基于红外探测器和GSM模块的安防报警系统的设计文献综述

文 献 综 述

一．红外技术的发展

红外科学在现代技术领域的发展中扮演了革命性的角色。在电磁频谱中，红外的波长范围上大体从0.75微米跨越到1000微米。红外辐射的发现归功于英国皇家天文学家赫歇耳，他在1800年用棱镜将阳光色散，并用一个灵敏的温度计探测到它，从而证实了红外辐射。这一工作为红外光谱学领域奠定了基础。此后30多年，这种新形式辐射的巨大潜力一直未得到认识。直到更灵敏的温度计，如辐射热电偶与衍射光栅光谱计出现后，红外科学与技术的基础与应用研究才有了显著的进展。字啊这些发展的成就中，红外光谱学扮演了领先的角色。

红外技术的最早的应用时第二次世界大战中发展用于防卫目的的红红外成像系统。即使今天，红外技术在防卫应用中仍然扮演了决定性的角色。

红外技术在工商业系统中有着巨大的潜力，特别强调了成本、可靠性和效率，具体应用有高清晰电视、激光打标装置、大量产品制造用的红外激光监视装置、商业用的CMOS图像传感器、傅里叶变换拉曼光谱仪、控制生产过程的激光传感器，还有红外激光器、蜂窝移动通信和相控阵天线控制用的光纤链路、高速数码照相机、激光机场安全装置、汽车和飞机工业的激光调整系统、与高分辨率照相机集成的烟火红外探测器、用于毒品和生化武器的光子装置、全色虚拟显示器和用于可靠探测恐怖分子使用的生物、化学和小型核武器的激光系统等。红外探测技术有其独特优点：环境适应性好，隐蔽性好，不易被干扰，识别伪装目标的能力优于可见光，体积小、重量轻、功耗低。因此，红外探测器在军事、国防和民用领域都得到了广泛的研究和应用，特别是在军事方面的强烈需求和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术未来将会有更加广泛的应用和极其重要的地位。

二．红外传感器

红外技术已经众所周知，这项技术在现代科技、国防科技和工农业科技等领域得到了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

（1）原理

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化（这种变化可能是变大也可能是变小，因为热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻），通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。

（2）人体红外的特征与频率

普通人体会发射10um左右的特定波长红外线，用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否，当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10μm左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。

为了增强敏感性并降低白光干扰，通常在探头的辐射照面覆盖有特殊的菲泥尔滤光透镜，菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

任何温度高于绝对零度(约负273摄氏度）的物体都会产生黑体辐射，温度越高，辐射越强，辐射波长越短。人体的体温为37摄氏度左右，在这个温度上的物体辐射波长在红外区。

传感器的光谱范围为1～10μm，中心为6μm，均处于红外波段，是由装在TO－5型金属外壳的硅窗的光学特性所决定。

根据基尔霍夫定律，任何良好的辐射体，必然是良好的吸收体。在同一温度下，辐射体本领越大，其吸收本领就越强，两者成正比关系。所有辐射远红外线的物体，也可以吸收远红外线，辐射与吸收对等。　　人体每时每刻都在发射远红外线，据测定：人体发射的远红外线波长在 9.6微米附近。波长（ 5.6－15微米）的远红外线与人体所发射出的波长（人的平均体温为 36.5℃ ，这个温度换算为波长约为 9.4微米）相重叠，频率段在同一范围内，因此能够使人体内的细胞分子随之活跃起来，这种现象被称为共振。它可以起到活化细胞、促进血液循环、加速新陈代谢、提高人体自身免疫力的作用。　　共振是自然界极为普遍的自然规律，力学中称共振、声学中称共鸣、电子学中称谐振等。

其实，远红外线对人体产生的温热效应也与此密切相关。通过照射，使人体内分子之间发生碰撞而产生热量，共振原理则使分子动能更大幅度增加，这将使温热效应更明显、更深入（一般认为能够渗透到人体皮下约 4－ 5厘米 处）。此外，由于人体不断发射远红外线，在这一频率范围内也可借以直接吸收此波段的远红外线能量，同时直接补充人体组织各器官的生物能量。　　可以说，人体每时每刻都在发射远红外线，同时每时每刻又在吸收远红外线，人的生命从起源到发展一刻都离不开远红外线。

热释电红外传感器不但适用于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的高压电及X射线、γ射线工业无损检测。

（3）关键性元件

菲涅尔滤光透镜，热释电红外传感器（PIR）和匹配低噪放大器。

菲涅尔透镜有两个作用：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射在PIR上：二是将探测区内分为若干个明区和暗区，使进入探测区的移动物体（人）能以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释红外信号。一般还会匹配低噪放大器，当探测器上的环境温度上升，尤其是接近人体正常体温（37℃）时，传感器的灵敏度下降，经由它对增益进行补偿，增加其灵敏度。输出信号可用来驱动电子开关，实现LED照明电路的开关控制。这是一款E27标准螺口灯头的灯具，它的电源适用范围是 AC180V-250V （50/60HZ）， 红外传感器检测范围大约在3M15M，它的标准产品 IFS-BULB 3W灯具达80 LM ，5W灯具达140 LM 。在LED光源模块的中央部分嵌入红外线传感器。一旦红外传感器检测到人的体温，LED电灯泡将会在50秒内自动开启与关闭。适用于任何一种室内应用，如走廊、储藏室、楼梯和大厅入口处。

红外辐射的本质

红外辐射的本质是热辐射。以波的形式在空间直线传播，真空中以光速传播当物体温度低于1000℃时，向外辐射的不再是可见光，而是红外光红外线在通过大气层时, 有三个波段透过率高, 它们是2~2.6ΜM、3~5 ΜM和8~14 ΜM。其波段如图所示：

二．红外探测器

红外探测器(Infrared Detector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。是基于红外传感器的所制造的。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

人体感应模块电路

红外探测在安防上的应用

有红外夜视摄像机、红外热像仪、主动式红外入侵探测器、被动式红外探测器等等。红外技术作为一种成熟的技术，在各行各业都得到应用，然而它与安防产品结下的这段不解之缘，成就了最具代表性的四类安防产品，为安防监控实现清晰的夜视图像和探测报警的全方位保护谱写了一曲火红篇章。 不仅仅是人体，任何一个具有和人体体温差不多的温度的物体都会辐射红外线。

二．GSM模块

GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。

GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。^[1]

开发人员使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如：发送短信，拨打电话，GPRS拨号上网等。基于GSM模块产品的开发往往都是基于ARM平台，使用嵌入式系统进行开发。有些GSM模块具有开放内置平台功能，可以让客户将自己的程序嵌入到模块内的软件平台中。

这是本毕设要用到的关键性原件。

三．智能安防报警系统

智能安防报警系统是同家庭的各种传感器、功能键、探测器及执行器共同构成家庭的安防体系，是家庭安防体系的"大脑"。报警功能包括防火、防盗、煤气泄露报警及紧急求助等功能，报警系统采用先进智能型控制网络技术、由微机管理控制，实现对匪情、盗窃、火灾、煤气、紧急求助等意外事故的自动报警。智能安防报警系统随着经济在发展，社会在进步，人们的生活水平得到了很大的提高。享受生活之余，家居安全成为人们非常牵挂的事情。那么要做好家居安全防范，选择家庭智能报警系统是最合适不过了。

四．STM32单片机

优点：使用ARM最新的、先进架构的CortexM3内核；优异的实时性能；杰出的功耗控制；出众及创新的外设；最大程度的集成整合；易于开发，可使产品快速进入市场。

参考文献

（1）（作者：波兰）Antoni Rogalski 著 译者：周海宪 等译《红外探测器（原书第2版）》 原书名：INFRARED DETECTORS[M] 出版社：机械工业出版社出版日期：2014年4月

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（3） (美)A.R.Jha著 张孝霖译.红外技术应用:光电、光子器件及传感器[M].北京:化学工业出版社,2004

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（9）王忆锋2013年的中国红外技术[J] 红外技术期刊 2014年1-3月

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（11）吴晓庆、呼和牧仁单片机控制GSM模块通信[J] 内蒙古科技与经济期刊 2010-01-30

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