基于红外的单侧车辆分离器

本科毕业论文┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊基于红外的单侧车辆分离器共51页第页基于红外的单侧车辆分离器┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊基于红外的单侧车辆分离器摘要随着公路交通和自动化技术的发展，人们对于公路自动收费系统服务水平的要求越来越高，最主要的服务水平是通行速度,这就要求我们要不断的改进收费技术，逐步完善系统，开发新型的车辆分离器，实现的高效的车辆分离有很大的必要性，本系统采用红外反射的技术，应用了红外不可穿透物体和良好的定向性，实现车辆的检测。该系统电路主要分为三个部分，主控电路、发射电路和接收电路.其中主控电路选择了TI公司的MSP430芯片，发射电路采用了NE555和LM567，产生以40KHZ为载波的已调信号，最终经红外发射LED发射红外线，接收部分选择了一体化接收头HS0038，经解调得到了LM567产生的调制信号，利用LM567锁相环的原理，控制输出电平的高低，主控芯片采集到电平变化，从而采取相应的动作。相比较传统的双侧车辆红外分离器，单侧车辆分离器具有安装方便，成本低廉，节省安装空间，允许车辆高速通行等优点，而且单侧车辆分离器解决了双侧车辆分离器不能实现非正常车辆分流的弊端。在今后的EWTC(不停车货车计重收费系统中)中具有很好的应用前景。关键词：红外,MSP430,单侧车辆分离器┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊基于红外的单侧车辆分离器ABSTRACTTheapplicationofthissystemadoptstheinfraredreflectioninfraredcannotpenetratetheobjectandgooddirectionality,realizationofvehicledetection.Thesystemcircuitismainlydividedintothreeparts,maincontrolcircuit,transmittingcircuitandreceivingcircuit.ThemaincontrolcircuithaschosentheMSP430chipofTIcompany,firingcircuitNE555andLM567,producedby40KHZcarriermodulatedsignals,finallythroughinfraredlaunchLEDinfraredreceivingpartreceivingheadHS0038,chosetheintegrationgotLM567modulationsignal,thedemodulationusingLM567principleofphase-lockedlooptocontroltheoutputlevelofmastercontrolchipcollectedlevelchange,soastotakeappropriateaction.Comparedtothetraditionalbilateralvehicleinfraredseparator,unilateralvehiclesseparatorhasconvenientinstallation,lowcost,saveinstallationspace,andunilateralvehiclesseparatorsolvesthebilateralvehiclesseparatorcan'trealizethedisadvantagesofshunt.InthefutureETC(ElectronicTollCollection)hasagoodapplicationprospect.KEYWORDS:infrared,MSP430,vehiclesseparator

目录第一章绪论 21.1课题研究背景 41.2课题研究的目的和意义 41.3国内研究现状 51.4本文主要研究内容和章节安排 5第二章红外理论知识 62．1红外线的定义和特点 62．1红外线的应用 62．2本章小结 6第三章红外车辆分离器 73.1红外车辆分离器 73.2红外车辆分离器的发展前景 73.3双侧红外车辆分离器的原理和结构 73.4单侧红外车辆分离器的原理和结构 83.5单侧红外车辆分离器的优势 83.6本章小结 8第四章系统方案实现 94.1方案论证与设计 94.1.2方案可行性分析 94.1.2方案论证 94.1.3应用中关键性技术问题解决 104.1.4方案设计 104.2系统硬件框图 134.3硬件电路 134.3.1电源电路 134.3.2主控电路 164.3.3LM567调制电路 204.3.4NE555发射电路 224.3.5LED驱动电路 25

4.3.6接收电路 274.3.7步进电机电路 284.3.8LCD液晶显示电路 304.3.9JATG接口电路 314.4系统软件框图 324.5本章小结 33第五章系统测试 34结论 35参考文献 36致谢 37附录 41

第一章绪论1.1课题研究背景公路自动化收费系统中，自动栏杆挡车器是ETC车道设备中重要的组成部分。传统的自动栏杆是通过单一的动感线圈来识别车辆通过，进而实现自动落杆。地感线圈通过车体金属切割线圈经过传感器输出控制脉冲识别车辆，如当两辆车距离很近时，经常会出现跟车现象。当遇到拖挂车之间的挂钩时又无法进行有效检测，出现砸车现象。因此本身特性就决定了其不可能满足系统要求。对此一个新的产品应运而生，那就是红外车辆分离器，顾名思义车辆分离器就是将车辆和车辆进行分离和计数。传统的红外车辆分离器都是双侧的，最初的红外双侧车辆分离器采用一发一收的循环方式形成的的光幕对车辆进行循环的检查。这样不仅增加了成本，而且当一个红外线接收头或发射头出现故障将会出现丢失空间一个平面的检测光线,大大降低了系统的检测精度，另外一方面对环境的适应性也比较差。其后出现了改良后的高可靠性红外车辆分离器，其通过采用一发多收循环扫描方法，实现了车辆更精准分离，也提高了系统的可靠性。随着公路交通和自动化技术的发展，人们对于公路自动收费系统服务水平的要求越来越高，最主要的服务水平是通行速度,这就要求我们要不断的改进收费技术，逐步完善系统。ETC系统是近年来推出的一种快速收费技术，但是当前的ETC系统主要是进行客车定额收费,而货车的计重收费难以达到,为此,课题组进行了货车计重ETC收费系统(简称EWTC系统)的研究,其中车辆分离器部分的改造,是课题的关键技术之一，因为如果车辆分离器无法实现车辆精确分离的话，后继的其他操作将化为乌有。根据EWTC系统的要求,对于车辆分离器这部分，我们提出了更加科学合理有效的方案，即基于红外的单侧车辆分离器方案。基于红外的单侧车辆分离器，将红外发射和接收模块设计于一端，有效的提高了系统的有效性和适应性，同时也极大的降低了成本。特别是在高速公路自动收费系统（ETC）和高速公路计重收费系统（EWTC）中能发挥很大作用，对于多车道系统，单侧车辆分离器也能有效提高车辆的通行速度。1.2课题研究的目的和意义车辆分离器是一种应用于一般公路收费站、不停车收费系统（ETC）、自动车辆分类系统（AVC）、公路计重收费系统（WIM）、固定式超限检测站、海关车辆管理系统等的装置。车辆分离器是实现以上系统基础，因此车辆分离器的性能直接影响到上述系统的效率，进而营销到交通的效率。随着中国交通事业的飞速的发展，给车辆分离器提出了严峻的考验，车辆分离器不仅要适应野外恶劣的环境，更重要的是要在高速的情况下实现车辆的准确分离，从而为车辆的准确收费奠定基础。传统的车辆分离器是基于红外的双侧车辆分离器，随着ETC等系统的不断发展，双侧车辆分离器的弊端渐渐地暴露出来，其一它必须通过连接电缆安装在车道两侧，给它的安装带来了一定的不便。其二也是致命的弱点，它只能应用在单车道的ETC系统中，而无法实现多车道的车辆分流，因此交通效率带来了一定的影响。针对以上问题，我们提出了适应多车道的单侧车辆分离器。它弥补了双侧车辆分离器的不足，是ETC等系统进一步趋于完善。1.3国内研究现状双侧红外车辆分离器目前国内外的ETC车道，大多数还是应用的基于红外的双侧车辆分离器设计任务书课题名称基于红外的单侧车辆分离器一、设计内容（论文阐述的问题）双侧红外车辆分离器设计任务书课题名称基于红外的单侧车辆分离器一、设计内容（论文阐述的问题）红外车辆分离器一直是人们研究的重点，随着交通事业的不断发展，ETC车道越来越多的应用到的高速路的收费站中，其准确可靠性使得高速路的效率有了大幅度的提高。这也使得它必将取代人工收费的方式，研究车辆分离器是开发ETC系统的先驱，高效的车辆分离器必将使得整个系统的性能相对提高。现阶段的采用的车辆分离器绝大部分是基于红外的双侧车辆分离器，对于单侧车辆分离器基本没有研究，因此有必要对此进行研究。本文旨在对基于红外的单侧车辆分离器系统的实现进行分析和介绍，其主要的工作如下所示：其一：对红外车辆分离器进行原理进行系统分析，研究红外线的特性，提供该系统理论上的支持。其二：设计硬件电路，同时这也是本文的重中之重，对于一个前无研究的课题，设计一个新式的电路并不是一个简单的问题，为实现这个电路，我经过了无数的试验，在万用板进行了很多电路的焊接，最终找到一个符合要就的电路。其三：集成化电路的设计与开发，硬件电路总是会给人提出一些意想不到的问题，简单的万用板引入的干扰的的确确让我觉着很头疼，在此我制作了PCB电路板，使得整个系统集成化程度提高，同时很好的解决了干扰的问题。其四：程序的设计和优化，缺少软件的硬件电路总给人一种潭死水的感觉，在方案设计中我加入程序化的思想，值得整个系统相对人性化。二、设计原始资料（实验、研究方案）一套完整的红外车辆分离器包括：发射器和接收器：发射器内置线性排列的高能量发光元件，接收器内置与发射器数量相同的接收元件，发射器和接受器的对应光电元件依次按顺序同步触发，检测光路是否导通，当汽车通过扫描区域时，部分或全部光束会被反射回来，由接收器进行接收。控制器：为发射器和接收器提供电源，读取并处理发射器/接收器的同步扫描信号，同时检测光幕工作状态，提供多种输出信号，如：继电器输出、串口输出、模拟量输出。电缆线：连接发射器/接收器与控制器的接插电缆。防护外罩：为不锈钢或冷扎钢板喷塑材料，为分离器提供防护，内置电加热玻璃、温度控制器、湿度控制器，在湿度过高、温度过低时实现自动加热，以保证车辆分离器在潮湿地区、雨雪天气、寒冷季节可靠使用。对此我选择的各模块方案如下所述：=1\*GB3①发射信号选择红外线，红外线发射距离远，并且具有良好的定向性，其不可穿透物体的特性，决定了本方案的可行性。红外线易产生，操作方便使得其广泛运用在遥控，测距等方面。=2\*GB3②发射电路方案设计发射电路分为两部分其一是NE555振荡电路，其二是LM567调试电路。硬件方法，相比较软件来说，硬件电路的稳定性更好，NE555定时器是一种集模拟、数字为一体的中规模集成电路，广泛用于信号的产生，其产生的信号具有频带宽，误差小的特点，最大负载电流颗达到200mA，对于后继电路的驱动提供了方便，另外NE555还具有功耗低、输入阻抗高的特点，音频编码器LM567，是TI公司专用的编解码芯片，频率范围在0.01Hz到500KHz，接收范围在0％到14％可调，广泛应用在红外控制电路。所以此处选择此方案。=3\*GB3③接收电路方案设计一体化接收电路红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。内部电路包括红外监测二极管，放大器，限幅器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目的是为了提高接收的灵敏度。红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头的供电脚上须加上滤波电容，一般在22uf以上。在此选择了市场上较为常用的HS0038，其接收频率范围为38KHZ左右。=4\*GB3④控制电路方案设计MSP430单片机，MSP430单片机是TI公司的低功耗8位微处理器，其所有I/O口具有输入，输出和中段等方式，由用户自行选择，与本方案的多路检测相一致。低功耗的特点更是保证了系统的节能。=5\*GB3⑤显示电路方案设计该方案显示方案采用液晶12864，由于显示的相对简单，传统的12864完全可以满足要求。=6\*GB3⑥JATG电路接口本方案采取JATG四线下载，使用MSP-FET430UIF下载器，实现了程序的在线调试，使得程序流程更加清晰。三、设计完成后提交的文件和图表（论文完成后提交的文件）1.计算说明书部分：2、图纸部分：四、毕业设计（论文）进程安排序号设计（论文）各阶段名称日期（教学周）1收集相关资料并阅读相关文献20XX年3月—4月2制作电路，进行相关实验，找到合适电路20XX年4月—5月3制作PCB完成整个电路焊接并完成电路的调试和系统测试20XX年5月—5月154完成整个毕业设计的电路制作和论文撰写20XX年5月15—6月五、主要参考资料梅丽凤，王艳秋，张军.单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学、北京交通大学出版社康华光.电子技术基础(数字部分)[M].北京：高等教育出版社，2006王守华.模拟电子技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011郭天祥.新概念51单片机C语言教程:入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009胡大可.MSP430系列FLASH16位超低功耗单片机[M].北京：北京航天航空出版社2008开题报告表课题名称基于红外的单侧车辆分离器课题来源省部级重点课题类型纵向指导教师学生姓名学号专业选题的研究现状：目前国内外的ETC车道，大多数还是应用的基于红外的双侧车辆分离器，如上所述，它存在了种种缺陷，才有了单侧车辆分离器方案的提出，单侧车辆分离器方案的提出无疑是一个新颖的观念，这也预示着它广阔的应用前景，相比传统的双侧车辆分离器，单侧车辆分离器具有更好的适应性，经济性，在今后的发展中，它必将在ETC等系统中占有自己的一席位置。单侧车辆分离器的研究正处在初步阶段，相比较双侧车辆分离器来说，其研究成果较少，为此有必要对此进行深入的研究。本文将以此为研究对象，通过红外反射的原理，解决单侧车辆分离器的实现问题，目前基于红外的单侧车辆分离器的解决方案尚没有文献发表，也没有成熟的产品。选题的目的、意义(理论意义、现实意义):车辆分离器是一种应用于一般公路收费站、不停车收费系统（ETC）、自动车辆分类系统（AVC）、公路计重收费系统（WIM）、固定式超限检测站、海关车辆管理系统等的装置。车辆分离器是实现以上系统基础，因此车辆分离器的性能直接影响到上述系统的效率，进而营销到交通的效率。随着中国交通事业的飞速的发展，给车辆分离器提出了严峻的考验，车辆分离器不仅要适应野外恶劣的环境，更重要的是要在高速的情况下实现车辆的准确分离，从而为车辆的准确收费奠定基础。传统的车辆分离器是基于红外的双侧车辆分离器，随着ETC等系统的不断发展，双侧车辆分离器的弊端渐渐地暴露出来，由于它必须通过连接电缆安装在车道两侧，给它的安装带来了一定的不便，并且使得它只能应用在单车道的ETC系统中，而无法实现多车道的车辆分流，因此交通效率带来了一定的影响，针对以上问题，我们提出了适应多车道的单侧车辆分离器。它弥补了双侧车辆分离器的不足，是ETC等系统进一步趋于完善。论文(设计)主要内容（提纲）：第一章绪论1．1课题研究的目的和意义1．2国内研究现状1．3本文主要研究内容和章节安排第二章红外线理论知识2．1红外线的定义和特点2.2本章小结第三章红外车辆分离器

拟研究的主要问题、重点和难点:主要问题：自制硬件电路，实现单侧车辆分离器的制作。并完成电路的调试系统测试，完成相关论文的撰写。重点和难点:本作品的难点之一在于红外线的发射，传统的双侧车辆分离器利用了光线直线传播的特性，由于红外线定向性好，穿透能力强的特点，使得一发一收的原理实现起来相对容易，但是对于单侧车辆分离器来说，主要运用了光线的反射的原理，我们不得不考虑反射之后的损耗，其中损耗也包括了几个部分，其一是物体对红外线的吸收，其二是由于发射的角度问题，进过漫反射之后，一部分红外并不能反射到接收装置。所以在此要加大发射功率，并且对LED产生的红外线进行进一步的聚焦，最终以15°的方式发射，另外为了使光线在任何角度下都能被接收，我们模仿漫反射板的原理把LED无规则摆放，但限于安装条件，在此运用LED阵列来实现。研究目标和可行性分析：研究目标：红外车辆分离器一直是人们研究的重点，随着交通事业的不断发展，ETC车道越来越多的应用到的高速路的收费站中，其准确可靠性使得高速路的效率有了大幅度的提高。这也使得它必将取代人工收费的方式，研究车辆分离器是开发ETC系统的先驱，高效的车辆分离器必将使得整个系统的性能相对提高。现阶段的采用的车辆分离器绝大部分是基于红外的双侧车辆分离器，对于单侧车辆分离器基本没有研究，因此有必要对此进行研究。本文旨在对基于红外的单侧车辆分离器系统的实现进行分析和介绍，其主要的工作如下所示：其一：对红外车辆分离器进行原理进行系统分析，研究红外线的特性，提供该系统理论上的支持。其二：设计硬件电路，同时这也是本文的重中之重，对于一个前无研究的课题，设计一个新式的电路并不是一个简单的问题，为实现这个电路，我经过了无数的试验，在万用板进行了很多电路的焊接，最终找到一个符合要就的电路。其三：集成化电路的设计与开发，硬件电路总是会给人提出一些意想不到的问题，简单的万用板引入的干扰的的确确让我觉着很头疼，在此我制作了PCB电路板，使得整个系统集成化程度提高，同时很好的解决了干扰的问题。其四：程序的设计和优化，缺少软件的硬件电路总给人一种潭死水的感觉，在方案设计中我加入程序化的思想，值得整个系统相对人性化。可行性分析：现在公路交通中使用的均为红外双侧车辆分离器，红外双侧车辆分离器分为红外发射端和红外接收端两个部分，分别设置在车道的两端，由一端发射红外信号，另一端接收红外信号。两个部分也分别由发射控制模块，发射模块和接收控制模块，接收模块组成。通过一端发射红外信号，一端接收红外信号，然后通过信号接收逻辑实现车辆分离。我们想到为什么不能做成单侧车辆分离器，使系统更强大有效了？于是我们想到是否能将发射器与接收器部分集成于一端，由同一控制模块进行控制，然后通过接收器接收状况进行逻辑分析从而实现车辆分离。让红外接收器与发射器在一端，又如何实现红外信号的接收呢？于是我们又想到利用红外的反射原理，设计出反射式红外线传感器电路，发射器发射红外信号，集成于同一大模块的接收器接收在车辆上反射回的红外信号。而反射式红外传感器在现实生活中已经有了广泛的应用，例如：自动玻璃门、节水型沐浴器、厕所大小便节水器、自动洗手器、自动干手器、红外线报警器等控制电路。这就使得我们方案在理论上成为了可能。研究的特色与创新之处：本作品的创新点在于我们首次提出单侧车辆分离器的想法，众所周知，传统的车辆分离器都是采用了双侧的结构，但是双侧的结构使得它只能运用在单车道的情形下，在此我特别留意了一下我们附近的收费站，确实如此。在偌大的收费路口，仅仅一个口是运用了ETC系统，再者该口也是单车道的情况。这是由于双侧车辆分离器的缺陷所限制的。单侧车辆分离的提出，弥补了这个缺陷，因为一套设备只需安装在道路的一侧，所以在此可以在道路两侧各安装一套设备，这样就实现了车辆的分流。其次，单侧安装相对简单，其设备复杂度也相应的降低，与此同时节省了成本。进度安排及预期结果：进度安排：20XX年3月—4月收集相关资料并阅读相关文献20XX年4月—5月制作电路，进行相关实验，找到合适电路20XX年5月—6月制作PCB完成整个电路焊接并完成电路的调试和系统测试预期结果：在2014年6月完成论文。指导教师意见及建议：指导教师签名：年月日

注：1、课题来源分为：国家重点、省部级重点、学校科研、校外协作、实验室建设和自选项目；课题类型分为：工程设计、专题研究、文献综述、综合实验。2、此表由学生填写，交指导教师签署意见后方可开题。S.Leeetal.:APyroelectricInfraredSensor-basedIndoorLocation-AwareSystemfortheSmartHomeAPyroelectricInfraredSensor-basedIndoorLocation-AwareSystemfortheSmartHomeSukLee,Member,IEEE,KyoungNamHa,KyungChangLee,Member,IEEEAbstract—Smarthomeisexpectedtooffervariousintelligentservicesbyrecognizingresidentsalongwiththeirlifestyleandfeelings.Oneofthekeyissuesforrealizingthesmarthomeishowtodetectthelocationsofresidents.Currently,theresearcheffortisfocusedontwoapproaches:terminal-basedandnon-terminal-basedmethods.Theterminal-basedmethodemploysatypeofdevicethatshouldbecarriedbytheresidentwhilethenon-terminal-basedmethodrequiresnosuchdevice.Thispaperpresentsanovelnon-terminal-basedapproachusinganarrayofpyroelectricinfraredsensors(PIRsensors)thatcandetectresidents.Thefeasibilityofthesystemisevaluatedexperimentallyonatestbed.IndexTerms—smarthome,location-basedservice,pyroelectricinfraredsensor(PIRsensor),location-recognitionalgorithmI.INTRODUCTIONThereisagrowinginterestinsmarthomeasawaytoofferaconvenient,comfortable,andsaferesidentialenvironment[1],[2].Ingeneral,thesmarthomeaimstoofferappropriateintelligentservicestoactivelyassistintheresident’slifesuchashousework,amusement,rest,andsleep.Hence,inordertoenhancetheresident’sconvenienceandsafety,devicessuchashomeappliances,multimediaappliances,andinternetappliancesshouldbeconnectedviaahomenetworksystem,asshowninFig.1,andtheyshouldbecontrolledormonitoredremotelyusingatelevision(TV)orpersonaldigitalassistant(PDA)[3],[4].Fig.1.ArchitectureofthehomenetworksystemforsmarthomeEspecially,attentionhasbeenfocusedonlocation-basedservicesasawaytoofferhigh-qualityintelligentservices,whileconsideringhumanfactorssuchaspatternofliving,health,andfeelingsofaresident[5]-[7].Thatis,ifthesmarthomecanrecognizetheresident’spatternoflivingorhealth,thenhomeappliancesshouldbeabletoanticipatetheresident’sneedsandofferappropriateintelligentservicemoreactively.Forexample,inapassiveserviceenvironment,theresidentcontrolstheoperationoftheHVAC(heating,ventilating,andairconditioning)system,whilethesmarthomewouldcontrolthetemperatureandhumidityofaroomaccordingtotheresident’scondition.Variousindoorlocation-awaresystemshavebeendevelopedtorecognizetheresident’slocationinthesmarthomeorsmartoffice.Ingeneral,indoorlocation-awaresystemshavebeenclassifiedintothreetypesaccordingtothemeasurementtechnology:triangulation,sceneanalysis,andproximitymethods[8].Thetriangulationmethodusesmultipledistancesfrommultipleknownpoints.ExamplesincludeActiveBadges[9],ActiveBats[10],andEasyLiving[11],whichuseinfraredsensors,ultrasonicsensors,andvisionsensors,respectively.Thesceneanalysismethodexaminesaviewfromaparticularvantagepoint.RepresentativeexamplesofthesceneanalysismethodareMotionStar[12],whichusesaDCmagnetictracker,andRADAR[13],whichusesIEEE802.11wirelesslocalareanetwork(LAN).Finally,theproximitymethodmeasuresnearnesstoaknownsetofpoints.AnexampleoftheproximitymethodisSmartFloor[14],whichusespressuresensors.Alternatively,indoorlocation-awaresystemscanbeclassifiedaccordingtotheneedforaterminalthatshouldbecarriedbytheresident.Terminal-basedmethods,suchasActiveBats,donotrecognizetheresident’slocationdirectly,butperceivethelocationofadevicecarriedbytheresident,suchasaninfraredtransceiverorradiofrequencyidentification(RFID)tag.Therefore,itisimpossibletorecognizetheresident’slocationifheorsheisnotcarryingthedevice.Incontrast,non-terminalmethodssuchasEasyLivingandSmartFloorcanfindtheresident’slocationwithoutsuchdevices.However,EasyLivingcanberegardedtoinvadetheresident’sprivacywhiletheSmartFloorhasdifficultywithextendibilityandmaintenance.Thispaperpresentsanon-terminalbasedlocation-awaresystemthatusesanarrayofpyroelectricinfrared(PIR)sensors[15],[16].ThePIRsensorsontheceilingdetectthepresenceofaresidentandarelaidoutsothatdetectionareasofadjacentsensorsoverlap.BycombiningtheoutputsofmultiplePIRsensors,thesystemisabletolocatearesidentwithareasonabledegreeofaccuracy.Thissystemhasinherentadvantageofnon-terminalbasedmethodswhileavoidingprivacyandextendibility,maintenanceissues.Inordertodemonstrateitsefficacy,anexperimentaltestbedhasbeenconstructed,andtheproposedsystemhasbeenevaluatedexperimentallyundervariousexperimentalconditions.Thispaperisorganizedintofoursections,includingthisintroduction.SectionIIpresentsthearchitectureofthePIRsensor-basedindoorlocation-awaresystem(PILAS),andthelocation-recognitionalgorithm.SectionIIIdescribesaresident-detectionmethodusingPIRsensors,andevaluatestheperformanceofthesystemundervariousconditionsusinganexperimentaltestbed.Finally,asummaryandtheconclusionsarepresentedinSectionIV.II.ARCHITECTUREOFTHEPIRSENSOR-BASEDINDOORLOCATION-AWARESYSTEMA.FrameworkofthesmarthomeGiventheindoorenvironmentofthesmarthome,anindoorlocation-awaresystemmustsatisfythefollowingrequirements.First,thelocation-awaresystemshouldbeimplementedatarelativelylowcostbecausemanysensorshavetobeinstalledinroomsofdifferentsizestodetecttheresidentinthesmarthome.Second,sensorinstallationmustbeflexiblebecausetheshapeofeachroomisdifferentandthereareobstaclessuchashomeappliancesandfurniture,whichpreventthenormaloperationofsensors.Thethirdrequirementisthatthesensorsforthelocation-awaresystemhavetoberobusttonoise,andshouldnotbeaffectedbytheirsurroundings.ThisisbecausethesmarthomecanmakeuseofvariouswirelesscommunicationmethodssuchaswirelessLANorradio-frequency(RF)systems,whichproduceelectromagneticnoise,ortheremaybesignificantchangesinlightortemperaturethatcanaffectsensorperformance.Finally,itisdesirablethatthesystem’saccuracyisadjustableaccordingtoroomtypes.Amongmanysystemsthatsatisfytherequirement,thePIRsensor-basedsystemhasnotattractedmuchattentioneventhoughthesystemhasseveraladvantages.ThePIRsensors,whichhavebeenusedtoturnonalightwhenitdetectshumanmovement,arelessexpensivethanmanyothersensors.Inaddition,becausePIRsensorsdetecttheinfraredwavelengthemittedfromhumansbetween9.4~10.4μm,theyarereasonablyrobusttotheirsurroundings,intermsoftemperature,humidity,andelectromagneticnoise.Moreover,itispossibletocontrolthelocationaccuracyofthesystembyadjustingthesensingradiusofaPIRsensor,andPIRsensorsareeasilyinstalledontheceiling,wheretheyarenotaffectedbythestructureofaroomoranyobstacles.Figure2showstheframeworkforthePILASinasmarthomethatofferslocation-basedintelligentservicestoaresident.Withinthisframework,variousdevicesareconnectedviaahomenetworksystem,includingPIRsensors,roomterminals,asmarthomeserver,andhomeappliances.Here,eachroomisregardedasacell,andtheappropriatenumberofPIRsensorsisinstalledontheceilingofeachcelltoprovidesufficientlocationaccuracyforthelocation-basedservices.EachPIRsensorattemptstodetecttheresidentataconstantperiod,andtransmitsitssensinginformationtoaroomterminalviathehomenetworksystem.Fig.2.FrameworkofsmarthomeforthePILAS.Consequently,theroomterminalrecognizestheresident’slocationbyintegratingthesensorinformationreceivedfromallofthesensorsbelongingtoonecell,andtransmitstheresident’slocationtothesmarthomeserverthatcontrolsthehomeappliancestoofferlocation-basedintelligentservicestotheresident.Withinthisframework,thesmarthomeserverhasthefollowingfunctions.1)Thevirtualmapgeneratormakesavirtualmapofthesmarthome(generatingavirtualmap),andwritesthelocationinformationoftheresident,whichisreceivedfromaroomterminal,onthevirtualmap(writingtheresident’slocation).Then,itmakesamovingtrajectoryoftheresidentbyconnectingthesuccessivelocationsoftheresident(trackingtheresident’smovement).2)Thehomeappliancecontrollertransmitscontrolcommandstohomeappliancesviathehomenetworksystemtoprovideintelligentservicestotheresident.3)Themovingpatternpredictorsavesthecurrentmovementtrajectoryoftheresident,thecurrentactionofhomeappliances,andparametersreflectingthecurrenthomeenvironmentsuchasthetime,temperature,humidity,andillumination.Afterstoringsufficientinformation,itmaybepossibletoofferhuman-orientedintelligentservicesinwhichthehomeappliancesspontaneouslyprovideservicestosatisfyhumanneeds.Forexample,ifthesmarthomeserver“knows”thattheresidentnormallywakesupat7:00A.M.andtakesashower,itmaybepossibletoturnonthelampsandsomemusic.Inaddition,thetemperatureoftheshowerwatercanbesetautomaticallyfortheresident.B.Location-recognitionalgorithmInordertodeterminethelocationofaresidentwithinaroom,anarrayofPIRsensorsareusedasshowninFig.3.Inthefigure,thesensingareaofeachPIRsensorisshownasacircle,andthesensingareasoftwoormoresensorsoverlap.Consequently,whenaresidententersoneofthesensingareas,thesystemdecideswhetherhe/shebelongstoanysensingareabyintegratingthesensinginformationcollectedfromallofthePIRsensorsintheroom.Forexample,whenaresidententersthesensingareaB,sensorsaandboutput‘ON’signals,whilesensorcoutputs‘OFF’signal.Aftercollectingoutputs,thealgorithmcaninferthattheresidentbelongstothesensingareaB.Accordingtothenumberofsensorsandthearrangementofthesensorssignaling‘ON’,theresident’slocationisdeter-minedinthefollowingmanner.First,ifonlyonesensoroutputs‘ON’signal,theresidentisregardedtobeatthecenterofthesensingareaofthecorrespondingsensor.Iftheoutputsoftwoadjacentsensorsare‘ON’,theresident’slocationisassumedtobeatthepointmidwaybetweenthetwosensors.Finally,ifthreeormoresensorssignal‘ON’,theresidentislocatedatthecentroidofthecentersofthecorrespondingsensors.Forexample,itisassumedthattheresidentislocatedatpoint1inthefigurewhenonlysensorasignals‘ON’,whiletheresidentislocatedatpoint2whensensorsaandbbothoutput‘ON’signals.Thelocationaccuracyofthissystemcanbedefinedthemaximumdistancebetweentheestimatedpointsandtheresident.Forexample,whenaresidententerssensingareaA,theresidentisassumedtobeatpoint1.OntheassumptionthataresidentcanberepresentedbyapointandtheradiusofthesensingareaofaPIRsensoris1m,weknowthatthelocationaccuracyis1mbecausethemaximumerroroccurswhentheresidentisontheboundaryofsensingareaA.Alternatively,whentheresidentisinsensingareaB,theresidentisassumedtobeatpoint2,andthemaximumlocationerroroccurswhentheresidentisactuallyatpoint3.Inthiscase,theerroris3/2mwhichisthedistancebetweenpoints2and3.Therefore,thelocationaccuracyofthetotalsystemshowninFig.3canberegardedas1m,whichisthemaximumvalueofthelocationaccuracyofeacharea.SincethenumberofsensorsandthesizeoftheirsensingareasdeterminethelocationaccuracyofthePILAS,itisnecessarytoarrangethePIRsensorsproperlytoguaranteethespecifiedsystemaccuracy.Fig.3.Thelocation-recognitionalgorithmforPIRsensors.Inordertodeterminetheresident’slocationpreciselyandincreasetheaccuracyofthesystem,itisdesirabletohavemoresensingareaswithgivennumberofsensorsandtohavesensingareasofsimilarsize.Fig.4showssomeexamplesofsensorarrangementsandsensingareas.Fig.4(a)and4(b)showthearrangementswithninesensorsthatproduce40and21sensingareas,respectively.ThearrangementinFig.4(a)isbetterthanFig.4(b)intermsifthenumberofsensingareas.However,thearrangementinFig.4(a)hassomeareaswherearesidentcannotbedetectedandlowerlocationaccuracythanthatinFig.4(b).Fig.4(c)showsanarrangementwithtwelvesensorsthatfive28sensingareaswithoutanyblindspots.Fig.4.LocationaccuracyaccordingtothesensorarrangementofPIRsensors.(a)40sensingareas.(b)21sensingareas.(c)28sensingareaswithtwelvesensors.WhenPIRsensorsareinstalledaroundtheedgeofaroom,asshowninFig.4(c),itsometimesmaygiveawkwardresults.OneexampleisshowninFig.5.Fig.5(a)showsthepathofaresident.Ifwemarktheestimatedpointsbyusingthesensorlocationorthemidpointofadjacentsensors,itwillbeazigzaggingpatternsasshowninFig.5(b).Inordertoalleviatethis,wemayregardthesensorsontheedgestobelocatedalittleinwards,whichgivetheresultshowninFig.5(c).Fig.5.Theeffectofcompensatingforthecenterpointoftheoutersensors.(a)Resident’smovement.(b)Beforecompensatingfortheoutersensors.(c)Aftercompensatingfortheoutersensors.III.PERFORMANCEEVALUATIONOFTHEPILASA.Resident-detectionmethodusingPIRsensorsSincethePILASrecognizestheresident’slocationbycombiningoutputsfromallthesensorsbelongingtoonecell,determiningwhetherasinglesensoris‘ON’or‘OFF’directlyinfluenceslocationaccuracy.Ingeneral,becausethe‘ON/OFF’valuescanbedeterminedbycomparingapredefinedthresholdandthedigitizedsensoroutputacquiredbysamplingtheanalogsignalfromaPIRsensor,itisnecessarytochooseanappropriatesignallevelforthethreshold.Forexample,SmartFloor,whichisanothernon-terminalmethod,canrecognizearesident’slocationexactlybycomparingtheappropriatethresholdandasensorvalue,becauseapressuresensoroutputsaconstantvoltagebasedontheresident’sweightwhenheremainsataspecificpoint.However,becauseaPIRsensormeasuresthevariationintheinfraredsignalproducedbyamovinghumanbody,itsoutputisinanalogform,asshowninFig.6.Thatis,asthevariationintheinfraredradiationfromaresidentincreaseswhenaresidententersasensingarea,thePIRsensoroutputsanincreasingvoltage.Conversely,thevoltagedecreasesastheresidentleavethesensingarea.Iftheresidentdoesnotmovewithinthesensingarea,thevariationintheinfraredradiationdoesnotexistandthePIRsensoroutputszerovoltage.Therefore,itisverydifficulttodeter-minewhenaresidentisstayingresidentwithinaspecificsensingareausingonlythevoltageorcurrentthresholdofaPIRsensor.Fig.6.SignaloutputofPIRsensor.Inordertoguaranteethelocationaccuracyofthesystem,theresident-detectionmethodmustmeetseveralrequirements.First,ifnoresidentispresentwithinasensingarea,thePIRsensorshouldnotoutput‘ON’signal.Thatis,thePIRsensormustnotmalfunctionbyotherdisturbancessuchasamovingpet,temperaturechangeandsunlight.Second,itshouldbepossibletopreciselydeterminethepointintimewhenaresidententersandleavesasensingarea.Thatis,inspiteofvariationsinsensorcharacteristics,resident’sspeedandheight,itshouldbepossibletodeterminethetimepointexactly.Finally,becausetheoutputvoltageofaPIRsensordoesnotexceedthethresholdvoltagewhentheresidentdoesnotmovewithinasensingarea,itisnecessarytoknowifaresidentstayswithinthesensingarea.Inordertosatisfytheserequirements,thispaperintroducesthefollowingimplementationmethodfortheresidentdetectionmethodforPIRsensors.First,inordertoeliminatePIRsensormalfunctioningduetopetsortemperaturechanges,aFresnellens,whichallowshumaninfraredwaveformstopassthroughitwhilerejectingotherwaveforms,isinstalledinfrontofthePIRsensors.Second,whentheoutputofaPIRsensorexceedsthepositivethresholdvoltage,andthisstateismaintainedforseveralpredefinedsamplingintervals,thattheresidenthasenteredasensingarea.Here,thethresholdmustbesufficientforthemethodtodistinguishvariationintheresident’sinfraredfromanenvironmentalinfraredsignalcausedbypetsortemperaturechange.Moreover,whenthesensor’soutputfallsbelowanegativethresholdvoltageandthisstatusismaintainedforseveralsamplingintervals,iti