基于紅外對射技術(shù)的安全警示系統(tǒng)設(shè)計

王光艷，鄭雅堃，裴振宏，吳剛，雷驊，李莎莎

（天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300134）

紅外線自1800年被發(fā)現(xiàn)以來，人們對紅外技術(shù)的研究從來沒有停止過，已經(jīng)開發(fā)出了眾多的應(yīng)用產(chǎn)品，應(yīng)用于醫(yī)療、檢測、航空和軍事等領(lǐng)域。由于紅外線是不可見光，具有較強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此紅外技術(shù)主要應(yīng)用在探測、控制、測量等系統(tǒng)，以及防盜、警戒等安保裝置中。例如軍事或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的紅外熱像儀測溫系統(tǒng)[1]，民用領(lǐng)域內(nèi)的人體識別[2-3]、人體運(yùn)動特征探測[4]和速度測量[5]，安防系統(tǒng)中的紅外報警器[6-9]等。紅外報警技術(shù)是其中最重要、最普及的研究領(lǐng)域之一，隨著集成電路技術(shù)和智能信息處理技術(shù)的發(fā)展，紅外報警技術(shù)逐步走向成熟，設(shè)備趨向小型化和智能化，其應(yīng)用也從最初的軍用，逐漸過渡到公共場合中的警示系統(tǒng)、居民住宅中的防盜系統(tǒng)、事業(yè)單位的防入侵系統(tǒng)等。

近年來，隨著社會的快速進(jìn)步和城市的大力建設(shè)，城市軌道交通，也即地鐵，已逐漸成為城市的交通命脈和人們主要的交通工具。對射式紅外傳感器已經(jīng)應(yīng)用于地鐵閘機(jī)的人體識別系統(tǒng)中[2]。但是，地鐵快速、無人售票等特點(diǎn)帶來的安全隱患也相應(yīng)增加，再加上乘客安全意識不足，導(dǎo)致與地鐵相關(guān)的交通事故屢屢發(fā)生，因此安全隱患的消除是目前相關(guān)部門急需解決的問題之一。本文設(shè)計的人體紅外警示系統(tǒng)旨在解決這一問題。該系統(tǒng)采用紅外對射技術(shù)采集報警信號，經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行處理，發(fā)出語音警示信號，提示跨越安全警示線的乘客退回到安全候車區(qū)。

目前，在地鐵站已經(jīng)有一些報警系統(tǒng)投入使用，但均有成本高昂等缺陷，本文設(shè)計的紅外報警系統(tǒng)成本則相對低廉，只需一塊89C51單片機(jī)P89V51RD2、一個語音錄放模塊（ISD1820）和外圍紅外探測電路即可達(dá)到報警效果，前景相當(dāng)可觀。

1 紅外線報警技術(shù)

紅外探測系統(tǒng)是用物理方法或電子技術(shù)，自動探測發(fā)生在布防監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的侵入行為，產(chǎn)生報警信號，并輔助提示值班人員發(fā)生報警的區(qū)域部位，顯示可能采取對策的系統(tǒng)[8]。

紅外探測技術(shù)由于其與人體的關(guān)系在報警系統(tǒng)中的應(yīng)用占據(jù)了相當(dāng)大的一部分。紅外報警器分為主動式和被動式兩種。被動式紅外探測器主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器件（紅外傳感器）及報警控制器等部分組成，如圖1所示。紅外傳感器作為紅外接收部分，其本身不發(fā)射任何能量而只被動接收、探測來自環(huán)境的紅外輻射，通過光學(xué)系統(tǒng)的配合作用，它可以探測到位某一個立體防范空間內(nèi)的熱輻射的變化。當(dāng)有人體在探測區(qū)域內(nèi)走動時，就會造成紅外熱輻射能量的變化。紅外傳感器將接收到的活動人體與背景物體之間的紅外熱輻射能量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗螅屯鶊缶刂破?，發(fā)出報警信號。

主動式紅外探測器，也稱對射式紅外傳感器，全名叫“光束遮斷式感應(yīng)器”，是一種能檢測人體發(fā)出的特定波長紅外線的敏感元件。紅外對射式探測器由瞄準(zhǔn)孔、光束強(qiáng)度指示燈、球面鏡片、LED指示燈等組成。其偵測原理是利用紅外線經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體，再經(jīng)光學(xué)鏡面做聚焦處理使光線傳至很遠(yuǎn)距離，由受光器接收，當(dāng)光線被遮斷時就會給出報警信號。紅外對射報警器由收、發(fā)裝置兩部分組成，如圖2所示。發(fā)射裝置向裝在幾米遠(yuǎn)的接收裝置輻射一束紅外線，當(dāng)被遮斷時，接收裝置即發(fā)出報警信號。

被動紅外技術(shù)基本應(yīng)用于室內(nèi)防范，而主動紅外技術(shù)不僅可用于室內(nèi)還可用于室外，并具有隱蔽性強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)[9]。此外，由紅外對射管構(gòu)成的探測裝置一般在6～15米的距離之內(nèi)準(zhǔn)確地感測運(yùn)動人體的存在，較之微波、超聲探測方式具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、耗電微、敏感度高，且能準(zhǔn)確鑒別生物體和非生物體的運(yùn)動，誤報率低，目前被認(rèn)為是最可靠的人體探測技術(shù)。因此，本論文所設(shè)計的地鐵安全警示系統(tǒng)，主要采用主動式紅外對射報警器的設(shè)計模式。

圖1 被動式紅外報警器原理框圖Fig.1 Functional block diagram of passive infrared alarm

圖2 主動式紅外報警器原理框圖Fig.2 Functional block diagram of active infrared alarm

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

文中所設(shè)計的地鐵安全警示系統(tǒng)主要運(yùn)用紅外線檢測、信號傳輸和單片機(jī)控制等技術(shù)。將該報警器安裝在地鐵站的黃線警示線的兩端，采用紅外對射技術(shù)對入侵信號進(jìn)行檢測，若有人踩踏黃線，進(jìn)入警示區(qū)，則光線被遮斷，系統(tǒng)就會采集到入侵信號，傳遞給核心控制單片機(jī)，發(fā)出警示信號。結(jié)合地鐵站的實(shí)際情況，可以在每個地鐵門的兩端放置一對紅外對射設(shè)備，并在每個地鐵門前安裝一個帶有紅色警示燈的語音警示模塊（ISD1820），從而實(shí)現(xiàn)一塊單片機(jī)集中處理入侵信號，各個地鐵門分開報警的功能。

當(dāng)光束遮斷式感應(yīng)器檢測到入侵信號時，將該入侵信號的輸出端接向單片機(jī)P89V51RD2的管腳上，通過在C語言環(huán)境下對該信號進(jìn)行處理，使用P89V51RD2的控制功能，用以驅(qū)動語音錄放模塊，發(fā)出“請在黃線外候車”的語音警示信號，再配合警示燈實(shí)時亮紅燈，達(dá)到報警效果。并在C語言環(huán)境下設(shè)置延時，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)罔F進(jìn)站乘客踩踏警戒線上車時報警功能失效，在地鐵離站后立即恢復(fù)正常，并以此循環(huán)往復(fù)，從節(jié)約單片機(jī)資源、充分利用單片機(jī)管腳的角度出發(fā)，可是使用一塊P89V51RD2去控制4個紅外對射設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)一塊P89V51RD2控制多個地鐵門的功能，而且相互不干擾。再者，對開發(fā)板上的數(shù)碼管編程設(shè)置一個電子表，使其與報警系統(tǒng)啟動開始同步實(shí)時顯示系統(tǒng)運(yùn)行時間，以方便工作人員進(jìn)行管理。

系統(tǒng)設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)和電路原理圖如圖3所示，電路設(shè)計軟件的限制，圖中用蜂鳴器模擬語音錄放模塊（ISD1820）。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計總體結(jié)構(gòu)圖，可將系統(tǒng)總體功能劃分為硬件和軟件兩方面分別進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)硬件設(shè)計部分主要完成發(fā)送端和接收端的電路設(shè)計，語音報警電路設(shè)計，及其與核心控制單片機(jī)的接口電路等。系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要指進(jìn)行核心信號處理的89C51單片機(jī)的C語言程序結(jié)構(gòu)規(guī)劃和內(nèi)容設(shè)計。

2.1 紅外對射電路設(shè)計

本系統(tǒng)在設(shè)計時，盡可能采用最簡單的電路設(shè)計來完成相應(yīng)的功能，按照主動式報警器的原理。所設(shè)計的其中一對紅外對射電路如圖4所示。采用了一個發(fā)光二極管，再接上一個上拉電阻，構(gòu)成紅外發(fā)射電路；采用CR20F20光敏晶體管連接上拉電阻，構(gòu)成紅外接收電路。當(dāng)有人越過黃色警示線，也即有物體阻擋紅外對射電路時，接收電路部分的輸出電壓U o會產(chǎn)生電平變化，從而驅(qū)動單片機(jī)進(jìn)入告警狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計總圖的其他外圍電路的設(shè)計采用天津銳志單片機(jī)公司所出產(chǎn)的單片機(jī)開發(fā)板P89V51RD2上的外圍電路即可。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3 系統(tǒng)的總體電路圖Fig.3 Circuit diagram of the warning system

圖4 紅外對射電路Fig.4 Circuit diagram of infrared correction

本系統(tǒng)信號處理的核心部分是以P89V51RD2為核心的單片機(jī)開發(fā)板，P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。P89V51RD2的典型特性是它的X2方式選項。利用該特性，設(shè)計工程師可使應(yīng)用程序以傳統(tǒng)的80C51時鐘頻率（每個機(jī)器周期包含12個時鐘）或X2方式（每個機(jī)器周期包含6個時鐘）的時鐘頻率運(yùn)行，選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾（EMI）。

本系統(tǒng)在調(diào)試模擬時，使用了在天津銳志單片機(jī)公司購買的一塊單片機(jī)開發(fā)板，結(jié)合該開發(fā)板上的外圍電路的設(shè)計，在使用P89V51RD2的管腳時，使用了閑置的P1與P3的幾個IO口，程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)設(shè)計軟件流程圖Fig.5 Software flow diagram of system design

按照圖5中的流程圖進(jìn)行編寫程序，在啟動系統(tǒng)時，系統(tǒng)立即開始計時，以天津地鐵一號線為例，地鐵列車每10分鐘進(jìn)站一次，考慮到調(diào)試時間，將系統(tǒng)有效時間設(shè)定為20秒，在這20秒內(nèi)，若有人或者物體越過黃線，檢測信號接收端產(chǎn)生低電平，此時通過一個If語句使得相應(yīng)的警示燈點(diǎn)亮，同時蜂鳴器響，在20～30秒之間時，系統(tǒng)功能失效，并以此30秒為周期循環(huán)往復(fù)下去。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在實(shí)物調(diào)試之前，將按照上述流程圖編寫好的程序燒進(jìn)P89V51RD2中，使用帶有P89V51RD2的開發(fā)板，使用開發(fā)板上邊的數(shù)碼管、蜂鳴器、TL、RL小紅燈完成外圍電路的設(shè)計。本文設(shè)計的警示系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)罔F尚未到站時，若有物體越過黃線警示線時，紅外接收端接收不到信號，通過P89V51RD2的控制使得開發(fā)板上的RL燈或者TL燈亮和蜂鳴器發(fā)聲，綜合燈亮和蜂鳴器發(fā)聲的效果，完成報警，而當(dāng)?shù)罔F進(jìn)站時，通過延時程序該系統(tǒng)立即失效，從而不干擾乘客進(jìn)入地鐵。

系統(tǒng)的調(diào)試是一個不斷完善的過程，經(jīng)過多次修改論證后，最終基本達(dá)到了預(yù)期的效果和目的。在上述基本功能調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，可以用語音錄放模塊（ISD1820）替代蜂鳴器，達(dá)到實(shí)時語音報警的目的。

4 結(jié)束語

文中所設(shè)計的人體紅外警示系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通中候車區(qū)的安全警示，其主要原理是光束遮斷式感應(yīng)器（紅外對射）的發(fā)射端發(fā)出一束或多束人眼無法看到的紅外光，形成警戒線，當(dāng)有物體通過時，光線被遮擋，接收端信號發(fā)生變化，然后采用P89V51RD2單片機(jī)對信號的變化進(jìn)行處理，驅(qū)動語音錄放模塊，發(fā)出“請在黃線外候車”等預(yù)先設(shè)置的語音警示信號，從而替代研制階段所采用的蜂鳴器和警示燈，達(dá)到更好的警示效果。也可以充分利用芯片的管腳，實(shí)現(xiàn)一塊芯片控制多個地鐵門的警示功能。此外，利用開發(fā)板上的數(shù)碼管設(shè)置一個電子表同步實(shí)時顯示該系統(tǒng)運(yùn)行時間，以方便工作人員管理。該警示系統(tǒng)原理簡單，成本低廉，探測效果好，可實(shí)施性高，不僅可以在地鐵站內(nèi)使用可以在很多領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展使用，有著廣闊的市場前景。

[1] 孫曉剛，李云紅.紅外熱像儀測溫技術(shù)發(fā)展綜述[J].激光與紅外，2008，38（2）：101-104.SUN Xiao-gang，LI Yun-hong.Review of the development of temperature measurement technology with infrared thermal imager[J].Laser&Infrared，2008，38（2）：101-104.

[2] 周凡，焦科杰，牛國柱.人體識別系統(tǒng)中通行識別技術(shù)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（1）：172-174.ZHOU Fan，JIAO Ke-jie，NIU Guo-zhu.Study on traffic recognition technology in human recognition system[J].Modern Electronics Technique，2012，35（1）：172-174.

[3] 張濤，鐘舜聰.基于人體步態(tài)識別的熱釋電紅外傳感報警系統(tǒng)[J].機(jī)電工程，2011，28（10）：1190-1193.ZHANG Tao，ZHONG Shun-cong.Pyroelectric infrared alarm system based on human gait recognition[J].Journal of Mechanical&ElectricalEngineering，2011，28（10）：1190-1193.

[4] 程衛(wèi)東，董永貴.利用熱釋電紅外傳感器探測人體運(yùn)動特征[J].儀器儀表學(xué)報，2008，28（5）：1020-1023.CHEN Wei-dong，DONG Yong-gui.Detection of human bodymotion features using pyroelectric infrared sensor[J].ChineseJournalofScientific Instrument，2008，28（5）：1020-1023.

[5] 靳斯佳，李麗宏.紅外傳感器在速度測量中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2010，18（10）：67-69.JIN Si-jia，LI Li-hong.Application of infrared sensor in speed measurement[J].Electronic Design Engineering，2010，18（10）：67-69.

[6] 趙新華，郝陽，劉洋，等.紅外報警系統(tǒng)設(shè)計[J].應(yīng)用科技，2013，40（2）：47-52.ZHAO Xin-hua，HAO Yang，LIU Yang，et al.Design of an infrared alarm system[J].Applied Science and Technology，2013，40（2）：47-52.

[7] 張文.基于紅外檢測的自動防盜報警裝置的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2013，32（3）：99-101.ZHANG Wen.The development of automatic guard against theft&alarm equipment on the Base of infrared examination[J].Techniques of Automation and Application，2013，32（3）：99-101.

[8] 韋中超，廖浚宏，張準(zhǔn)，等.主動紅外對射式光電防盜報警器[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2013，28（2）：1-4+31.WEI Zhong-chao，LIAO Jun-hong，ZHANG Zhun，et al.Active infrared correlated electro-optical burglar alarm[J].Electro-Optic Technology Application，2013，28（2）：1-4+31.

[9] 趙立瓊.無線紅外周界報警器的設(shè)計[J].十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012，25（2）：99-101.ZHAO Li-qiong.The design of wireless infrared perimeter alarm[J].Journal of Shiyan Technical Institute，2012，25（2）：99-101.