基于 android TV的智能家居项目的传感器浅谈（1）

作者：鲁新宇

由于最近一直在做实验室android的项目，感觉现在实验室实现的智能家居虽然品种繁多，但主要是大多数是对设备进行了简单的开关化处理，比如加湿器，仅仅实现了开关的功能，比如窗帘，仅仅实现了拉开闭合的操作，真正的情境感知并没有做的非常好，但如果想要把真正的情境感知加入智能家居中，而不是仅仅通过手机进行控制，就需要加入大量的传感器，来对智能家居环境的各种环境参量进行准确测量并且进行量化，这样既可以提高智能化，又可以提高用户体验。

由于笔者在大学中的专业是测控技术与仪器偏光学方向，大学中的实验室是传感器实验室，所以对相关传感器的驱动和使用方法和注意事项略有所知，所以针对所要加入的传感器进行一下总结和比对。

传感器的种类有很多，具体分类可以参见百度百科，我们主要讲一下，我们所要用到的传感器。

湿度传感器

湿度传感器可以测量房间中的相对湿度，相对湿度的概念就是空气中的绝对湿度和同温度下的饱和绝对湿度的比值，得数是一个百分比。常用的湿度传感器有两种（不包含模块）：

HS1101和HR31。

这两种传感器都非常廉价，但是传感器的类型完全不同。

HS1101是一种通过湿度的改变导致电容大小发生变化的传感器，

HR31是一种湿敏电阻。

分别针对两种传感器进行了datasheet查询，datasheet5是一个不错的pdf网站，东西很多，也很全，而且更新也很快。

通过HS1101的datasheet的可以看出这个传感器测量范围很广，供电电压的典型值为5V，反映时间为5S，误差大概是2%RH（相对湿度的单位），还有一些相关区间的的灵敏度等参数，由于只是在智能家居中测量房间中的相对湿度，所以相关灵敏度只需要稍微看一下就可以，只要误差不要太大，灵敏度不要太低，基本上用来反映室内的湿度变化还是没有问题的。

接下来datasheet中给出了电容变化值和空气相对湿度的对应曲线可以看到，曲线线性度高，对于后期的数值处理就相对容易一些。（注如果测量的区域并不是线性度很好的区域，则需要进行进一步的补偿，关于补偿的知识以后有机会会专门用一篇文章来介绍一下）。注意这是在25摄氏度的情况下，这种情况下很接近室温，所以在后期数据处理的时候，可以将数据和该图表进行对比。

该datasheet介绍了两种测量方法，一种是测量电压，一种是测量频率，两种方法分别给出了建议电路图，经过比较我举得还是测量频率更加简单易行，电路图如下：

通过555将电容的变化转化为频率的变化，MCU可以通过单位时间读脉冲或者固定脉冲数读时间的方法，可以测出频率，然后按照公式将频率进行计算得出相对湿度，也可以在网上查到详细的对照表，进行对照，特别要当心datasheet给出的提示和重要警告，这可以大大缩短你的调试时间和减少你出错的可能性，一般都出现在datasheet的最低端，像这里就提醒最大程度的降低寄生电容的存在，因为这种电容的存在对于频率影响极大。过几天我会把湿度传感器HS1101的MSp430的驱动程序和连接电路图公布出来。

HR31

这种传感器的datasheet可以在百度文库当中找到，它是一种电阻型湿度传感器，从datasheet的阻抗特性图当中，我们可以看出该传感器的线性度也是不错的，而且灵敏度也非常不错，不过驱动该传感器必须采用1.5V的交流电才可以，具体数据可以在datasheet中国找到，所以驱动起来相对来说就没有HS1101方便了。

经过基本的对比。我们最终采用HS1101来对室内相对湿度进行测量。

光电传感器

在智能家居中其实有很多都涉及到了光电传感器，比如可以用光电传感器对室内亮度进行测量从而控制窗帘的拉开和关闭，以及拉开多少，关闭多少，有了这种细节以后，对用户体验的提升是显而易见的。还有比如在智能TV上可以设计一个光电传感器，可以根据对电视周围环境的亮暗程度进行测量从而自动控制电视的亮暗，这对老年人和小孩子尤其有利。还比如说我们准备在基于androidTV中加入对老年人身体各项参数的实时监测功能，在各项身体参数中，心率是一个非常重要的参数，以前我见过比较多的测量方案一般是用谐振传感器或者压力传感器来对脉搏或者心跳进行测试，最近我看到外国网站上的新测量方法是用光电对管也是一种红外传感器，对手指或者耳朵这种血液很活动能力很强的地方进行测量，可以得到相当精确的结果，如果设计的很出色的话，甚至都可以以耳环或者戒指的方式进行心率检查，如果是这样那对于身体参数实时监测的用户体验来说，一定是大大提高了。光电传感器的这种非接触性的特点可以在很多场合大展身手，比如在智能家居中，各个房间的门是否关紧，是否有人进入，就在家庭防火设备中也有光电传感器的存在，有一些烟雾传感器中就是通过光电传感器检测光线的透过率，进而判断是否有浓烟的产生。

光电传感器大概分为很多种，其中最常用的是，光电二极管，光电三极管，红外对管，光电池，光敏电阻，PMT等可以分为光子检测器件和热电检测器件。

下面就分别介绍一下一下各种光电传感器件的使用方法，适用领域，具体原理的话可以参考传感器专业的书，还有半导体材料方面的书，有比较详细的介绍，这里就不占篇幅来说这个了。

PMT，光电倍增管，由于供电电压高，虽然灵敏度高，线性好，响应快的特点，还有测量起来也比较麻烦，所以不太适合在智能家居中使用。一般可以用在夜间成像等军事应用领域。

光敏电阻，因为为了增加暗电流，也就是在无光照的情况下的电流，一般选用尽带宽度较大的材料，常用的材料有CdS，PbS，InSb，因为光电导器件的灵敏度计算公式得出，电极间距越小，灵敏度就越高，所以可以看到，光敏电阻上有蛇形的结构，就是这个原因。光敏电阻的特点是灵敏度高，工作电流大，光谱响应宽，无极性但是缺点也同样明显，在强光部分线性度差，作为热电器件，受温度影响大，只适合在低频范围使用。光敏电阻虽然看上去简单但是还是有很多注意点的虽然增大外接电压可以提高灵敏度，但是不可以超过光敏电阻的功率极限，要注意不同材料的光敏电阻的光谱响应特性，比如CdS的是最接近人眼的可接受的光谱范围的在可见波段内灵敏度最高，所以可以用在电视自动跳亮暗的方案上。向PbS对2us左右的红外辐射探测灵敏度最高，所以适合用于家庭防火的探测。还有的注意点就是，由于在测量实际家庭中的光线亮暗的时候，空间中杂光很多，可以采用凸透镜或者其他汇聚性的光学系统采集光源，适当的时候还可以用滤镜过滤掉一部分频段的杂光。测量光敏电阻的方法一般是通过电阻的变化来检测电压的变化，通过AD得到电压值。

光敏二极管和光敏三极管

这两个器件原理基本相同，但是和其他器件特别不一样的地方是这两个器件一般都采用反向偏压的方法来进行测量，因为反向偏压可以增大耗尽层宽度，从而增大载流子的个数，从而提高灵敏度，一般这种器件可以串联上电阻，通过检测电压的方式进行测量，因为光电二极管的耗尽层较宽，电极较小，所以电容很小，频率特性非常出色，但也要注意对不同频率光的配合问题。光敏三极管跟光敏二极管的差别是输出的电流更大，因为有β倍的加成，但请注意绝大多数三极管也是两个引脚，基极不引出，少数引出的可以根据手册一般是用于温度补偿。光敏二极管的频率响应特性非常不错，适合要求响应时间非常短的场合，但由于电流较小，一般都需要接放大器进行放大后再测量。这两个器件也需要考虑光敏电阻需要注意的聚光性和测量光线频率的针对性。

红外对管是将一个红外发射器和一个红外接收器并排连载了一起，可以用来探测反射的光线差异的，飞思卡尔的智能车比赛，光电组判断跑道的边缘一般都是采用这种传感器。

光电池，作为一种常用的光电探测器，他跟很多其他的光伏型器件有明显的不同，它可以将光能转化为电能，从而产生电势差，从而被检测。光电池具有不加电源就可以工作，既可以用作光电开关也可以用于线性测量。

光敏三极管或者二极管，光敏电阻可以用于系统中阳台的自动寻光花盆，也可以用来电视亮暗调节，窗帘自动开合的应用。

其中光敏电阻还可以和厌恶传感器搭配使用用在家庭防火系统中。

关于这几个应用，最近正在做，准备通过Zigbee来完成网络数据传输，具体的电路设计和驱动程序会在一段时间后给出。

这里就先讲湿度传感器和光电传感器两种。在以后的篇目中还会着重讲一下压力传感器，角度传感器，角加速度传感器，声音传感器等的使用要点和选择根据。希望能使智能家居系统做的真正智能化。

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