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紅外和超聲波互補(bǔ)式入侵檢測方法 針對移動(dòng)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(bǔ)使用的距離測量方法。 組合使用 ２ 種不同類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)了 ２０ ｍ 范圍內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)檢測，使用紅外探測器敏感較遠(yuǎn)目標(biāo)并測量距離，使用超聲波傳感器實(shí)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(gè)熱點(diǎn)應(yīng)用方向［１］ 。 移動(dòng)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(jìn)行重點(diǎn)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(hù)成本高、誤報(bào)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(jìn)行掃描式觀測，多采用微波雷達(dá)、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(xì)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(shí)時(shí)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(diǎn)。 為滿足上述需求，本文把被動(dòng)式紅外探測器和超聲波傳感器結(jié)合，設(shè)計(jì)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(yuǎn)程、實(shí)時(shí)工作能力［８］ 。 １ 系統(tǒng)總體方案 圖 １ 給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，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(hào)的放大與采集；入侵目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，由紅外探測器進(jìn)行距離測量；入侵目標(biāo)接近到一定程度后，則啟動(dòng)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(gè)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)距離測量；最后由 ＭＣＵ 把檢測結(jié)果即時(shí)發(fā)送至客戶端。 １.１ 基于紅外熱釋電探測器的遠(yuǎn)距離測量 當(dāng)移動(dòng)熱源目標(biāo)出現(xiàn)在探測區(qū)域內(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生 ２個(gè)正負(fù)峰值，并且峰值的大小與距離的遠(yuǎn)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(shí)，敏感電壓的峰值分別為 Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以對入侵目標(biāo)進(jìn)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(shí)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(diǎn)，本文使用渡越時(shí)間檢測法。 圖 ３ 給出了渡越時(shí)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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于 Ｈ 時(shí)，則 Ｌ 可表示為
圖 ３ 渡越時(shí)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(dá)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(diǎn)，本文采用分段處理、加權(quán)計(jì)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(jìn)行加權(quán)處理，計(jì)算過程如式（４）所示：
２ 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 利用紅外熱釋電探測器對運(yùn)動(dòng)熱源敏感的特點(diǎn)識(shí)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(hào)，引入電壓比較電路，將放大后的入侵信號(hào)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(jì)方案。 在無紅外熱源入侵時(shí)，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(shí)，輸出電壓波動(dòng)幅度約為１０～４０ｍＶ。 因此，在圖 ５ 電路結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì) 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�，約－０．７ Ｖ），將求和電壓與探測器信號(hào)相加，即可得信號(hào) Ｖ＿ＰＩＲ＿１。 由于 Ｖ＿ＰＩＲ＿１是一種紅外探測器檢測的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，可將該信號(hào)傳輸至反向微分放大電路進(jìn)行放大，以降低溫度等外圍環(huán)境的影響，同時(shí)將該信號(hào)連接至 ＭＣＵ 的 ＡＤ 輸入端。在 Ｖ＿ＰＩＲ＿２ 信號(hào)傳輸至反向放大器之前，加入一級設(shè)計(jì)跟隨器，以截掉反向求和可能產(chǎn)生的負(fù)電壓，同時(shí)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(shí)別距離。 比較器的輸出信號(hào)（ Ｖ＿ＰＩＲ＿４） 傳輸至單片機(jī)，根據(jù)該信號(hào) 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(jì) 當(dāng)紅外熱釋電源探測器的輸出電壓高于設(shè)定閾值時(shí)，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(gè)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(qiáng)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(shí)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(yuǎn)時(shí)表現(xiàn)明顯，而在近距離時(shí)，信號(hào)尚未發(fā)射完畢，回波已到達(dá)接收端，也嚴(yán)重影響測距。 實(shí)際脈沖波峰數(shù)量為 ８～１０ 時(shí)，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(gè)反相器和 ２ 個(gè)電容組成，其中 ４０ ｋＨｚ 方波信號(hào)分 ２ 路傳輸，一路經(jīng)一級反向器傳送至發(fā)射器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級方向后傳輸至另一個(gè)電極。 使用推挽輸出方式將方波信號(hào)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(gè)反向器并聯(lián)，以提高驅(qū)動(dòng)能力。 經(jīng)試驗(yàn)量程可達(dá) 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(hào)的中心頻率，當(dāng)取值為 ２００ ｋΩ 時(shí)，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(hào)時(shí)，即可生成低電平信號(hào)并傳輸至單片機(jī)。
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(dòng)探測工作狀態(tài)。 當(dāng)檢測到入侵目標(biāo)，進(jìn)入遠(yuǎn)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(shí)，ＭＣＵ 使能超聲波測距電路，進(jìn)入近距離測量模式。 ＭＣＵ 自動(dòng)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(shí)，用戶也可以設(shè)置若干關(guān)鍵檢測點(diǎn)，使用短消息的形式把關(guān)鍵點(diǎn)檢測信息即時(shí)傳輸至用戶移動(dòng)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?shí)時(shí)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(jìn)行交互，以提高處理效率。 當(dāng) ＭＣＵ 使能超聲波脈沖發(fā)射時(shí)，首先配置定時(shí)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)。
因此，由式（５） 的計(jì)算結(jié)果可知，ＭＣＵ 定時(shí)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(gè)數(shù)量級，系統(tǒng) ＭＣＵ 晶振頻率選擇 １２ ＭＨｚ。 ３ 效果分析 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(shí)，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(jìn)行擬合，可以得到式（６）： 使用式（６）可以實(shí)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(jìn)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(yàn)證系統(tǒng)效果，本文分別設(shè)計(jì)了靜止目標(biāo)測試和移動(dòng)目標(biāo)測試 ２ 組實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證入侵超聲波傳感電路的工作情況，這里的移動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)際設(shè)定值。圖 １２ 和圖 １３ 分別給出了 ２ 種實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，誤差一般小于２％；目標(biāo)距離在 １７ ｍ 以上時(shí)，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(dòng)目標(biāo)的測試情況，此時(shí)人以 １ ｍ／ｓ的速度從系統(tǒng)測量范圍內(nèi)經(jīng)過時(shí)，此時(shí)的試驗(yàn)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(dòng)配置物聯(lián)網(wǎng)模塊，完成數(shù)據(jù)傳輸。 ４ 結(jié)論 本文所設(shè)計(jì)的移動(dòng)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(dòng)物）自動(dòng)檢測并傳遞信息，系統(tǒng)工作可靠、信息傳遞及時(shí)，并且操作簡單、適用性強(qiáng)。 參考文獻(xiàn)： ［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． 班寧產(chǎn)品匯總 |
