基于光電傳感的校園圍界入侵檢測系統(tǒng)

路明浩

摘 要： 本文針對校園圍界安全和入侵檢測需求，采用激光光電感應(yīng)原理，設(shè)計并開發(fā)了基于激光光路隔斷感應(yīng)的入侵檢測系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、光敏二極管、濾波和放大電路，并采用單片機嵌入式系統(tǒng)編程實現(xiàn)了光電信號處理和校園圍界入侵報警識別。實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞： 入侵檢測；光電感應(yīng)；單片機

一、校園圍界入侵檢測技術(shù)概述

校園安全是和諧社會中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對校園圍界進行異常入侵檢測是校園安防的一個必要手段。目前，針對家庭住宅、工商建筑和軍事、機場等特種場所都已具備了各種入侵檢測或防范技術(shù)，如電子圍欄、紅外、電磁、光電等多種傳感探測技術(shù)。校園圍界安全相比其他場所，具有一些特定要求，如：探測范圍中等、造價預(yù)算較低、無傷害性、低維護性等特點。針對校園圍界安全的這些要求，本文設(shè)計和開發(fā)基于激光光電傳感的嵌入式入侵檢測系統(tǒng)。

目前，入侵檢測報警系統(tǒng)的前端探測技術(shù)主要有三類。第一類是物理條件觸動傳感器報警；第二類前端探測技術(shù)采用波束打斷型傳感器，當(dāng)物體經(jīng)過發(fā)射器發(fā)射出的光束時，由于光束的阻擋觸動報警[1]；第三類前端探測器采用區(qū)域覆蓋型傳感器，采用這種類型的傳感器可以監(jiān)控一定體積的空間，如果有目標(biāo)進入此空間，就會被系統(tǒng)探測到并觸發(fā)報警。

常見的前端探測技術(shù)有震動光纜，電子圍欄，紅外探測，主動激光探測等。震動光纜探測系統(tǒng)通過對光折射的變化以及脈沖波形的檢測來判斷入侵物接觸所產(chǎn)生的震動，這包括音頻上、震動上以及光纖上的感知，從而觸發(fā)報警系統(tǒng)報警。這類系統(tǒng)由于在安裝過程中的問題以及圍欄四周植物的干擾，系統(tǒng)的質(zhì)量差別很大[2]。當(dāng)系統(tǒng)的光纜受到破壞，這個系統(tǒng)將癱瘓。所以在安全方面有嚴格要求的地區(qū)，不能夠使用這類探測報警系統(tǒng)。

地埋震動式和地埋壓力式探測報警系統(tǒng)的探測器被埋入地下，通過檢測對外來者的侵入所引起的土壤震動以及壓力變化進行報警。但這類報警系統(tǒng)對土壤密度有一定的要求，否則就會產(chǎn)生較多誤報。

脈沖電網(wǎng)探測報警系統(tǒng)在工作中，當(dāng)入侵物體接觸電網(wǎng)時，會觸發(fā)放電并產(chǎn)生報警。這類系統(tǒng)的威懾作用很強，但有可能會對入侵者造成傷害。

紅外探測報警系統(tǒng)通過對入侵物體引起的紅外變化進行檢測判斷報警[3]。系統(tǒng)沿直線架設(shè)，能夠監(jiān)測一定范圍的區(qū)域，但不適合大范圍區(qū)域的他測，適用場合有限。

激光主動入侵探測報警系統(tǒng)通過對入侵物體對激光光線的遮擋進行檢測判斷報警[4-5]。激光主動入侵探測報警系統(tǒng)的安裝簡易，與被動紅外探測報警系統(tǒng)相比，受溫度氣候變化影響小，設(shè)備誤報率小，比較穩(wěn)定，安裝造價相對適中。

本文以激光對射原理為基礎(chǔ)形成的光電感應(yīng)入侵系統(tǒng)能夠?qū)θ肭值氖挛镞M行及時的報警，一旦有物體阻斷激光光路，報警系統(tǒng)通過識別判斷是否為惡意入侵者，并進行報警。為防止外界光源干擾激光光路屏蔽入侵事件，對激光發(fā)射信號進行頻率調(diào)制，接收端進行信號解調(diào)。該方案可以大大降低傳統(tǒng)的物理圍欄防護的建設(shè)成本，并具有高度的靈敏性和一定的智能性，適合校園圍界安全使用。

二、檢測原理與整體方案設(shè)計

2.1 光電入侵檢測原理

激光具定向發(fā)光、亮度極高、單色性等特點。這些特點可以保證激光可以在較長的范圍傳遞信號。本文以激光傳遞光路為探測點，以激光光路的遮斷性來判斷是否在檢測點上出現(xiàn)入侵事件。

激光入侵系統(tǒng)應(yīng)用激光發(fā)射器和感光器件實現(xiàn)光電感應(yīng)[6]。該激光入侵報警系統(tǒng)通過將激光發(fā)射器布置在校園圍界安防區(qū)域，與激光發(fā)射器對應(yīng)的光電感應(yīng)器件必須保證能夠接受到激光發(fā)射機直射出的激光束。接受機把接收到的光束通過光電轉(zhuǎn)換為信號，經(jīng)過單片機對信號處理控制系統(tǒng)報警。

2.2 整體方案設(shè)計

激光入侵系統(tǒng)的整體設(shè)計按照一般報警系統(tǒng)要求，由激光發(fā)射器、光電轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、信號放大電路和信號處理與識別模塊組成。激光發(fā)射器經(jīng)單片機控制發(fā)射出一定頻率的激光束，激光束直接照射在光敏二極管上，光敏二極管將激光光束的光強信號轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，從而使得光電轉(zhuǎn)換電路得到高低電平。電平信號經(jīng)過濾波電路處理，并通過放大電路輸出電信號，這樣就完成了光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。輸出的電信號接入STC89C52單片機管腳，單片機通過對這些信號采集判斷識別是否啟動報警程序驅(qū)動報警。系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下。

靈敏度：能夠在0.3m/s-3m/s的速度內(nèi)實現(xiàn)探測；

工作電壓：系統(tǒng)在直流3-5V電壓能夠正常工作；

探測距離：實現(xiàn)10米內(nèi)的探測距離；

報警時間：識別報警持續(xù)時間應(yīng)達到1s；

恢復(fù)時間：報警結(jié)束后系統(tǒng)立即返回工作狀態(tài)；

調(diào)制頻率：激光頻率1000Hz。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

基于光電二極管感應(yīng)電路設(shè)計單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)對激光信號的采集和光電轉(zhuǎn)換，并通過AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行處理。系統(tǒng)的硬件模塊組成如圖2所示。

激光調(diào)制電路：對于激光直流電源，采用定時器電路實現(xiàn)平頻率為100至1000的固定方波，用該方波作為觸發(fā)信號，啟動激光電源，使其產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激光閃爍信號。

光電轉(zhuǎn)換電路：采用光電二極管作為光敏元件，與三極管組成光電轉(zhuǎn)換電路、其常態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)有外部激光照射到光電二極管的感光區(qū)域時，二極管導(dǎo)通，光電轉(zhuǎn)換電路為激發(fā)狀態(tài)。

濾波電路：濾波電路的作用是濾除信號中的高頻噪聲干擾。考慮到本文中激光的調(diào)制頻率不大于1000Hz，采用低通濾波電路過濾干擾，其截止頻率為2K

放大電路：采用兩個運算放大器組成信號放大電路，使得激光激發(fā)的信號進一步轉(zhuǎn)換為高電平和低電平開關(guān)信號。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 信號處理算法

信號的解調(diào)算法設(shè)計，對采集的時間序列信號進行濾波和通斷兩種狀態(tài)的時間統(tǒng)計，根據(jù)接收信號的有效性判別當(dāng)前激光光路的通斷，有效防止人為干擾激光光路的漏識別情況。信號處理算法的基本原理是對信號進行頻域變換，然后用一個預(yù)置帶通濾波器來判斷信號中是否存在有效頻率。在特定的時間窗口中，當(dāng)判別當(dāng)前信號存在有效調(diào)制頻率時，輸出為有效狀態(tài)；判別當(dāng)前信號中的頻率成分異常時，輸出無效狀態(tài)。通過信號處理，可以分辨是否存在遮擋信號中斷和外界干擾等情況，確保系統(tǒng)檢測的抗干擾性。

4.2 報警識別程序設(shè)計

根據(jù)信號有效性的通斷時間對是否發(fā)生入侵時間進行判斷，通過單片機系統(tǒng)的接口產(chǎn)生報警。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，激光光路中斷判別是否有入侵事件發(fā)生，由一個時間閾值來判斷。在本文中，假設(shè)人體的運移動速度不大于10米/秒，人體的截面尺度約為0.3米，這樣估算的信號中斷閾值為30毫秒，即檢測系統(tǒng)中激光光電信號中斷30毫秒即產(chǎn)生入侵報警輸出，通知安防系統(tǒng)進一步查看。

經(jīng)過樣機實驗，本文設(shè)計的光電探測系統(tǒng)可以實現(xiàn)200米距離上的激光光電信號的有效接收，可以滿足以校園為對象的圍界安全探測。

五、結(jié)論和展望

本文設(shè)計的基于激光光電傳感的嵌入式檢測系統(tǒng)，能夠有效檢測校園圍界探測點之間的異物隔斷光路情況，實現(xiàn)了校園圍界的入侵檢測。本文開發(fā)的入侵檢測系統(tǒng)除了應(yīng)用于校園圍界安防以外，由于所設(shè)計的光電傳感檢測方法具有無接觸遠距離光路中斷探測功能，還可應(yīng)用于更多的檢測場所。例如，對高層建筑窗口附近的異物檢測等。該系統(tǒng)不僅可以檢測異常入侵事件，還可以探測異物存在，幫助消除危險隱患。

本文設(shè)計的系統(tǒng)目前還處于實驗樣機狀態(tài)，未來面向?qū)嵱孟到y(tǒng)要求將在系統(tǒng)的安裝防護、激光器和感應(yīng)器件的初始對中安裝調(diào)試等工程問題方面進行研究。

參考文獻

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