектрический датчик.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может обнаруживать и неподвижные, и мобильные объекты, излучающие тепловое излучение.
Устройство обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может дополнительно содержать датчик окружающей температуры. В устройстве обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения блок обработки может быть дополнительно приспособлен для приема сигнала температуры от упомянутого датчика окружающей температуры и для применения поправки на температуру к упомянутому сигналу датчика или к упомянутому опорному значению с учетом сигнала температуры.
Преимущество устройства обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, что оно может управляться несколькими параметрами, которые являются слабо чувствительными к условиям окружающей среды, например, которые могут не требовать точной настройки для использования в конкретной зоне наблюдения.
В устройстве обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один чувствительный к инфракрасному излучению элемент может содержать матрицу чувствительных к инфракрасному излучению элементов, и блок обработки может быть приспособлен для приема множества сигналов датчика, каждый сигнал датчика принимается от соответствующего чувствительного к инфракрасному излучению элемента упомянутой матрицы; обеспечения множества значений контраста путем поэлементного сравнения множества сигналов датчика с множеством опорных значений; определения присутствия объекта путем оценивания упомянутого условия относительно упомянутого множества значений контраста; и подстройки множества опорных значений поэлементно так, что отрицательная обратная связь применяется ко множеству значений контраста. Преимуществом таких вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может идентифицировать позицию объекта, подлежащего обнаружению, в зоне наблюдения.
Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое может определять направление перемещения одного или множества объектов в зоне наблюдения, например, чтобы повысить эффективность при использовании в системе управления для открывания раздвижных дверей.
В устройстве обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения каждый чувствительный к инфракрасному излучению элемент упомянутой матрицы может быть приспособлен для формирования сигнала датчика, связанного с количеством инфракрасного излучения, принятого изнутри соответствующей подобласти зоны наблюдения, и упомянутое средство вывода может быть приспособлено для осуществления вывода числа значений контраста в множестве значений контраста, которые удовлетворяют упомянутому условию и/или атрибуту, выведенному из такового. Преимущество таких вариантов осуществления настоящего изобретения, что может обеспечиваться устройство, которое может выполнять подсчет, например, людей в комнате.
Устройство обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может кроме того содержать по меньшей мере один модуль беспроводной связи для передачи информации между упомянутым по меньшей мере одним чувствительным к инфракрасному излучению элементу, упомянутым блоком обработки, и/или упомянутым средством вывода. Преимуществом вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства, которое возможно легко вводить в действие, то есть, требующего нескольких проводных соединений.
Во втором аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ для обнаружения присутствия объекта в зоне наблюдения. Способ содержит получение по меньшей мере одного значения сигнала датчика, связанного с количеством инфракрасного излучения, принятого изнутри зоны наблюдения; формирование по меньшей мере одного значения контраста путем сравнения по меньшей мере одного значения сигнала датчика по меньшей мере с одним опорным значением; и определение присутствия объекта путем оценивания условия относительно упомянутого по меньшей мере одного значения контраста. Способ согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, кроме того, содержит подстройку по меньшей мере одного опорного значения так, что отрицательная обратная связь применяется к упомянутому по меньшей мере одному значению контраста.
В способе согласно вариантам осуществления настоящего изобретения упомянутое обеспечение значения контраста может содержать вычитание опорного значения из значения сигнала датчика, и определение присутствия объекта может содержать оценивание, превышает ли упомянутое значение контраста заранее заданный первый уровень. Упомянутая подстройка опорного значения может содержать добавление заранее заданной доли значения контраста к таковому. Упомянутая подстройка опорного значения может исполняться при удовлетворении дополнительного условия на упомянутое значение контраста.
В способе согласно вариантам осуществления настоящего изобретения оценивание, удовлетворяется ли дополнительное условие относительно упомянутого значения контраста, может содержать оценивание, ниже ли упомянутое значение контраста заранее заданного второго уровня.
Способ согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может кроме того содержать применение поправки на температуру к упомянутому значению сигнала датчика или к упомянутому опорному значению с учетом измерения температуры окружающей среды.
В способе согласно вариантам осуществления настоящего изобретения получение значения сигнала датчика может содержать получение множества значений сигнала датчика, каждое значение сигнала датчика связывается с количеством инфракрасного излучения, принятого изнутри соответствующей подобласти зоны наблюдения; формирование значения контраста может содержать обеспечение множества значений контраста путем поэлементного сравнения множества сигналов датчика с множеством опорных значений; определение присутствия объекта может содержать оценивание упомянутого условия относительно упомянутого множестве значений контраста; и подстройка опорного значения может содержать подстройку множества опорных значений поэлементно так, что отрицательная обратная связь применяется к каждому значению из множества значений контраста.
Конкретные и предпочтительные аспекты изобретения изложены в прилагаемых независимых и зависимых пунктах формулы изобретения. Признаки из зависимых пунктов формулы изобретения могут комбинироваться с признаками независимых пунктов формулы изобретения и с признаками других зависимых пунктов формулы изобретения, как надлежит, а не просто как в прямой форме изложено в формуле изобретения.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны из варианта(ов) осуществления, описанного ниже в документе, и пояснены со ссылкой на таковой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схематичный показ первого варианта осуществления устройства обнаружения согласно первому аспекту настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схематичная иллюстрация архитектуры системы с термоэлектрическими датчиками согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 - схематичный показ второго варианта осуществления устройства обнаружения по первому аспекту настоящего изобретения.
Фиг. 4 - иллюстрация обнаружения объекта с помощью устройства обнаружения согласно второму варианту осуществления первого аспекта настоящего изобретения.
Фиг. 5 - иллюстрация примерных этапов способа для способа согласно второму аспекту настоящего изобретения.
Фиг. 6 - иллюстрация температуры кожи по отношению к теплоте окружающей среды.
Фиг. 7 - показ примерного сигнала отклика в виде функции времени для устройства обнаружения по предшествующему уровню техники.
Фиг. 8 - показ примерного сигнала отклика для устройства обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, когда присутствует один интересующий объект.
Фиг. 9 - показ примерного сигнала отклика для устройства обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, когда интересующий объект не присутствует.
Чертежи являются лишь схематичными и неограничительными. На чертежах размер некоторых из элементов может быть преувеличенным и не вычерчиваться в масштабе в иллюстративных целях.
Любые ссылочные знаки в пунктах формулы изобретения не следует рассматривать ограничивающими объем.
На различных чертежах одинаковые ссылочные знаки относятся к одним и тем же или аналогичным элементам.
Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления
Настоящее изобретение будет описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления и со ссылкой на некоторые чертежи, но изобретение ограничивается не таковыми, а только формулой изобретения. Описанные чертежи являются лишь схематичными и неограничительными. На чертежах размер некоторых из элементов может быть преувеличенным и не вычерчиваться в масштабе в иллюстративных целях. Размерности и относительные размеры не соответствуют фактическому осуществлению на практике изобретения.
Кроме того, термины первый, второй и подобные в описании и в формуле изобретения используются для различения между сходными элементами и необязательно для изображения последовательности, либо временной, пространственной, в виде упорядочивания, либо любым другим образом. Нужно понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, и что варианты осуществления изобретения, описанного в документе, способны работать в последовательностях, отличных от описанных или иллюстрируемых в документе.
Кроме того, термины «верхний», «ниже» и подобные в описании и пунктах формулы изобретения используются в описательных целях, а не обязательно, чтобы описывать относительные позиции. Нужно понимать, что термины, используемые таким образом, являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах, и что варианты осуществления изобретения, описанного в документе, способны работать в ориентациях, отличных от описанных или иллюстрируемых в документе.
Нужно заметить, что термин "содержащий", используемый в формуле изобретения, не следует интерпретировать ограничиваемым средствами, приведенными после него; он не исключает наличие других элементов или этапов. Его таким образом следует интерпретировать указывающим присутствие заявленных признаков, целых, этапов или компонентов, как упомянуто, но это не исключает присутствия или добавления одного или нескольких других признаков, целых, этапов или компонентов, либо групп таковых. Таким образом, область действия выражения "устройство, содержащее средства А и В", не должно ограничиваться устройствами, состоящими только из компонентов А и В. Это означает, что по отношению к настоящему изобретению, только А и В являются релевантными компонентами устройства.
Ссылка по всему данному описанию на "один вариант осуществления" или "вариант осуществления" означает, что конкретная функция, структура или характеристика, описанная в связи с вариантом осуществления, включается по меньшей мере в один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, вхождения фраз "в одном варианте осуществления" или "в варианте осуществления" в различных местах по всему данному описанию не обязательно все ссылаются на один и тот же вариант осуществления, но могут. Кроме того, конкретные функции, структуры или характеристики могут комбинироваться любым подходящим образом, как будет очевидно среднему специалисту в данной области техники из этого раскрытия, в одном или нескольких вариантах осуществления.
Подобно следует оценить, что в описании примерных вариантов осуществления изобретения различные признаки изобретения иногда группируются в одном варианте осуществления, чертеже или описании такового с целью упрощения раскрытия и помощи в понимании одного или нескольких различных изобретательских аспектов. Этот способ раскрытия, однако, не должен интерпретироваться отражающим намерение, что заявленное изобретение требует большего количества признаков, чем явно изложено в каждом пункте формулы изобретения. Предпочтительнее, как отражает последующая формула изобретения, изобретательские аспекты заключаются менее чем во всех признаках одного предшествующего раскрытого варианта осуществления. Таким образом, формула изобретения, следующая после подробного описания, тем самым явно включается в это подробное описание, причем каждый пункт формулы изобретения представлен сам по себе в качестве отдельного варианта осуществления данного изобретения.
Кроме того, хотя некоторые варианты осуществления, описанные в документе, включают некоторые, но не другие признаки, включенные в другие варианты осуществления, комбинации признаков из различных вариантов осуществления подразумеваются находящимися в рамках объема изобретения и образующими различные варианты осуществления, как будет понятно специалистам в данной области техники. Например, в последующей формуле изобретения любой из заявленных вариантов осуществления может использоваться в любой комбинации.
В представленном в документе описании изложены многочисленные конкретные подробности. Однако, подразумевается, что варианты осуществления изобретения могут реализовываться без этих конкретных подробностей. В других примерах известные способы, структуры и способы не были показаны подробно, чтобы не затенять понимания данного описания.
Там, где в вариантах осуществления настоящего изобретения делается ссылка на "термобатарею", ссылка осуществляется на электронный компонент, предназначенный для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, например, для создания разности потенциалов, указывающей локальную разность температур, например, по существу пропорциональную такой разности температур. Такая термобатарея содержит множество межсоединенных термопар, обычно соединяемых последовательно, из каковых можно, например, каждую получить путем размещения «в стопу» ряда слоев по меньшей мере из двух различных проводящих материалов, таких как металлические сплавы. В термопаре, если разность температур применяется к двум спаям двух разнородных проводников, напряжение, которое может быть пропорциональным разности температур, порождается согласно эффекту Зеебека. Объединением множества термопар в последовательное соединение получают термобатарею, которая усиливает довольно малое падение напряжения, сформированное на одиночной термопаре. Термобатарею для обнаружения инфракрасного излучения можно формировать на полупроводниковом, например, кремниевом, кристалле. Например, площадь этой микросхемы можно вытравить, оставив только тонкую мембрану, на которой можно осаждать чередующиеся слои из двух различных проводящих материалов. Оба типа проводников могут иметь чередующиеся слои в центре мембраны и на основной части полупроводниковой подложки. Центральные спаи, или горячие спаи, в центре мембраны затем можно покрыть подходящим абсорбирующим инфракрасное излучение слоем. Спаи на других концах проводников образуют холодные спаи. Термоэлектрическая батарея может монтироваться в корпусе транзисторного типа (ТО) или с поверхностным монтажом (SMD) с подходящей крышкой (способностью) фильтра, то есть, прозрачной для представляющего интерес окна с длиной волны инфракрасного диапазона.
Там, где в вариантах осуществления настоящего изобретения ссылка делается на применение отрицательной обратной связи к выходу системы, ссылка делается на подстройку переменной, которая влияет на этот выход, так что выход системы остается по существу постоянным.
В первом аспекте настоящее изобретение относится к устройству 10 обнаружения для обнаружения присутствия или отсутствия объекта 9 в зоне 8 наблюдения. На Фиг. 1 показан иллюстративный вариант осуществления устройства 10 обнаружения согласно этому первому аспекту. Это устройство 10 обнаружения содержит по меньшей мере один чувствительный к инфракрасному излучению элемент 11 в виде термоэлектрического датчика. Этот чувствительный к инфракрасному излучению элемент 11 приспособлен для формирования сигнала датчика, то есть, электрического выходного сигнала, такого как, например, выходное напряжение, указывающего инфракрасное излучение, принятое изнутри зоны 8 наблюдения. Устройство 10 обнаружения может содержать фокусирующий элемент 7, например, линзу, например, кремниевую линзу, чтобы фокусировать на чувствительный элемент 11 инфракрасное излучение изнутри зоны 8 наблюдения, например, изнутри конуса, который проецирует на чувствительный к инфракрасному излучению элемент 11 через фокусирующий элемент 7.
Устройство 10 обнаружения дополнительно содержит блок 12 обработки, который приспособлен для приема сигнала датчика от чувствительного элемента 11. Сигнал датчика может передаваться по сигнальной шине в виде аналогового электрического сигнала от чувствительного к инфракрасному излучению элемента 11 на блок 12 обработки. В таком случае блок 12 обработки может содержать аналого-цифровой (ADC) преобразователь и микропроцессор или цифровое вычислительное устройство для выполнения логических и арифметических операций, изложенных ниже в документе. Однако, специалисту в данной области техники будет понятно, что блок 12 обработки может быть приспособлен для обработки аналогового сигнала, и как таковой фактически может выполнять описанные операции без аналого-цифрового преобразования. Альтернативно, сигнал датчика может передаваться от чувствительного элемента 11 на блок 12 обработки в цифровой форме, например, сигнал может преобразовываться в цифровой сигнал чувствительным устройством и затем передаваться, например, по шине, такой как шина 12С. Такой оцифрованный сигнал может также передаваться посредством модулей беспроводной связи.
Блок 12 обработки кроме того приспособлен для обеспечения значения контраста путем сравнения принятого сигнала датчика с опорным значением. Это значение контраста может быть разностью, вычисленной путем вычитания опорного значения из сигнала датчика, или может включать в себя функцию, например, кубическую функцию, применяемую к этой разности. Например, сигнал датчика может быть представлен цифровой выборкой, например, дискретизированной компонентом ADC с частотой выборки, например, менее чем 20 Гц, например, менее чем 10 Гц, такой как на частоте выборки в 5 Гц или ниже, или частоте выборки в 1 Гц или ниже, даже ниже к 0,01 Гц, например, для датчиков, которые находятся в "спящем режиме" и проверяют каждую минуту или около того, присутствует ли живое существо, чтобы принять решение, входить ли в "активный режим" или нет. Для каждой выборки Ii сигнала датчика, где Ii является числовым индексом во временном ряде значений, полученных дискретизацией, вычисляется значение Ci контраста, например, Ci=Ii-Bi-1, где Βi-1 относится к опорному значению, обеспеченному в предыдущем временном такте i-1, или к предварительно установленному значению В0 по умолчанию для вычисления первого значения контраста в последовательности, i=1. Предварительно установленное значение В0 по умолчанию может соответствовать значению сигнала датчика, которое будет получено для достаточно высокой температуры для зоны 8 наблюдения, например, значительно выше температуры внутри помещения, например, 40°С.
Блок 12 обработки, кроме того, приспособлен для определения присутствия или отсутствия объекта 9 путем оценивания условия относительно значения контраста. Этот объект 9 может, например, быть определен «присутствующим», если значение контраста превышает заранее заданный первый уровень. Теплоизлучающий объект 9 может полагаться имеющим поверхностную температуру выше, чем его окружающая среда, например, человек может иметь поверхностную температуру приблизительно между 27°С и 33°С для комнаты с температурой окружающей среды между 15°С и 30°С. Опорное значение Bi-1 может быть интерпретировано как эволюционирующая поправка на температуру фона, например, будет подстраиваться обсужденном дополнительно ниже образом, чтобы следовать изменениям в наблюдаемом сигнале Ii датчика из-за изменений температуры окружающей среды и мешающих объектов в зоне обзора чувствительного элемента 11, то есть, не подлежащих обнаружению в качестве интересующего объекта 9, например, радиатор отопления. Для обнаружения присутствия живого существа, например, для обнаружения присутствия человека, в зоне с комнатной температурой, присутствие может определяться путем проверки, превышает ли значение Ci контраста заранее заданный первый уровень Li (который необязательно может быть функцией температуры внутри помещения), например, значение,
соответствующее разности значения сигнала датчика, полученного для наблюдаемой разности температур между 0,5°С и 10°С, например, 2°С. Это условие на значение контраста отражает основное предположение об объекте 9, подлежащем обнаружению, например, присутствие человека является обычно более «горячим», чем комнатная температура, как видно на Фиг. 6, взятой из публикации "Skin Temperature in Relation to the Warmth of the Environment" (Температура кожи по отношению к теплоте среды), Т. Bedford, The Journal of Hygiene, выпуск 35, №3, стр. 307-317, август 1935.
Следует отметить, что это является характеристикой объекта, подлежащего обнаружению, и его окружающей среды, и, следовательно, может быть более устойчивым чем, например, установка параметров таймера и/или чувствительности для PIR датчика современного уровня техники.
Устройство 10 обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения содержит средство 13 вывода для осуществления вывода определенного присутствия объекта 9 и/или атрибута, выведенного из такового. Средство 13 вывода может содержать вывод сигнальной шины, интерфейс шины передачи данных, интерфейс проводной или беспроводной сети связи или другое средство электронной связи. Средство 13 вывода может также содержать мощный выходной сигнал для приведения в действие устройства, подключенного к нему, например, исполнительного, устройства, такого как исполнительное устройство для открывания и закрывания двери, аварийной сигнализации или освещения. Устройство 10 может передавать через средство 13 вывода полученный атрибут, то есть сигнал, отличающийся от настоящего состояния присутствия объекта, но связанный с ним. Такой полученный атрибут, например, может быть статистической величиной, например, числом объектов, обнаруженных во временном окне, или временем, прошедшем с момента последнего обнаружения.
Блок 12 обработки, кроме того, приспособлен для настройки опорного значения так, что отрицательная обратная связь применяется к значению контраста. Например, отрицательная обратная связь может обеспечиваться суммированием заранее заданной доли значения контраста с опорным значением. Кроме того, в полезных вариантах осуществления эта отрицательная обратная связь может быть условной, так что отрицательная обратная связь применяется только, если значение контраста ниже заранее заданного второго уровня. Этот режим отрицательной обратной связи может подстраивать значение контраста Ci во времени, чтобы компенсировать изменения, например, от излучателя (батареи отопления) в зоне обзора, который медленно нагревается.
Например, новое опорное значение Bi может обеспечиваться согласно Βi=Βi-1+β.Ci. Коэффициент пропорциональности β может отражать скорость обучения, например, в подходе с выпуклым фильтром, и может, например, иметь значение между 0,01 и 0,10, например, 0,05, для частоты выборки 1 Гц. Эта настройка может выполняться условно, например,
в котором заранее заданный второй уровень θ может иметь значение меньше, чем заранее заданный первый уровень, например, значение, соответствующее значению сигнала датчика, которое получают для разности температур между 0,1 и 2°С/с, например, ниже 1°С/с, например, 0,2°С/с.
Необязательно, устройство 10 обнаружения может содержать датчик 15 окружающей температуры. Блок 12 обработки может быть приспособлен для приема сигнала температуры от этого датчика 15 окружающей температуры и для применения поправки на температуру к сигналу Iiдатчика или к заранее заданному опорному значению Biс учетом сигнала температуры. Например, сигнал Ii датчика, значение Ci контраста и опорное значение Bi могут быть все нормированными по отношению к температурной шкале, например, в °С, используя показание Tiдатчика окружающей температуры. Таким образом, блок 12 обработки может периодически выполнять следующие операции:
1. получать выборки Ii и Ti
2. вычислять Ci=Ii-Bi-1,
3. вычислять
4. определять присутствие объекта 9, если Ci> заранее заданного предельного значения L.
Следует отметить, что значение контраста в этом примере вычисляется согласно знаковой функции, чтобы сформировать сигнал присутствия для объектов, которые являются более «горячими» на заранее заданное предельное значение L, чем уровень фона. Второе пороговое значение θ, которое обычно может быть меньше, чем L, подстраивает опорный уровень фона, если наблюдается сигнал, более холодный, чем фон, или сигнал, который является более горячим, но не превышает второе пороговое значение θ. Могут использоваться измерения температуры окружающей среды, чтобы дополнительно откалибровать сигнал фона во времени в изменяющихся обстоятельствах, таким образом обеспечивая нормированные значения контраста. Это может повышать устойчивость, то есть, условие для определения присутствия, и условие для условной коррекции отрицательной обратной связи может задаваться в единицах, которые являются менее чувствительными к условиям окружающей среды.
На Фиг. 2 схематично иллюстрируется архитектура системы 10 с термоэлектрическими датчиками согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, содержащая по меньшей мере один чувствительный к инфракрасному (IR) излучению элемент 11, например матрицу термоэлектрических элементов. Сигналы чувствительного к излучению элемента 11 усиливаются в усилителе 28 и посылаются в качестве сигналов I датчика на модуль 29 вычитания фона вместе с информацией T температуры из температуры внутри помещения. Модуль 29 вычитания фона обновляет сигнал BG фона и выдает сообщение события Е, когда система 10 с датчиками обнаруживает присутствие живого существа. В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения модуль 29 вычитания фона реализует функцию вычитания фона/динамики с учетом сведений, которые были получены и об обнаруженном объекте 9, и об окружающей среде:
- живые существа, конкретно - люди, являются более теплыми, чем температура окружающей среды (если объекты, подлежащие обнаружению, являются более холодными, чем температура окружающей среды, функции «переворачиваются»); и
- "ложные объекты", такие как, например, нагреватели и окна, только повышают свою температуру медленно во времени с малым градиентом в направлении вверх.
Во втором варианте осуществления, иллюстрируемом на Фиг. 3, по меньшей мере один чувствительный к инфракрасному излучению элемент 11 может содержать по меньшей мере два чувствительных к инфракрасному излучению элемента 11. Например, по меньшей мере один чувствительный к инфракрасному излучению элемент 11 может содержать матрицу 18 из чувствительных к инфракрасному излучению элементов, например, чувствительных к инфракрасному излучению элементов в матрице с равномерно выполненными промежутками, например, одномерной матрице, например, матрице 8×1 элементов, или двумерной матрице, например, матрице 8×8 элементов. Каждый чувствительный к инфракрасному излучению элемент 11 в матрице 18 может быть приспособлен для формирования сигнала датчика, связанного с количеством инфракрасного излучения, принятого изнутри соответствующей подобласти 17 зоны 8 наблюдения. Таким образом зону 8 наблюдения можно охватить множеством подобластей 17, например, конусов, из которых инфракрасное излучение проецируется на соответственные чувствительные элементы 11. Например, матрица 18 может быть матрицей термоэлектрических датчиков, такой как матрица термоэлектрических датчиков на интегральной схеме. Такой массив термоэлектрических датчиков может содержать набор удаленных чувствительных к температуре элементов, охватывающих объединенный угол обзора. Помимо чувствительных к температуре элементов они могут также иметь точное встроенное средство для измерения температуры самого датчика, например, терморезистор.
Матрицы термоэлектрических элементов могут осуществлять обнаружение живых существ, например, людей, не только в движении, но также и когда они являются статичными. Кроме того, такие матрицы могут использоваться для определения, в каком направлении перемещаются живые существа.
Помимо множества чувствительных к инфракрасному излучению элементов 11, система 10 с датчиками согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения также содержит блок 12 обработки. Блок 12 обработки может быть приспособлен для приема множества сигналов датчика, каждый сигнал датчика принимается от соответствующего чувствительного к инфракрасному излучению элемента 11 в матрице 18. С каждым сигналом датчика могут быть связаны значение контраста и опорное значение, то есть, блок 12 обработки может быть приспособлен для обеспечения множества значений контраста путем поэлементного сравнения множества сигналов датчика с множеством опорных значений:
Блок 12 обработки может быть дополнительно приспособлен для определения присутствия объекта 9 путем оценивания условия относительно множества значений контраста:
вектора, связанные с множеством чувствительных элементов. Li может быть функцией измерения температуры внутри помещения.
Сигналы I, BG и Е, как представлены со ссылкой на Фиг. 2, в этом варианте осуществления реализованы в виде векторов, с элементами, соединенными с элементами датчика 11 матрицы термоэлектрических элементов. Таким образом присутствие живого существа можно логически выводить относительно угла датчика, как показано на Фиг. 4. Отбор выборок I и Т производится периодически, например, один раз в секунду.
Средство 13 вывода может затем передать присутствие, например,
Блок 12 обработки дополнительно может быть приспособлен для настройки множества опорных значений поэлементно так, что отрицательная обратная связь применяется к множеству значений контраста. Например,
На основании такого обнаружения перемещения, определенного на основе сигналов, полученных от множества чувствительных элементов 11, исполнительное устройство может приводиться в действие, такое как исполнительное устройство для открывания или закрывания двери, или приведения в действие аварийного сигнала или освещения. Это может, например, использоваться в больницах или уходе за пожилыми, где, если один или несколько специальных чувствительных элементов (например, средний чувствительный элемент на Фиг. 3) доставляют сигнал присутствия, это означает, что пациент находится в конкретной позиции, например на кровати или на диване, тогда как если другие чувствительные элементы (например, чувствительные элементы слева или справа от среднего чувствительного элемента на Фиг. 3) доставляют сигнал присутствия, это означает, что пациент, возможно, упал или ходит. Такое обнаружение "другими" чувствительными элементами (слева или справа от среднего чувствительного элемента на Фиг. 3) может запустить аварийный сигнал.
Во втором аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ 20 для обнаружения присутствия объекта 9 в зоне 8 наблюдения. Такой примерный способ 20 иллюстрируется на Фиг. 5. Конкретно способ 20 согласно второму аспекту настоящего изобретения может выполняться устройством по первому аспекту настоящего изобретения, описанному выше. Способ 20 может быть реализован в виде программного обеспечения, например, для исполнения на микропроцессоре, таком как микропроцессор, составляющий часть блока 12 обработки. Альтернативно, способ 20 может быть реализован путем разработки аппаратного обеспечения или может быть реализован в виде комбинации аппаратного и программного обеспечения.
Этот способ 20 содержит получение 21 значения сигнала датчика, связанного с количеством инфракрасного излучения, принятого изнутри зоны 8 наблюдения, например, значения сигнала датчика, представленного по меньшей мере одним сигналом датчика, сформированным по меньшей мере одним чувствительным к инфракрасному излучению элементом 11. Способ 20 дополнительно содержит формирование 22 по меньшей мере одного значения контраста путем сравнения полученного, по меньшей мере одного значения сигнала датчика по меньшей мере с одним опорным значением. Это может содержать вычитание по меньшей мере одного опорного значения из по меньшей мере одного значения сигнала датчика.
Способ 20 дополнительно содержит определение 23 присутствия объекта 9 путем оценивания условия относительно упомянутого сформированного по меньшей мере одного значения контраста. Это определение 23 может содержать оценивание, превышает ли сформированное по меньшей мере одно значение контраста заранее установленный первый уровень.
Способ 20 дополнительно содержит подстройку 24 опорного значения так, что отрицательная обратная связь применяется к упомянутому значению контраста. Эта подстройка 24 может содержать суммирование заранее заданной доли сформированного по меньшей мере одного значения контраста с таковым. Кроме того, эта подстройка 24 может исполняться, если удовлетворяется дополнительное условие на значение контраста, например, если значение контраста ниже заранее заданного второго уровня.
Дополнительно, способ 20 может содержать применение 25 поправки на температуру по меньшей мере к одному значению сигнала датчика или к опорному значению с учетом температуры окружающей среды.
Получение 21 по меньшей мере одного значения сигнала датчика в конкретных вариантах осуществления может содержать получение множества значений сигнала датчика, каждое значение сигнала датчика является связываемым с количеством инфракрасного излучения, принятого изнутри соответствующей подобласти 17 зоны 8 наблюдения. Обеспечение значения контраста 22 может содержать обеспечение множества значений контраста путем поэлементного сравнения множества значений сигнала датчика с множеством опорных значений. Определение 23 присутствия объекта 9 может содержать оценивание условия относительно множества значений контраста. Подстройка 24 опорного значения может содержать подстройку множества опорных значений поэлементно так, что отрицательная обратная связь применяется к каждому из множества значений контраста.
Варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечивать точные и эффективные средства и способы для обнаружения живых существ, например, людей, в типичной среде комнатной температуры. Настоящее изобретение, не являющееся тем самым как-либо ограниченным, принципы обнаружения выделяющих тепло объектов, таких как человеческие существа, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения могут быть пояснены следующими соображениями. Вычитание фона, то есть, удаление динамики, может выполняться в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения над данными датчика с учетом специфического знания об объекте, подлежащем обнаружению, и окружающей среде.
Во-первых, можно предположить, что живые существа, такие как люди, теплее температуры их окружающей среды. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что объекты, последовательно более холодные, чем их окружающая среда, могут обнаруживаться согласно вариантам осуществления настоящего изобретения принятием надлежащих условий для обнаружения и/или условной отрицательной обратной связи. Во-вторых, может полагаться, что мешающие объекты, такие как нагреватели и окна, лишь повышают свою температуру медленно во времени с малым градиентом в направлении вверх. В-третьих, предпочитаются объекты, являющиеся более холодными, чем текущий опорный уровень фона, то есть, могут быстро приниматься к рассмотрению. Если разность температур больше, чем пороговое значение, обновление фона ограничивается предельным значением на повышение температуры в одну секунду. Если температура ниже, чем пороговое значение, фон обновляется безусловно с помощью выпуклого фильтра, поэтому более низкие температуры быстро приспосабливаются без ограничений.
Эти понятия отличаются от обработки изображений, где внешний вид людей не может обычно указываться как «более высокий или низкий», чем внешний вид окружающей среды, в насыщенности цвета, оттенка или восприятия интенсивности.
Ниже в документе представлен пример, чтобы продемонстрировать принципы обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, настоящее изобретение тем самым не является ограничиваемым какое-либо образом.
На Фиг. 7 показана кривая отклика, которая была получена от PIR датчика с линзой Френеля, как известно в области техники. Кривая отклика показывает PIR напряжение отклика в виде функции времени. Для этого примера стандартный PIR датчик был направлен в направлении пространства со стулом. Человек вошел в пространство в первый момент 71 времени, сидел на стуле в течение расширенного временного интервала 73 и ушел снова во второй момент 72 времени. Как может быть видно по Фиг. 7, PIR датчик реагирует дифференциальным образом, показывая тяжелые флуктуации на своем выходе, когда он обнаруживает движущегося человека, например, около первого 71 и второго 72 момента времени, но не когда человек сидит спокойно, например, в течение временного интервала 73. На Фиг. 7 указывается примерный пороговый уровень 74, который будет подходящим для указания присутствия движущегося человека. Однако обнаружение неподвижного человека не является возможным с использованием аналогичного порогового уровня вследствие дифференциального характера PIR датчика.
С другой стороны, устройство обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, содержащее восемь термоэлектрических сенсорных элементов, может обнаруживать неподвижного человека, как показано на Фиг. 8, на которой выходное значение на один сенсорный элемент показывается графически и в цифровой форме. На Фиг. 8 показана характеристика, полученная устройством обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения в момент в течение временного интервала 73, как показано на Фиг. 7. Отклик высокой интенсивности в один пиксел 81 соответствует садящемуся человеку. Для сравнения на Фиг. 9 показана характеристика, полученная тем же устройством в момент до первого момента 71 времени, таким образом прежде, чем человек вошел в помещение. Здесь, отсутствие человека соответствует отсутствию повышенных значений пикселов. Очевидно, когда выбрана подходящая частота выборки, это устройство обнаружения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может с таким же успехом обнаруживать движущихся людей в пространстве.
Реферат
Изобретение относится к устройству обнаружения и способу для обнаружения присутствия объекта в зоне наблюдения. Устройство содержит по меньшей мере один чувствительный к инфракрасному излучению элемент, каждый приспособлен формировать сигнал датчика, связанный с количеством инфракрасного излучения, принятого изнутри зоны наблюдения чувствительным к инфракрасному излучению элементом, блок обработки и средство вывода для осуществления вывода определенного присутствия объекта и/или атрибута, выведенного из такового. Блок обработки приспособлен для: получения по меньшей мере одного сигнала датчика; формирования по меньшей мере одного значения контраста путем сравнения по меньшей мере одного сигнала датчика по меньшей мере с одним опорным значением; определения присутствия объекта путем оценивания условия относительно упомянутого по меньшей мере одного значения контраста и подстройки по меньшей мере одного опорного значения так, что отрицательная обратная связь применяется по меньшей мере к одному значению контраста. Заявленное устройство обеспечивает повышенное обеспечение обнаружения присутствия для излучающих тепловое излучение объектов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.
