摘要

本文首先討論運動檢測的基本原理，然后展示開發者如何使用與MicrochipDM080104ATtiny 1627 Curiosity Nano 連接的 PIR 進行運動檢測。最后，介紹一種可替代復雜算法開發的運動檢測方法。這種方法充分發揮了機器學習 (ML) 技術的優勢。其中包括入門所需的技巧和竅門。

在許多工業、商業、家居和嵌入式應用中，對運動檢測的需求在持續增長。問題是運動檢測可能需要價格高昂且難以連接的數字傳感器。此外，在收到數據后仍然需要開發算法來檢測運動，這是一項極為重要的工作。

有多種解決方案可用來檢測運動，其中紅外 (IR) 解決方案最受歡迎。開發人員可以選擇一種在許多獨立數字傳感器中常見的主動式解決方案，但實施成本會更高、實施過程更復雜。另一種方法是發揮被動式紅外傳感器 (PIR) 的優勢，這種傳感器成本較低，連接更簡單。PIR 具有大多數微控制器都可以連接的模擬接口。

運動檢測的基本原理

目前有多種運動檢測技術，其中以紅外技術應用最為廣泛。IR 傳感器分為主動和被動式。主動式傳感器包括一個紅外 LED 發射器和一個光電二極管接收器。主動式傳感器可檢測到物體上反射的紅外線，然后使用接收到的紅外線來探測物體是否已發生移動。根據不同的應用，主動式傳感器可能采用了多個光電二極管來查看運動方向。例如，通過探測哪些紅外信號滯后或超前，四個光電二極管可用于檢測左、右、前、后、上、下等指示性運動。

被動式紅外傳感器不能發射紅外線，只能接收紅外線。PIR 傳感器使用被探測物體發射的紅外線來探測其存在以及與之相關的任何運動。例如，家居安防系統中通常會有運動傳感器，用于探測人或動物發出的紅外線，并確定其是否在檢測范圍內移動。圖 1 所示為模擬 PIR 傳感器在不同條件下可能探測到的對象或物體狀態，如無紅外線、紅外線存在、穩定不變和離開（切斷）。

圖 1：PIR 傳感器使用對象或物體發出的紅外線來探測其運動和存在狀態。如圖所示，不同的探測階段包括：無紅外線、存在紅外線、穩定不變和離開（切斷）。（圖片來源：Microchip Technology）

當為某個應用選擇正確的紅外傳感器類型時，開發者需要仔細考慮相對于以下參數的權衡：

傳感器成本

包裝

微控制器接口

探測算法和計算能力

傳感器系列和能耗

讓我們以使用 ATtiny1627 的 PIR運動探測系統為例進行研究。

ATtiny1627 Curiosity Nano 簡介

Microchip Technology 的 ATtiny1627 是一個值得關注的運動檢測微控制器 (MCU) 解決方案。這款 8 位MCU 內置了 12 位模數轉換器 (ADC)，最多可進行 17 位超采樣。該器件包含用來調節靈敏度的可編程增益放大器(PGA)。將這兩個特性組合在一起，可以實現一個適合許多應用的低成本運動探測系統。

最好的低成本入門方案是使用 DM080104 ATtiny1627 Curiosity Nano開發板（圖 2）。該開發板包含一個運行速度高達 20 MHz 的 AVR MCU，這款 MCU 具有16 KB 閃存、2KB SRAM 和 256 B EEPROM。該板包括編程器、LED 和用戶開關。也許最讓人感興趣的是，該板可以輕松的通過針座連接，可用于快速原型開發，或者直接焊接到原型或生產板上。

圖 2：ATtiny1627 Curiosity Nano 內置 8 位可編程 AVR MCU，其運行速度高達 20 MHz，擁有 16KB 閃存、2KB SRAM 和 256 B EEPROM。該開發板可以很容易地焊接到一塊更大的底板上或者通過跳線與該底板連接，以方便原型設計和生產系統。（圖片來源：Microchip）

該板還有一些對開發有益的功能。首先，該板有兩個邏輯分析器通道：DGI和 GPIO。這些通道可以用來調試和管理微控制器。第二，開發者可以利用板載虛擬 COM 端口 (CDC) 進行調試或記錄信息。最后，可以使用多種工具編寫和部署軟件。例如，開發者可以使用Microchip Studio 7.0、GCC 編譯器；或者使用MPLAB X，它使用 GCC 或XC8 編譯器。

此外，Microchip 支持大約十幾個代碼庫， 包括了各種不同的 ATtiny1627 示例。這些代碼庫中包含了 PIR 運動探測、溫度測量、模擬轉換等大量示例。

構建運動探測測試臺

構建并運行運動探測測試臺很簡單，成本也不太高。構建測試臺的必要組件包括：

DM080104 ATtiny1627 Curiosity Nano

AC164162TCuriosity Nano適配器

MikroElektronika的MIKROE-3339PIR 傳感器

我們已經了解 ATtiny1627 Curiosity Nano的基本功能。Curiosity Nano 適配器為 ATtiny1627 Curiosity Nano 提供一塊載板，可用于快速原型開發（圖 3）。此外，該適配器還為 MIKROE click boards 擴展板提供了三個擴展插槽以及針座，用于評估信號或添加自定義硬件。

圖 3：Curiosity Nano 適配器還為 MIKROE click board 擴展板提供了三個擴展插槽以及針座，用于訪問信號或添加自定義硬件。（圖片來源：Microchip）

最后是如圖 4 所示的 MIKROE-3339 PIR 傳感器，該器件提供了樣式簡單、可擴展的KEMETPL-N823-01被動式紅外傳感器，可以直接與 Curiosity Nano 適配器連接。需要指出的是，MIKROE-3339 與 Microchip 的運動探測示例一起使用時，需要進行一些修改。關于這些修改請參閱Microchip 的 AN3641 應用說明《使用 tinyAVR? 2 系列實現低功耗、高性價比 PIR 運動探測》的第10 頁。

圖 4：MIKROE-3339 click board 擴展板易于制作原型，提供了一個 KEMET PL-N823-01 PIR 傳感器。（圖片來源：MikroElektronika）

PIR運動探測軟件

在軟件方面開發者有多種選擇，可以用來創建運動探測軟件解決方案。第一個解決方案是使用Microchip 在 AN3641 中提供的示例材料。示例運動探測軟件的代碼庫可以在Github中查找。

該應用分為多個階段。首先，應用初始化并預熱 PIR 傳感器。其次，使用 ADC 中斷服務例程定期對 PIR 傳感器進行采樣。第三，ADC 數據進行平均化處理。最后，通過探測算法發出是否探測到運動的信號。如果探測到活動，板載 LED 閃爍并通過串行端口發送探測信號。完整的程序流程參見圖 5。

圖 5：該圖表展示了 Microchip 運動探測應用的軟件流程。（圖片來源：Microchip）

運動探測的第二個選擇是利用 Microchip 示例中的初始化和 ADC 中斷例程，但不使用其探測算法，而使用 ML。可以收集 PIR 數據，然后用于訓練神經網絡。然后，ML 模型可以通過 TensorFlow Lite for Microcontrollers切換至微控制器運行，使用 8 位權重的定點數學。

以這種方式使用 ML 的吸引人的地方是，開發者無需再為其特定需求設計算法。相反，開發者只需在預期條件及其應用所需的用例下對傳感器進行采樣。此外，ML 還允許開發者在新數據出現時快速擴展并調整其模型。

使用 ATtiny1627 進行運動檢測的技巧和竅門

對于那些有興趣使用運動探測的開發者來說，他們有許多選擇。為了簡化開發、加快開發速度，開發者應牢記的“技巧和竅門”包括：

使用現成零件構建一個低成本原型開發平臺。

充分利用 Microchip 運動探測示例。這些示例可以在 GitHub 上查找。

使用 ATtiny1627 Curiosity Nano 封裝設計原型硬件，并直接將電路板焊接到硬件上，以簡化初始原型。

如需獲得更少、更有效的優化代碼，請使用 Microchip XC8 編譯器。

在開始構建運動探測應用前，請閱讀 Microchip 的 AN3641 的文檔：使用 tinyAVR? 2 系列的低功耗、高性價比 PIR 運動探測器。

認真考慮將 ML 用于運動探測算法。

遵循這些“技巧和竅門”的開發者會發現，他們在對應用進行原型開發時可以節省更多的時間，減少更多的麻煩。

總結

運動探測正在成為許多應用的常見功能，特別是在非觸摸場景下。開發者可以通過使用 PIR 傳感器和低成本 MCU，最大限度地減少 BOM 成本，簡化設計。如圖所示，ATtiny1627 是一個很好的起點，Microchip 提供了大量的工具和應用說明，幫助開發者啟動其項目。此外，為了盡可能簡化運動探測算法開發，可以使用 ML。