基于加速度傳感器的微振動報警系統(tǒng)設(shè)計

李周平，韓韜（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安710300）

基于加速度傳感器的微振動報警系統(tǒng)設(shè)計

李周平，韓韜
（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安710300）

為了提高安防報警系統(tǒng)的報警準(zhǔn)確率，開發(fā)了一種基于加速度傳感器的微振動報警系統(tǒng)。本文闡述了系統(tǒng)的工作原理、硬件組成和軟件架構(gòu)，實現(xiàn)對微振動信號的準(zhǔn)確采集。利用Hilbert變換完成對原始非平穩(wěn)信號進(jìn)行特征參數(shù)提取。通過能量-過零計數(shù)模式識別算法完成特征信號的分類學(xué)習(xí)，從而建立專家特征庫，設(shè)定匹配閾值。系統(tǒng)可以有效的區(qū)分了敲擊、割網(wǎng)和攀爬、晃動以及大風(fēng)暴雨，實現(xiàn)對入侵行為的準(zhǔn)確識別。實驗研究表明，本采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、定位準(zhǔn)確并且誤報率低，成功地應(yīng)用于振動安防報警中。

加速度傳感器；模式識別；微振動報警系統(tǒng)；誤報率

隨著人們安全防范意識認(rèn)識的提高，人們對圍欄報警系統(tǒng)的性能要求也越來高。目前入侵報警系統(tǒng)種類繁多，使用的傳感器原理各異，主要是光纖報警系統(tǒng)和紅外報警系統(tǒng)[1]。但它們存在定位精度較低，誤報率高，使用場合范圍小的缺點。而微振動報警系統(tǒng)解決了上述報警系統(tǒng)的缺點。目前主要是以色列RBTEC及意大利吉斯周界在做微振動報警系統(tǒng)。

針對國外產(chǎn)品的技術(shù)封鎖和價格高昂，文中提出了一種基于全方位三軸加速度傳感器的微振動報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的定位精度和較低的誤報率，且成本也大大降低。同時系統(tǒng)還通過模式識別將入侵行為進(jìn)行分類，使報警準(zhǔn)確率進(jìn)一步提升。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

該系統(tǒng)主要由MCU（STM32）、信號采集模塊（亞德諾半導(dǎo)體的ADXL345加速度傳感器）、通信模塊（485總線通信）、智能處理器、交換機(jī)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及客戶端平臺組成。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

微振動報警系統(tǒng)由多個探測防區(qū)組成，每個探測防區(qū)通過智能處理器管理多個陣列分布的振動探測加速度傳感器，該傳感器為感應(yīng)單元，對防區(qū)的振動信號加以收集分析，經(jīng)MCU控制將信號特征量傳輸給探測防區(qū)的智能處理器，處理器進(jìn)行分析[2]，根據(jù)參數(shù)設(shè)置將符合規(guī)定的參量傳遞給客戶端平臺，進(jìn)行報警提示。

圖1 報警系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)所用處理器芯片

本系統(tǒng)的核心控制器采用了ST公司的STM32F103RE，其為ARM Cortex-M3系列32位微控制器，具有72 MHz時鐘，64 kB SRAM、512Kb Flash。該芯片內(nèi)部接口多，功能強(qiáng)大，功耗較低。

2.2 加速度傳感器電路設(shè)計

系統(tǒng)選用美國ANALOG DEVICES公司的adxl345傳感器，該傳感器是一款小而薄的超低功耗三軸加速度傳感器，測量范圍達(dá)±16 g，且測量精度高，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問[3]。其高分辨率（3.9 mg/LSB）能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。

加速度傳感器電路如圖2所示，采用I2C通訊方式，圖中SDA/SDI/SDIO引腳和SCL/SCLK引腳與MCU的IIC_SDA和IIC_SDL相連，當(dāng)輸入低電平時，測量范圍是±2g，便于串行數(shù)據(jù)傳輸和時鐘控制。ADXL345芯片提供2個中斷引腳，設(shè)計中采用其中的 INT1，并將其接入至 CPU的PA0/WKUP即ADXL345_INT，以方便后期做低功耗待機(jī)時的喚醒信號。當(dāng)為低電平時，傳感器處于睡眠狀態(tài)，電流為3 μA，滿足于低功耗要求。

該加速度傳感器有多種檢測功能。活動和非活動檢測功能應(yīng)用x、y、z三軸的加速度值與預(yù)先設(shè)定的閾值來檢驗運(yùn)動是否發(fā)生[4]。低功耗對電源進(jìn)行智能管理，使加速度傳感器在閾值感測和運(yùn)動加速度測量中功耗降低[5]。客戶端通過閾值的設(shè)定來檢測加速度信號的值是否達(dá)到報警的要求。

2.3 通訊模塊設(shè)計

2.3.1 總線通訊模式

系統(tǒng)應(yīng)用485總線通訊模式互相傳遞信號，所有設(shè)備即報警器通過總線方式加載在系統(tǒng)上，采用輪詢的方式，對總線上的設(shè)備輪流進(jìn)行通訊查詢。如圖3的設(shè)備1，3，4則為正常工作。如果有一個設(shè)備通訊異常，假設(shè)設(shè)備2異常，系統(tǒng)依然正常工作，只需更換設(shè)備2即可。

圖2 加速度傳感器電路

2.3.2 通訊電路設(shè)計

RS485通信方式結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、通信距離和傳輸速率適當(dāng)[6]。故選用帶靜電保護(hù)電路的RS485芯片，系統(tǒng)選用TI公司SN65HVD12D。A/B線加入上下拉電阻，差分信號傳輸，加入上下拉電阻，保證總線空閑時，差分信號仍是確定狀態(tài)，避免雜訊影響。電感和電容采用瞬態(tài)二極管（TVS）用于提高電路的EMI性能。報警器通過RS485互相傳輸信號，最終傳輸給智能處理器。

3 軟件設(shè)計及信號模式識別

3.1 軟件程序設(shè)計

STM32單片機(jī)的程序設(shè)計是系統(tǒng)主要的軟件部分。系統(tǒng)開始配置時鐘，采用外部晶振倍頻到72MHz[7]。外設(shè)初始化主要有IIC、定時器和串口。ADXL345的外設(shè)初始化，包括量程、輸出數(shù)據(jù)速率。程序通過檢測接收完標(biāo)志位來判斷一幀數(shù)據(jù)是否接收完成，檢查串口有數(shù)據(jù)則讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行幀數(shù)據(jù)管理，管理數(shù)據(jù)類型，讀取寄存器數(shù)值，通過串口發(fā)送。流程圖如圖4所示。

3.2 信號模式識別算法

單片機(jī)通過智能處理器將幀數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端，客戶端利用MATLAB對各類振動信號進(jìn)行信號處理[8]，提取波形特征，并從時域、頻域進(jìn)行分析處理，完成信號的模式識別。

圖4 單片機(jī)程序流程圖

文中利用Hilbert—Huang變換作為信號的特征提取方法：首先將原始信號按基本分量分解并進(jìn)行Hilbert變換[9]，經(jīng)過人工輔助分析和篩選信號中提取出各個事件對應(yīng)的特征矢量。先對采集的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性確認(rèn)[10]，將傳回的信號經(jīng)過濾波、降噪預(yù)處理后，得到擾動事件的時域信號。這些振動有以下幾個特征：

1）振動的短時性：振動為持續(xù)時間很短的事件；

2）能量包絡(luò)特征：突發(fā)的振動信號，能量包絡(luò)有明顯的突起特征；

3）頻譜分布的不均勻性：根據(jù)信號自身頻譜和介質(zhì)傳導(dǎo)吸收的不同，表現(xiàn)為能量在頻率上衰減的變化特性。

設(shè)信號序列為x（n），n=0，…，N-1，其短時能量函數(shù)定義為：

數(shù)字信號相鄰的采樣信號如果出現(xiàn)不同的符號時，則稱之為過零，單位時間的過零次數(shù)叫過零率[11]，而過零率就是大致反映信號頻譜特性的時域特性[12]。

根據(jù)以上特征本文提出一種能量-過零計數(shù)振動模式識別方法[13]。算法核心思想就是將濾波、去噪之后的不同擾動行為的時域信號數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)[14]，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，利用Hilbert變換和數(shù)學(xué)計算，統(tǒng)計能量和過零率，通過大量學(xué)習(xí)，結(jié)合實際實驗，建立專家數(shù)據(jù)庫，便于客戶端制定報警策略和設(shè)定報警參數(shù)[15]。圖5為算法流程圖。

通過算法的分析，可知晃動、翻越、敲擊、割網(wǎng)都是突發(fā)的振動信號，能量較大。敲擊、剪網(wǎng)的過零率明顯比搖晃、攀爬高很多，敲擊、剪網(wǎng)頻率較大，一般風(fēng)雨的能量較低。下雨動作類似敲擊信號頻率較大，與剪網(wǎng)相同，過零率較大。在系統(tǒng)報警的情況下能區(qū)分開不同的入侵動作種類。通過專家?guī)齑罅康膶W(xué)習(xí)，得到入侵行為的能量過零計數(shù)規(guī)律，如圖6所示。

圖5 算法流程圖

圖6 能量-過零計數(shù)模式識別算法

4 實驗驗證

4.1 數(shù)據(jù)采集分析

對單一防區(qū)進(jìn)行實驗測試，圖7位客戶端采集到的x、y、z 3方向振動信號波形[16]，報警器位置z軸垂直于圍欄，所以z軸加速度值較大。上位機(jī)利用Matlab 對Z軸振動波形進(jìn)行數(shù)字信號處理，利用能量-過零計數(shù)模式識別算法來判斷入侵行為是否報警。

圖7 原始信號波形

4.2 系統(tǒng)測試結(jié)果

選取了一個單一防區(qū)，防區(qū)長度700米，報警器間隔3米，振動信號采樣率7 kHz。

開始進(jìn)行入侵行為實驗，進(jìn)行晃動、攀爬、敲擊、割網(wǎng)的多次試驗，將Z軸加速度數(shù)字信號最終傳輸?shù)娇蛻舳耍唵翁幚砗笸ㄟ^能量-過零計數(shù)模式識別算法提取信號特征如圖8和圖9所示。

圖8 敲擊、割網(wǎng)信號特征

圖9 攀爬、晃動信號特征

在小風(fēng)、小雨時幾乎振動信號為零，在大風(fēng)、暴雨的時候，整個防區(qū)大面積報警，此時可以通過主機(jī)關(guān)閉微振動報警系統(tǒng)或調(diào)整模式匹配閾值[17]。

1）將學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的結(jié)果保存專家數(shù)據(jù)庫中，將其余的信號片段與專家特征數(shù)據(jù)庫的進(jìn)行匹配，得出對應(yīng)的事件種類。

2）統(tǒng)計每個事件的正確報警個數(shù)，錯誤報警個數(shù)，得出每類事件的報警率和誤報率。

測試試驗中閾值下限設(shè)定Vth1=0.2，閾值上限設(shè)定Vth2=0.4。通過識別統(tǒng)計結(jié)果報警率如下表1，3類事件都可以報警率都可以達(dá)到90%以上，誤報率在6%以下。當(dāng)有惡劣天氣時比如狂風(fēng)暴雨，會出現(xiàn)大面積報警，可單獨(dú)判斷，區(qū)分出來。

表1 實驗測試報警結(jié)果

5 結(jié)束語

文中提出了一個基于加速度傳感器的微振動報警系統(tǒng)。它通過前端監(jiān)控系統(tǒng)的報警器采集數(shù)據(jù)實時準(zhǔn)確地傳輸給主機(jī)，主機(jī)通過一種能量-過零計數(shù)的模式識別算法設(shè)定匹配的閾值門限[18]，有效的區(qū)分了敲擊、割網(wǎng)和攀爬、晃動以及大風(fēng)暴雨。該系統(tǒng)設(shè)計的帶有模式識別功能的加速度傳感器微振動報警系統(tǒng)在國內(nèi)處于空白，具有較高的研發(fā)價值[19]。隨著安防行業(yè)的發(fā)展，這種基于加速度傳感器的微振動報警系統(tǒng)將會有更廣闊的應(yīng)用價值和市場前景。

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A design of alarm system for micro-vibration with acceleration sensor

LI Zhou-ping，HAN Tao
（Shanxi Defence Vocation&Technical College，Xi’an 710300，China）

In order to improve and accuracy of security alarm rate，a micro-vibration alarm system based on acceleration transducer is developed.This paper introduces working principle and hardware structure and software structure of system，system acquire micro-vibration signal.Characteristic parameters of the originalnon-stationary signalisextracted by Hiberttransform.Learning and classification of characteristic signals is completed by the Energy-zero-counting algorithm.Expert database is built and Matching threshold is set.System can distinguish percussion，cutting，climbing，rock，and storm effectively.Intrusion behaviors are accurately identified.The experiments show that this system is stable，reliable，accurate positioning and low false alarm rate.It can be used in vibration security alarm successfully.

acceleration transducer；pattern recognition；border security system；false alarm rate

TN06

A

1674－6236（2017）07-0187-04

2016-03-20稿件編號：201603265

李周平（1963—），男，陜西寶雞人，碩士，副教授。研究方向：數(shù)字信號處理，電子通信技術(shù)。