針對移動目標(biāo)的距離檢測問題，提出了一種紅外探測器與超聲波傳感器互補使用的距離測量方法。 組合使用 ２ 種不同類型的傳感器，實現(xiàn)了 ２０ ｍ 范圍內(nèi)移動目標(biāo)檢測，使用紅外探測器敏感較遠目標(biāo)并測量距離，使用超聲波傳感器實現(xiàn)近距離測量，并通過物聯(lián)網(wǎng)模塊上傳入侵信息。 測量結(jié)果表明誤差約為 ３.２％，對侵?jǐn)_檢測等應(yīng)用場景具有參考意義。

０ 引言

       智能化、網(wǎng)絡(luò)化的安防監(jiān)測設(shè)備逐漸成為需求巨大、體系完備的行業(yè)，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個熱點應(yīng)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(shù)，這類檢測雖然結(jié)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(shù)，這類技術(shù)可視化、交互性效果好，但技術(shù)壁壘較高、操作復(fù)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(lǐng)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(yīng)當(dāng)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和超聲波傳感器結(jié)合，設(shè)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(dāng)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(dāng)接近程度達到設(shè)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(shè)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(biāo)較遠時，由紅外探測器進行距離測量；入侵目標(biāo)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(jié)果即時發(fā)送至客戶端。

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(shè)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(dāng)移動熱源目標(biāo)出現(xiàn)在探測區(qū)域內(nèi)，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(guān)系。 由圖 ２（ｂ）和圖 ２（ ｃ）可知，當(dāng)同一目標(biāo)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(biāo)進行距離測量。

探測器的輸出

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

令傳感器與入侵目標(biāo)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：

當(dāng) Ｌ 遠遠大于 Ｈ 時，則 Ｌ 可表示為

圖 ３ 渡越時間檢測原理

１.３ 加權(quán)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１０ｍ 以上的測量線性度較好，在 ５~１０ ｍ 范圍內(nèi)，線性度變差，但仍能呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，在５ｍ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１０ｍ 左右，因此，結(jié)合２種傳感器的特點，本文采用分段處理、加權(quán)計算的方法。

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

２ 系統(tǒng)設(shè)計
２.１ 紅外探測電路設(shè)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(biāo)，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(shè)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１０～４０ｍＶ。

       因此，在圖 ５ 電路結(jié)構(gòu)中設(shè)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(dāng)?shù)那蠛碗妷海ǎ郑撸幔洌洌�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(shè)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(diào)節(jié)電壓閾值，從而調(diào)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。

２.２ 超聲波電路設(shè)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(biāo)的距離。 圖 ６給出了該部分的電路設(shè)計方案。

       當(dāng)紅外熱釋電源探測器的輸出電壓高于設(shè)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(shè)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(yán)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(qū)動能力。 經(jīng)試驗量程可達 ８ ｍ 以上。圖 ８ 給出了超聲波接收電路，調(diào)整電阻 Ｒ２１取值可以微調(diào)接收信號的中心頻率，當(dāng)取值為 ２００ ｋΩ 時，對應(yīng)頻率為 ４０ ｋＨｚ；更改電容 Ｃ９ 的大小可以調(diào)整接收靈敏度提高抗干擾能力；當(dāng) 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(dāng)檢測到入侵目標(biāo)，進入遠距離測量模式。 當(dāng)入侵目標(biāo)逐漸接近，探測輸出電壓超出設(shè)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(wù)終端，如圖 ９ 所示。 同時，用戶也可以設(shè)置若干關(guān)鍵檢測點，使用短消息的形式把關(guān)鍵點檢測信息即時傳輸至用戶移動終端。

       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網(wǎng)絡(luò)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(dāng) 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 １ms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(jié)果的準(zhǔn)確度。 在保證距離計算結(jié)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：

       因此，由式（５） 的計算結(jié)果可知，ＭＣＵ 定時器分辨率至少應(yīng)為 ２９ μｓ，為保證測量精度，把該指標(biāo)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(dāng)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(guān)系， 由圖可知，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(biāo)，兩者呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)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）：

       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(biāo)的檢測需求。

（ａ）５~３０ ｍ 范圍內(nèi)電壓幅值的變化趨勢

（ｂ）１０ ～ ３０ ｍ 范圍內(nèi)電壓幅值的變化趨勢

       圖 １１ 紅外熱釋電探測器距離測量效果對于 １０ ｍ 以內(nèi)的近距離目標(biāo)系統(tǒng)選擇使用超聲波探測器進行測量。 設(shè)定入侵目標(biāo)的接近程度閾值（電壓）為 ３．６２ Ｖ，當(dāng)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(quán)求均值的方式確定該次測量的最終結(jié)果。

       為了更好地驗證系統(tǒng)效果，本文分別設(shè)計了靜止目標(biāo)測試和移動目標(biāo)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(biāo)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(shè)定值比較以獲得測量誤差，如式（７）所示：

       式中：ε、ｄｍｅａ、ｄｓｅｔ分別為誤差、測量值和實際設(shè)定值。圖 １２ 和圖 １３ 分別給出了 ２ 種實驗結(jié)果。

       由圖 １２ 給出的靜止目標(biāo)測試結(jié)果可知，在目標(biāo)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(biāo)距離在 ０.３ ～ １５ ｍ時，誤差一般小于２％；目標(biāo)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(biāo)的測試情況，此時人以 １ ｍ／ｓ的速度從系統(tǒng)測量范圍內(nèi)經(jīng)過時，此時的試驗曲線趨勢和靜止目標(biāo)類似，總體誤差在 ４％以內(nèi)；但粗大誤差明顯增多，并且整體精度指標(biāo)也略有減少。

       當(dāng) 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(jié)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(nèi)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(shè)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(biāo)（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。

參考文獻：
［１］ 許錳．基于云平臺的家庭安防系統(tǒng)研究與設(shè)計［Ｄ］．濟南：山東大學(xué)，２０１８．
［２］ 徐旭志．我國安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程分析及 ５Ｇ 趨勢展望［Ｊ］．機電信息，２０２０（３）：９７－９８．
［３］ 王赟，張旭．新型智能光纖周界報警系統(tǒng)［Ｊ］．光電技術(shù)應(yīng)用，２０１８，３３（２）：１３－１９．

［４］ 文靈．多傳感器融合技術(shù)在周界安防中的應(yīng)用分析［ Ｊ］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，２０１７（８）：１４２－１４３．
［５］ 毛凱，胡亮，付新．一種低功耗自診斷雙閾值超聲波傳播時間檢測法［Ｊ］．儀表技術(shù)與傳感器，２０２１（３）：８２－９２．
［６］ 王曉莉．入侵探測器主流技術(shù)及原理概述［ Ｊ］．微型機與應(yīng)用，２０１４，３３（１８）：１－３．
［７］ 楊衛(wèi)，李波，孫喬，等．基于熱釋電紅外傳感技術(shù)測距的時間差法研究［Ｊ］．傳感器與微系統(tǒng)，２０１３，３２（４）：３７－４０．
［８］ 劉衛(wèi)兵，許春香．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電表實時監(jiān)測系統(tǒng)
［Ｊ］．儀表技術(shù)與傳感器，２０１７（１２）：７２－７５．
［９］ 高偉．基于超聲波傳感器陣列及多重信號分類算法的風(fēng)速風(fēng)向測量方法［Ｄ］．長春：吉林大學(xué)，２０１７．

班寧產(chǎn)品匯總