基于超聲波測距的安保系統(tǒng)設(shè)計與可靠性分析

李錦廷，荀延龍

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080）

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，安保系統(tǒng)越來越受到人們的重視。在電子科技快速發(fā)展的大背景下，利用超聲波感測的安保系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣。超聲波具有指向性好、功耗小、對玻璃等介質(zhì)穿透性不強(qiáng)等特點，而利用超聲波測距的安保系統(tǒng)成本較低，不受光線以及被測物體的顏色影響，并且超聲波在空氣中的傳播速度較慢，這樣誤差較小，分辨率較高，同時，超聲波傳感器體積小，整個系統(tǒng)集成化程度高，適合一些需保密探測的安保場合。利用超聲波測距的安保系統(tǒng)方便、體積小、成本低，因此被廣泛應(yīng)用。作者在對基于超聲波測距的安保系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和測試后，在探測距離、被測物體移動速度、探測角度以及環(huán)境溫度和環(huán)境風(fēng)速等因素對系統(tǒng)可靠性的影響進(jìn)行了分析，使基于超聲波測距的安保系統(tǒng)在應(yīng)用價值上有更加深入的研究，為后續(xù)該系統(tǒng)的改進(jìn)以及應(yīng)用提供一定的借鑒意義。

1 安保系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計

基于超聲波感測的安保系統(tǒng)，主要是利用了超聲波測距原理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。當(dāng)進(jìn)入安保狀態(tài)時，裝置檢測范圍內(nèi)將禁止閑雜人員進(jìn)入，此時裝置檢測到的距離是固定的，當(dāng)有任何侵入物進(jìn)入到檢測范圍后，安保裝置檢測到距離變化超過10 cm（考慮到人身體的實際厚度和寬度，此距離可以根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)）后，安保裝置選擇進(jìn)行聲光報警；當(dāng)業(yè)主進(jìn)入安保裝置保護(hù)范圍時，可以通過開關(guān)控制安保裝置取消安保狀態(tài)。

整個安保系統(tǒng)由超聲波感測模塊、數(shù)碼顯示模塊、信息處理模塊以及報警模塊組成。測距模塊負(fù)責(zé)超聲波的收發(fā)，控制模塊用與整個裝置的協(xié)調(diào)和控制，因為測距傳感器是集成模塊所以與控制模塊連接時不用進(jìn)行信號的調(diào)理；鍵盤模塊是用來設(shè)置檢測距離閾值、身體厚度閾值等參數(shù)和復(fù)位、解除安保等控制命令之用；報警模塊是當(dāng)檢測到入侵后通過驅(qū)動電路產(chǎn)生的警燈閃爍和警報鳴叫信號；顯示模塊是用于實驗過程中測試之用，后來考慮在非報警用途以外可以用于家庭中的一般簡單測距使用故予以保留。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

超聲波感測模塊使用HC-SR04，其具有使用簡單、工作可靠的特點。控制芯片使用STC89C52RC，這款單片機(jī)是由宏晶科技推出的一款單片機(jī)，工作頻率為0～40 MHz，具有成本低、低功耗、抗靜電（ESD保護(hù)）的特點。

系統(tǒng)的工作過程是：首先由單片機(jī)給超聲波測距模塊一個10 μs的高電平，并且單片機(jī)內(nèi)部的定時器開始計時。超聲波測距模塊在接收到這10 μs的高電平后，會在發(fā)射端發(fā)出8個40 kHz的方波，并且會在信號回送端口給單片機(jī)發(fā)送一段持續(xù)的高電平。當(dāng)發(fā)送出去的超聲波遇到障礙物后被反射回來，測距模塊的接收端口接收到后，則給單片機(jī)的高電平停止，單片機(jī)內(nèi)部的定時器停止工作，進(jìn)而根據(jù)接收和發(fā)射時刻間的時間差和超聲波傳播速度的乘積來計算傳感器與反射障礙物之間的距離。當(dāng)該距離是固定的（此距離設(shè)定為報警閾值），則說明沒有侵入物，則不報警；反之，而當(dāng)探測傳感器與反射障礙物之間侵入了外來物體，從而使得探測距離變小，單片機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，隨后會觸發(fā)報警器，報警器報警。同時單片機(jī)會將測得的距離通過數(shù)碼管顯示出來。

2 安保系統(tǒng)可靠性分析

2.1 探測距離與誤差

HC-SR04的技術(shù)手冊標(biāo)稱其最大可探測距離為470 cm，最小探測距離為2 cm，在實驗樣機(jī)實際測試過程中，發(fā)現(xiàn)而其可靠探測的最大距離為380 cm，最小距離為2 cm，如表1所示。

表1 安保系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)

在可靠探測距離內(nèi)，報警系統(tǒng)可以有效進(jìn)行測距報警，若超出這個距離，則系統(tǒng)有時無法進(jìn)行有效測距，進(jìn)而無法進(jìn)行可靠工作。當(dāng)然，這與報警系統(tǒng)所使用的測距模塊有關(guān)，此報警系統(tǒng)只是用一個簡單型號進(jìn)行了可靠性實驗，在實際應(yīng)用中，有可靠性更好，精度高，探測距離遠(yuǎn)的測距模塊，鑒于實驗條件所限，無法進(jìn)行實測。實際應(yīng)用時，可以根據(jù)安保裝置保護(hù)空間的大小，通過選擇不同的檢測傳感器而予以調(diào)整，進(jìn)而保證實踐中最佳的安保效果。

在實測過程中，對測得的距離用直尺測量實際距離和安保裝置測試顯示距離進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)報警系統(tǒng)測得的距離與實際距離存在一定的誤差，且通過繪制的折線圖發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增加，誤差也隨著增大，如圖2所示。

圖2 探測距離與誤差關(guān)系

所以隨著探測距離的增加，其可靠性也會下降，在實際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)實際情況控制探測距離，并且可以選擇器件使得誤差變小，另外，從測得的誤差值可以發(fā)現(xiàn)，雖然系統(tǒng)有誤差但是能夠滿足10 cm的閾值要求。

2.2 對被測物體移動速度的測量

對于安保系統(tǒng)來說，被測物體的移動速度也是一個重要的測試指標(biāo)。假如物體移動速度過快，導(dǎo)致傳感器無法有效捕捉反射信號，則安保系統(tǒng)的可靠性就會下降。通過對基于超聲波感測的安保系統(tǒng)進(jìn)行測量，設(shè)置100 cm為報警距離，讓物體以不同速度通過報警裝置，觀察報警裝置是否報警。若物體移動速度過快時，報警裝置無法捕捉有效信號，裝置不報警。只有當(dāng)物體在報警裝置感應(yīng)區(qū)內(nèi)有效停留0.5秒，或者物體移動速度小于0.15 m/s時，報警裝置可以報警，實測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 物體移動速度測量

所以，對于安保系統(tǒng)來說，若人或物體的移動速度過快，安保系統(tǒng)可能不會報警。若單一的增加控制芯片的工作頻率，例如提高單片機(jī)的晶振頻率，從而提高安保系統(tǒng)的靈敏度，但是，這樣會使控制芯片不能可靠工作，進(jìn)而影響安保系統(tǒng)的可靠性。同時我們也可以換個思路，改變基于超聲波感測的安保系統(tǒng)的應(yīng)用場合，對某一特定的貴重物品進(jìn)行監(jiān)視，將報警裝置的安保方式由探測有物體進(jìn)入產(chǎn)生報警變成對一個物體進(jìn)行監(jiān)視，若這個物體被拿走、移動，報警裝置探測到超聲波探頭與目標(biāo)物體的距離大于一個閾值，則報警。這樣就可以解決報警裝置反應(yīng)不靈敏的問題。

2.3 安保系統(tǒng)的探測角度

安保系統(tǒng)的探測角度主要受超聲波測距模塊的影響，實驗所用的超聲波測距模塊型號是HCSR04，其具有良好的指向性，探測距離為1 m時，實測探測角度與是否報警的關(guān)系如表3所示。數(shù)據(jù)表明，探測角度大于15°后，安保系統(tǒng)將會失效。

2.4 不同材料對安保系統(tǒng)的影響

由于運用超聲波反射的原理，所以被測物體的材料會影響超聲波測距的精度。例如，對于平整的墻面，超聲波測距可以準(zhǔn)確及可靠地測量墻面到超聲波測距的距離。但是，對于一些有著凹凸不平的表面的物體，則測距效果會大打折扣。同時，查閱資料可知，對于一些用吸波材料涂覆的物體，或者將表面做成蜂窩狀，可將超聲波吸收或反射到別的地方，從而使測距模塊無法接受反射信號，會影響測距甚至不能測距，從而導(dǎo)致安保系統(tǒng)無法及時報警。

表3 探測角度測量

2.5 環(huán)境對安保系統(tǒng)的影響

1）風(fēng)對安保系統(tǒng)的影響

風(fēng)會對超聲波測距有影響。風(fēng)速會影響空氣的密度，而超聲波的傳播速度在不同密度的空氣中是不同的，所以這會影響安保系統(tǒng)的可靠性。同時，通過實測，發(fā)現(xiàn)橫向風(fēng)對超聲波測距的影響不大，逆風(fēng)會增加系統(tǒng)的靈敏度，而順風(fēng)對測距影響特別大，順風(fēng)風(fēng)速與探測距離的數(shù)據(jù)如表4所示，距離單位m。

表4 順風(fēng)風(fēng)速與探測距離測試結(jié)果

所以，根據(jù)表4數(shù)據(jù)可以知道，室內(nèi)無風(fēng)時的安保系統(tǒng)要比室外有風(fēng)環(huán)境的系統(tǒng)可靠性更高。

2）溫度對安保系統(tǒng)的影響

溫度可以改變空氣的密度，而空氣密度又和超聲波的傳播速度有關(guān)，所以溫度也會影響基于超聲波測距的安保系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)查找的資料，超聲波在空氣中的傳播速度與溫度的關(guān)系如圖3所示。隨著溫度的升高，超聲波的傳播速度也會增大，而我們都是在默認(rèn)聲速為340 m/s的條件下進(jìn)行計算的，所以系統(tǒng)會產(chǎn)生誤差，影響系統(tǒng)可靠性。所以環(huán)境溫度高有利于安保系統(tǒng)的可靠性，而溫度低則有不利影響，降低反應(yīng)速度。

2.6 測量盲區(qū)

圖3 溫度與聲速的關(guān)系

當(dāng)安保系統(tǒng)工作時，所用的超聲波模塊進(jìn)行測距，其發(fā)出一段超聲波作為探測載體，當(dāng)單片機(jī)給模塊觸發(fā)端一個10 μs的高電平，超聲波會發(fā)出一段8個40 kHz的方波，因此，只有發(fā)射時間結(jié)束后才可以啟動接受裝置。因為40 kHz方波的周期是25 μs，設(shè)發(fā)射方波的時間為t，則t=8×25 μs=200 μs，也就是說，系統(tǒng)在200 μs內(nèi)不會接受到反射回來的信號。而聲波的速度為340 m/s，所以反射回來的前幾個波形接收不到，這樣就出現(xiàn)了誤差。但是考慮到，懷有敵意的入侵者的移動速度在入侵時不會過大，在200 μs內(nèi)不可能脫離安保系統(tǒng)的探測距離，所以該測量盲區(qū)的存在可以忽略不計，認(rèn)為對安保沒有影響。

2.7 不同超聲波模塊之間的比較

實驗時，選用了3款超聲波測距模塊，分別是HC-SR04、US-015和US-100。這3塊超聲波測距模塊工作方式均相同，都是由單片機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號后，超聲波模塊發(fā)出8個40 kHz的方波，然后通過接收裝置接收反射信號，利用單片機(jī)內(nèi)部的計時器來計算時間進(jìn)而算出障礙物與報警裝置的距離。所不同的是這3種測距模塊兒的精度不同。

HC-SR04是一款比較基礎(chǔ)的測距模塊，其最大測距距離為380 cm，最小探測距離為2 cm，且誤差隨著距離的增加而增大。

US-015是一款分辨率較HC-SR04有所改善的超聲波測距傳感器，工作方式與HC-SR04相類似，其探測距離與HC-SR04相差不是很大，但是從總體測試數(shù)據(jù)來看，使用US-015模塊后，測距裝置的探測精度有所提高。

US-100則是具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距模塊，工作方式與HC-SR04也相同，但其帶有溫度補(bǔ)償功能，所以在使用時，不需要考慮溫度對測距的影響，聲速可以以固定值340 m/s來計算測試距離，因此，可以US-100在一定程度上減小環(huán)境溫度對超聲波測距的影響。

通過實測比較，精度最好的是US-100，而精度最差的是HC-SR04，且?guī)в袦囟妊a(bǔ)償?shù)腢S-100在一定程度上，可以在寬范圍的環(huán)境溫度下使用，克服了環(huán)境溫度對超聲波測距安保系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)可靠性。

3 結(jié)論

通過對基于超聲波感測的安保系統(tǒng)的硬件設(shè)計以及對其可靠性進(jìn)行研究，分析了此報警裝置的誤差以及靈敏度，探討了不同材料以及環(huán)境對超聲波測距的精度的影響，并通過實際測試對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了檢驗。通過實際測試數(shù)據(jù)表明，基于超聲波測距的安保系統(tǒng)雖然在使用中具有一定的誤差，且會受到環(huán)境因素的一定影響，但只要注意安保系統(tǒng)的使用環(huán)境，其仍有一些其他裝置無法替代的獨特之處。基于超聲波測距的安保系統(tǒng)在使用時探測距離較大、被測物體移動速度較快、被測物體與超聲波傳感器軸線的夾角過大，以及安保環(huán)境溫度和環(huán)境風(fēng)速都會對系統(tǒng)的測量距離有一定的影響。但是室內(nèi)安保環(huán)境不可能有太大的溫度和風(fēng)速變化，入侵者在安保環(huán)境下也不可能有過大的動作幅度，所有影響但不會對可靠性影響太大。