基于振動(dòng)傳感器的周界圍欄報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田曉鳳，于春和

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

目前較常用的戶外周界入侵探測(cè)系統(tǒng)主要有［1－2］紅外對(duì)射探測(cè)器、振動(dòng)傳感電纜、激光對(duì)射探測(cè)器、墻振動(dòng)入侵探測(cè)器、微波探測(cè)器、靜電感應(yīng)探測(cè)器、光纖防越柵欄、電磁泄漏電纜探測(cè)器以及視頻運(yùn)動(dòng)探測(cè)與跟蹤系統(tǒng)等。

紅外對(duì)射具有安裝操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。不足之處是易受地形條件的高低、曲折、轉(zhuǎn)彎、折彎等環(huán)境限制，而且不適合惡劣氣候，誤報(bào)率高。

泄露電纜和振動(dòng)電纜［3］對(duì)天氣、外界環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，可在室外各種惡劣的自然環(huán)境和高低溫的環(huán)境中正常地進(jìn)行全天候的防范，但由于傳感部分都是有源的，所以系統(tǒng)功耗很大。

光纖體積小，重量輕、不受地形和氣候的影響，具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性，但使用成本高。

為此本文提出一種受氣候溫度等影響因素小并能夠?qū)崟r(shí)報(bào)警的周界報(bào)警系統(tǒng)［4］，有效剔除漏報(bào)，降低誤報(bào)率，性價(jià)比較高。

1 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用的振動(dòng)探頭是滾珠式振動(dòng)傳感器，其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)由兩片金屬片和一個(gè)金屬小球構(gòu)成，考慮到金屬易氧化腐蝕，在其表面鍍金。從金屬片的兩端分別引出兩條引線作為輸出信號(hào)的兩個(gè)電極，如圖1所示。

圖1 振動(dòng)探頭

圖2 信號(hào)采集電路原理圖

其基本原理為:當(dāng)受到外界振動(dòng)后，金屬小球立即跑開，通過(guò)金屬小球相連的兩個(gè)金屬片斷開，此時(shí)與之并聯(lián)的一個(gè)3.9 k電阻在電路中起作用，當(dāng)沒(méi)有受到外界振動(dòng)，兩片金屬片相連，此處在電路中起到導(dǎo)線的作用。利用檢測(cè)此處電路工作狀態(tài)與外圍電路組合將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)與電壓比較器比較，輸出高低電平，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)的采集，信號(hào)采集電路原理圖如圖2所示。

為了保護(hù)振動(dòng)傳感器的兩條引線A和B，接入二極管D1、D2、D3，防止由于瞬間產(chǎn)生的脈沖電流燒壞引線。防止人為破壞振動(dòng)探頭，惡意剪斷，利用電壓比較器對(duì)振動(dòng)探頭進(jìn)行電壓檢測(cè)，超過(guò)一定閾值，則判斷振動(dòng)探頭被人為剪斷進(jìn)行報(bào)警。由于長(zhǎng)期戶外工作，振動(dòng)探頭會(huì)出現(xiàn)位置偏移或金屬小球被氧化腐蝕等情況，造成誤報(bào)，對(duì)此我們同樣利用電壓比較器與單片機(jī)相結(jié)合進(jìn)行檢查，降低誤報(bào)率。

2 信號(hào)分析與處理

采集到的數(shù)據(jù)是以 AA(或55)、時(shí)、分、秒、AA(或 55)為起始標(biāo)志，以 99、66、99、年、月、日、時(shí)、分、秒為結(jié)束標(biāo)志的.dat文件。因此在數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，我們按照時(shí)間劃分為若干小組，便于對(duì)信號(hào)特征的提取。界面顯示出此文件的信號(hào)數(shù)據(jù)總體數(shù)和當(dāng)前被處理信號(hào)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、共分為多少小組以及被處理信號(hào)是第幾組和起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間。

信號(hào)處理過(guò)程如下:

(1)在MATLAB下任意讀取.dat文件。讓MATLAB自動(dòng)搜索以.dat為結(jié)尾的文件。

(2)把讀入進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)按時(shí)間劃分為若干小組。以時(shí)間為分界點(diǎn)，為了保證所分小組正確，我們以上一組的結(jié)束時(shí)間和下一組的起始時(shí)間為標(biāo)志，找到對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行小組劃分。再把得到的若干小組放在一個(gè)元胞數(shù)組中。程序設(shè)計(jì)如下。

(3)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，因?yàn)椴杉降臄?shù)據(jù)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，那么我們形象的將1表示為高電平，代表圍欄有晃動(dòng);0表示為低電平，代表圍欄沒(méi)有晃動(dòng)。依次判斷每個(gè)點(diǎn)是否為高電平，高電平畫在指定坐標(biāo)上方，低電平畫在指定坐標(biāo)下方。

(4)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行處理。首先要找到第一個(gè)引起晃動(dòng)的高電平，再判斷此高電平以后T1時(shí)間段里高電平持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間，若是超過(guò)T2時(shí)間段，那么此處報(bào)警;若是沒(méi)有，則此處正常。程序設(shè)計(jì)如下:

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

界面中同一行上面的數(shù)據(jù)表示原始信號(hào)，下面的數(shù)據(jù)表示處理后的信號(hào)。

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

為了確保室外試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果分析的可靠性，在室內(nèi)進(jìn)行人為模仿晃動(dòng)振動(dòng)傳感器試驗(yàn)。首先進(jìn)行人為模仿風(fēng)吹引起振動(dòng)的信號(hào)處理，其次進(jìn)行人為模仿攀爬圍欄引起振動(dòng)的信號(hào)處理。試驗(yàn)結(jié)果如圖3～4所示。

圖3 人為模仿風(fēng)吹晃動(dòng)引起的振動(dòng)信號(hào)處理

圖4 人為模仿攀爬引起的晃動(dòng)

由上圖可以看出，有效剔除了風(fēng)吹引起的虛報(bào)和對(duì)人為攀爬引起的晃動(dòng)進(jìn)行了報(bào)警。

3.2 室外試驗(yàn)

首先對(duì)實(shí)際采集到的風(fēng)吹信號(hào)進(jìn)行處理，其次對(duì)人為攀爬圍欄引起振動(dòng)的信號(hào)處理。每采集一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間為0.3 ms，我們?cè)O(shè)定T1為需要采集的點(diǎn)數(shù)，也就是數(shù)據(jù)采集時(shí)間周期，T2表示在閾值T1內(nèi)高電平出現(xiàn)的個(gè)數(shù)，也就是高電平持續(xù)時(shí)間的累積和，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)置不同的閾值，處理結(jié)果不同，如圖6～7所示。

圖5 實(shí)際采集到的風(fēng)吹引起振動(dòng)的信號(hào)處理

圖6 T1=30、T2=15的閾值處理結(jié)果

圖7 T1=40、T2=20的閾值處理結(jié)果

由上圖可得，當(dāng)由風(fēng)吹引起的振動(dòng)時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，其不具有任何規(guī)律，而由人為攀爬引起的振動(dòng)具有一定的周期性，重復(fù)性，此種方法可以有效剔除風(fēng)吹引起的振動(dòng)和對(duì)人為攀爬進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，并針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的圍欄，人為攀爬引起的晃動(dòng)具有不同的周期性，為此設(shè)定不同的閾值，增加了使用的靈活性。

4 算法的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述MATLAB對(duì)算法的驗(yàn)證，改為C程序，然后用單片機(jī)的編譯程序重新編譯后下載進(jìn)單片機(jī)中，本文選用STC12C5A60S型號(hào)單片機(jī)。利用中值定理，通過(guò)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器設(shè)定固定的閾值，檢測(cè)管腳采集到的高低電平，當(dāng)在固定的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，檢測(cè)高電平的個(gè)數(shù)超過(guò)閾值，則進(jìn)行報(bào)警，若沒(méi)有到達(dá)報(bào)警要求，直接將數(shù)據(jù)清空，不占用任何形式的內(nèi)存，直接進(jìn)行下一次的檢測(cè)，這樣提高了單片機(jī)的運(yùn)行速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用MATLAB對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取到人為攀爬圍欄的信號(hào)特征。發(fā)現(xiàn)由風(fēng)吹引起的振動(dòng)不具有任何規(guī)律性，而人為引起的振動(dòng)具有周期性、重復(fù)性，利用此種方法可以有效剔除風(fēng)吹引起的振動(dòng)，并對(duì)人為攀爬引起的振動(dòng)、振動(dòng)傳感器被惡意剪斷以及振動(dòng)探頭是否正常工作能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的報(bào)警，減小誤報(bào)率，提高了周界安全。

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