紅外和超聲波互補式入侵檢測方法

徐 東，李凱霖，王 芃，朱 昊，李玉和，郭 宏

(1.清華大學精密儀器系，北京 100084；2.清華大學物理系，北京 100084)

0 引言

智能化、網(wǎng)絡化的安防監(jiān)測設備逐漸成為需求巨大、體系完備的行業(yè)，是物聯(lián)網(wǎng)領域的一個熱點應用方向[1]。移動物體檢測也被越來越多的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采用[2]。

入侵檢測可以分為周界入侵檢測和區(qū)域入侵檢測2種[3]。周界是指警戒區(qū)的外層防線，周界入侵檢測一般對警戒區(qū)邊界進行重點檢測，多使用光纖、紅外、泄漏電纜、電子脈沖等探測技術，這類檢測雖然結果簡單明確，但也存在維護成本高、誤報率高等問題；區(qū)域入侵檢測的界線比較模糊，大多針對某一區(qū)域進行掃描式觀測，多采用微波雷達、視頻監(jiān)控等技術，這類技術可視化、交互性效果好，但技術壁壘較高、操作復雜[4-6]。隨著用戶需求不斷細分和深入，二者的界限也趨于模糊。在農(nóng)業(yè)領域需要一種有效的、智能化的區(qū)域入侵檢測裝置來監(jiān)控和提示現(xiàn)場人員，并能夠讓管理者實時獲取管理數(shù)據(jù)。入侵檢測裝置應當具備操作簡單、可靠耐用等特點。

為滿足上述需求，本文把被動式紅外探測器(passive infrared detector，PIR)和超聲波傳感器結合，設計一種組合式的多鑒探測器[7]系統(tǒng)，并引入物聯(lián)網(wǎng)模塊，使系統(tǒng)具有遠程、實時工作能力[8]。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)由紅外探測器、超聲波傳感器、MCU及物聯(lián)網(wǎng)模塊3部分組成，當有人或動物進入探測區(qū)域時，紅外探測器自動檢測完成遠距離測量，向MCU發(fā)出提示信號，當接近程度達到設定閾值則MCU啟動超聲波傳感器并執(zhí)行近距離測距，通過物聯(lián)網(wǎng)單元上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖1給出了系統(tǒng)的總體設計，其中紅外探測器加裝菲涅耳透鏡以提高系統(tǒng)接收靈敏度，由后端處理電路完成探測信號的放大與采集；入侵目標較遠時，由紅外探測器進行距離測量；入侵目標接近到一定程度后，則啟動超聲波傳感器完成測距；超聲波傳感器包含接收、發(fā)射兩個探頭，分別產(chǎn)生和接收一組連續(xù)脈沖序列，利用超聲波傳播速度恒定的特點實現(xiàn)距離測量；最后由MCU把檢測結果即時發(fā)送至客戶端。

圖1 系統(tǒng)總體方案

1.1 基于紅外熱釋電探測器的遠距離測量

常用紅外熱釋電探測器一般由2組熱釋電敏感單元反極性串聯(lián)組成，如圖2(a)所示，這種設計能夠抵消背景環(huán)境的熱噪聲影響，也可以減少相對靜止熱源的外部干擾。

當移動熱源目標出現(xiàn)在探測區(qū)域內，則會產(chǎn)生2個正負峰值，并且峰值的大小與距離的遠近成反比關系。由圖2(b)和圖2(c)可知，當同一目標分別處在位置①、②、③時，敏感電壓的峰值分別為V1、V2、V3。利用這個特點，可以對入侵目標進行距離測量。

圖2 基于紅外熱釋電探測器的測距方案

1.2 基于超聲波傳感器的近距離測量

超聲波測距有相位、聲波幅值和渡越時間等3種檢測方法，由于相位檢測硬件成本高、聲波幅值檢測容易受反射波影響等缺點，本文使用渡越時間檢測法。

圖3給出了渡越時間檢測原理，其中T、R分別表示發(fā)射端和接收端，若超聲波的傳播速度為v，傳播時間為Δt，則距離S可表示為

圖3 渡越時間檢測原理

(1)

令傳感器與入侵目標之間的測量距離為L，接收端與發(fā)射端兩組敏感探頭間距的一半為H，則有：

(2)

當L遠遠大于H時，則L可表示為

(3)

1.3 加權平均距離獲取方法

紅外熱釋電探測器輸出電壓峰值的變化受探測距離影響較大，對10 m以上的測量線性度較好，在5～10 m范圍內，線性度變差，但仍能呈現(xiàn)出一定的正相關性，在5 m以下范圍傳感器達到飽和，輸出電壓峰值幾乎不變。由于超聲波傳感器量程大多在10 m左右，因此，結合2種傳感器的特點，本文采用分段處理、加權計算的方法。

對于5 m以內的目標使用超聲波傳感器測量，對于12 m以上的目標使用紅外熱釋電探測器測量，對于5～12 m范圍的目標，對2種測量值進行加權處理，計算過程如式(4)所示：

(4)

式中：Linfrared和Lultrasonic分別為紅外探測器和超聲波傳感器所測量的距離;n1和n2分別為二者的權重系數(shù)，取值見表1。

表1 距離計算公式的權重取值

2 系統(tǒng)設計

2.1 紅外探測電路設計

利用紅外熱釋電探測器對運動熱源敏感的特點識別入侵目標，使用同相求和電路抵消本底輸出電壓，使用反相微分放大電路放大入侵信號，引入電壓比較電路，將放大后的入侵信號與接近程度電壓閾值比較，比較器的輸出提供給MCU。圖4給出了紅外探測部分的設計方案。

圖4 紅外探測器電路設計方案

在無紅外熱源入侵時，紅外探測器的本底輸出電壓約為0.7 V，有紅外熱源入侵時，輸出電壓波動幅度約為10～40 mV。

因此，在圖5電路結構中設計R4、R5分壓電路，可以根據(jù)紅外熱釋電探測器特性及外圍環(huán)境分壓產(chǎn)生適當?shù)那蠛碗妷?V_add，約-0.7 V)，將求和電壓與探測器信號相加，即可得信號V_PIR_1。由于V_PIR_1是一種紅外探測器檢測的運動信號，可將該信號傳輸至反向微分放大電路進行放大，以降低溫度等外圍環(huán)境的影響，同時將該信號連接至MCU的AD輸入端。在V_PIR_2信號傳輸至反向放大器之前，加入一級設計跟隨器，以截掉反向求和可能產(chǎn)生的負電壓，同時避免后續(xù)電路對前級產(chǎn)生影響。在比較器的反向輸入端添加可變電阻R11，可以調節(jié)電壓閾值，從而調整識別距離。比較器的輸出信號(V_PIR_4)傳輸至單片機，根據(jù)該信號MCU使能超聲波測距功能。圖5給出的紅外探測處理電路依次包含同相求和放大、反相微分放大、射級跟隨器、電壓比較4部分。

圖5 紅外探測處理電路

2.2 超聲波電路設計

在常溫常壓下，超聲波在空氣中傳播速度恒定，約為v=341 m/s，分別記錄超聲波發(fā)射、接收的時間，獲得Δt，利用式(3)即可求得被測目標的距離。圖6給出了該部分的電路設計方案。

圖6 超聲波測距總體方案

當紅外熱釋電源探測器的輸出電壓高于設定閾值時，MCU使能脈沖序列發(fā)生電路，產(chǎn)出一組40 kHz脈沖序列，每組包含8個脈沖，見圖7。并且脈沖序列組周期設定500 ms，以保證各組脈沖互不影響。

如果脈沖波峰數(shù)量過少，發(fā)射強度小，易因外界因素造成波形失真[9]。但脈沖波峰數(shù)量過多，則使整串波的長度不容忽視，而且在反射時整串波的前段可能被衰減，因此很難辨別回波是整串波的前段還是后段，在距離稍遠時表現(xiàn)明顯，而在近距離時，信號尚未發(fā)射完畢，回波已到達接收端，也嚴重影響測距。實際脈沖波峰數(shù)量為8～10時，可以獲得良好的測距效果。

為提高量程，在圖7電路中增加了脈沖整形電路，該部分由6個反相器和2個電容組成，其中40 kHz方波信號分2路傳輸，一路經(jīng)一級反向器傳送至發(fā)射器的一個電極，另一路經(jīng)兩級方向后傳輸至另一個電極。使用推挽輸出方式將方波信號加到超聲波發(fā)射探頭兩端，可以提高發(fā)射功率，并且2個反向器并聯(lián)，以提高驅動能力。經(jīng)試驗量程可達8 m以上。

圖7 超聲波傳感器的驅動(發(fā)射)電路

圖8給出了超聲波接收電路，調整電阻R21取值可以微調接收信號的中心頻率，當取值為200 kΩ時，對應頻率為40 kHz；更改電容C9的大小可以調整接收靈敏度提高抗干擾能力；當CX20106A芯片接收到40 kHz信號時，即可生成低電平信號并傳輸至單片機。

圖8 超聲波接收電路

2.3 MCU與通信電路

系統(tǒng)在初始化完成后，紅外熱釋電探測器處于自動探測工作狀態(tài)。當檢測到入侵目標，進入遠距離測量模式。當入侵目標逐漸接近，探測輸出電壓超出設定閾值時，MCU使能超聲波測距電路，進入近距離測量模式。MCU自動生成入侵日志文件，并將信息上傳至服務終端，如圖9所示。同時，用戶也可以設置若干關鍵檢測點，使用短消息的形式把關鍵點檢測信息即時傳輸至用戶移動終端，圖10給出了處理流程。

圖9 MCU與物聯(lián)網(wǎng)模塊

圖10 系統(tǒng)程序流程圖

物聯(lián)網(wǎng)模塊采用商業(yè)化產(chǎn)品，并配置外置射頻天線，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。通信協(xié)議選擇MQTT(message queuing telemetry transport)網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，并使用AT指令直接與MCU進行交互，以提高處理效率。

當MCU使能超聲波脈沖發(fā)射時，首先配置定時器使接收端為等待狀態(tài)，延遲1 ms再行接收，這樣可以避開接收盲區(qū)。

由超聲波測距式(1)可知，超聲波發(fā)射-接收傳播時間的差值(Δt)直接影響到計算結果的準確度。在保證距離計算結果精度優(yōu)于0.01 m的條件下，可使用式(5)計算超聲波傳播0.01 m距離所耗費的時間ts：

(5)

因此，由式(5)的計算結果可知，MCU定時器分辨率至少應為29 μs，為保證測量精度，把該指標提高一個數(shù)量級，系統(tǒng)MCU晶振頻率選擇12 MHz。

3 效果分析

入侵檢測裝置安放在固定高度為1 m的支架上，當試驗人員以1 m/s(正常步速)的速度經(jīng)過檢測區(qū)域時進行測量，為更好地進行分析，在相同條件下連續(xù)完成5組測量，表2列出了測量記錄。

根據(jù)表2測量數(shù)據(jù)，繪制紅外熱釋電探測器的輸出電壓幅值和距離之間的關系，如圖11所示。由圖11(a)可知，在距離小于10 m時，紅外熱釋電探測器的輸出電壓幅值和測量距離線性度較差，若用于近距離測距分辨率較差；對于超過10 m的目標，兩者呈現(xiàn)出良好的線性關系，使用表2給出的該部分測量數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到式(6)：

Linfrared=-15.832vinfrared+67.482

(6)

表2 入侵目標距離和電壓幅值之間關系

式中：vinfrared、Linfrared分別為紅外探測器的輸出電壓幅值和測量距離。

使用式(6)可以實現(xiàn)10～30 m范圍的距離測量，測量誤差小于0.1m，效果如圖11(b)所示，可以滿足對于入侵目標的檢測需求。

(a)5～30 m范圍內電壓幅值的變化趨勢

對于10 m以內的近距離目標系統(tǒng)選擇使用超聲波探測器進行測量。設定入侵目標的接近程度閾值(電壓)為3.62 V，當紅外探測器接收電路的輸出電壓超出該值，系統(tǒng)使能超聲波測距。

由于5～12 m的測量區(qū)間接近超聲波傳感器距離測量上限，并且該區(qū)間也是紅外熱釋電探測器輸出電壓幅值變化敏感程度逐漸降低的區(qū)域，因此采用分段處理的方法來求解距離，如式(4)和表1所示。MCU處理中，2種傳感器均采取多次連續(xù)測量取平均值的方法，5次測量為1組，并把每組數(shù)據(jù)的最大值和最小值剔除，然后再采用加權求均值的方式確定該次測量的最終結果。

為了更好地驗證系統(tǒng)效果，本文分別設計了靜止目標測試和移動目標測試2組實驗來驗證入侵超聲波傳感電路的工作情況，這里的移動目標是指人以1 m/s的速度從檢測范圍經(jīng)過。對于2種測試實驗方式，均可把測量值與設定值比較以獲得測量誤差，如式(7)所示：

(7)

式中：ε、dmea、dset分別為誤差、測量值和實際設定值。

圖12和圖13分別給出了2種實驗結果。

圖12 靜止目標測試結果

圖13 移動目標測試結果

由圖12給出的靜止目標測試結果可知，在目標距離小于0.3m時，測量誤差超過5%，這是由于超聲波傳感器本身的測量盲區(qū)所致；目標距離在0.3～15 m時，誤差一般小于2%；目標距離在17 m以上時，誤差呈現(xiàn)較為明顯的增大趨勢，但最大也不超過3.2%。

圖13給出了移動目標的測試情況，此時人以1 m/s的速度從系統(tǒng)測量范圍內經(jīng)過時，此時的試驗曲線趨勢和靜止目標類似，總體誤差在4%以內；但粗大誤差明顯增多，并且整體精度指標也略有減少。

當MCU檢測到入侵事件后，裝置可以自動配置物聯(lián)網(wǎng)模塊，完成數(shù)據(jù)傳輸。

4 結論

系統(tǒng)在測試過程中并未考慮溫度等外界環(huán)境影響，所有測試數(shù)據(jù)均是在室內工作環(huán)境下獲取，超聲波的速度取值為341 m/s，即20 ℃時傳播速度。實際超聲波的傳播速度受環(huán)境溫度影響比較大，為提高測量精度，可以在后續(xù)改進版本中增加溫度傳感器，并在MCU程序中實現(xiàn)溫度補償。

本文所設計的移動物體監(jiān)測裝置，由紅外探測器、超聲波傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊等組成，可以對入侵目標(人或動物)自動檢測并傳遞信息，系統(tǒng)工作可靠、信息傳遞及時，并且操作簡單、適用性強。