基于光電傳感的校園圍界入侵檢測(cè)系統(tǒng)

路明浩

摘 要： 本文針對(duì)校園圍界安全和入侵檢測(cè)需求，采用激光光電感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于激光光路隔斷感應(yīng)的入侵檢測(cè)系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、光敏二極管、濾波和放大電路，并采用單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)了光電信號(hào)處理和校園圍界入侵報(bào)警識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞： 入侵檢測(cè)；光電感應(yīng)；單片機(jī)

一、校園圍界入侵檢測(cè)技術(shù)概述

校園安全是和諧社會(huì)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，對(duì)校園圍界進(jìn)行異常入侵檢測(cè)是校園安防的一個(gè)必要手段。目前，針對(duì)家庭住宅、工商建筑和軍事、機(jī)場(chǎng)等特種場(chǎng)所都已具備了各種入侵檢測(cè)或防范技術(shù)，如電子圍欄、紅外、電磁、光電等多種傳感探測(cè)技術(shù)。校園圍界安全相比其他場(chǎng)所，具有一些特定要求，如：探測(cè)范圍中等、造價(jià)預(yù)算較低、無(wú)傷害性、低維護(hù)性等特點(diǎn)。針對(duì)校園圍界安全的這些要求，本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)基于激光光電傳感的嵌入式入侵檢測(cè)系統(tǒng)。

目前，入侵檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的前端探測(cè)技術(shù)主要有三類(lèi)。第一類(lèi)是物理?xiàng)l件觸動(dòng)傳感器報(bào)警；第二類(lèi)前端探測(cè)技術(shù)采用波束打斷型傳感器，當(dāng)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器發(fā)射出的光束時(shí)，由于光束的阻擋觸動(dòng)報(bào)警[1]；第三類(lèi)前端探測(cè)器采用區(qū)域覆蓋型傳感器，采用這種類(lèi)型的傳感器可以監(jiān)控一定體積的空間，如果有目標(biāo)進(jìn)入此空間，就會(huì)被系統(tǒng)探測(cè)到并觸發(fā)報(bào)警。

常見(jiàn)的前端探測(cè)技術(shù)有震動(dòng)光纜，電子圍欄，紅外探測(cè)，主動(dòng)激光探測(cè)等。震動(dòng)光纜探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)光折射的變化以及脈沖波形的檢測(cè)來(lái)判斷入侵物接觸所產(chǎn)生的震動(dòng)，這包括音頻上、震動(dòng)上以及光纖上的感知，從而觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。這類(lèi)系統(tǒng)由于在安裝過(guò)程中的問(wèn)題以及圍欄四周植物的干擾，系統(tǒng)的質(zhì)量差別很大[2]。當(dāng)系統(tǒng)的光纜受到破壞，這個(gè)系統(tǒng)將癱瘓。所以在安全方面有嚴(yán)格要求的地區(qū)，不能夠使用這類(lèi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

地埋震動(dòng)式和地埋壓力式探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的探測(cè)器被埋入地下，通過(guò)檢測(cè)對(duì)外來(lái)者的侵入所引起的土壤震動(dòng)以及壓力變化進(jìn)行報(bào)警。但這類(lèi)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)土壤密度有一定的要求，否則就會(huì)產(chǎn)生較多誤報(bào)。

脈沖電網(wǎng)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)在工作中，當(dāng)入侵物體接觸電網(wǎng)時(shí)，會(huì)觸發(fā)放電并產(chǎn)生報(bào)警。這類(lèi)系統(tǒng)的威懾作用很強(qiáng)，但有可能會(huì)對(duì)入侵者造成傷害。

紅外探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)對(duì)入侵物體引起的紅外變化進(jìn)行檢測(cè)判斷報(bào)警[3]。系統(tǒng)沿直線架設(shè)，能夠監(jiān)測(cè)一定范圍的區(qū)域，但不適合大范圍區(qū)域的他測(cè)，適用場(chǎng)合有限。

激光主動(dòng)入侵探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)對(duì)入侵物體對(duì)激光光線的遮擋進(jìn)行檢測(cè)判斷報(bào)警[4-5]。激光主動(dòng)入侵探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的安裝簡(jiǎn)易，與被動(dòng)紅外探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)相比，受溫度氣候變化影響小，設(shè)備誤報(bào)率小，比較穩(wěn)定，安裝造價(jià)相對(duì)適中。

本文以激光對(duì)射原理為基礎(chǔ)形成的光電感應(yīng)入侵系統(tǒng)能夠?qū)θ肭值氖挛镞M(jìn)行及時(shí)的報(bào)警，一旦有物體阻斷激光光路，報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別判斷是否為惡意入侵者，并進(jìn)行報(bào)警。為防止外界光源干擾激光光路屏蔽入侵事件，對(duì)激光發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，接收端進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。該方案可以大大降低傳統(tǒng)的物理圍欄防護(hù)的建設(shè)成本，并具有高度的靈敏性和一定的智能性，適合校園圍界安全使用。

二、檢測(cè)原理與整體方案設(shè)計(jì)

2.1 光電入侵檢測(cè)原理

激光具定向發(fā)光、亮度極高、單色性等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)可以保證激光可以在較長(zhǎng)的范圍傳遞信號(hào)。本文以激光傳遞光路為探測(cè)點(diǎn)，以激光光路的遮斷性來(lái)判斷是否在檢測(cè)點(diǎn)上出現(xiàn)入侵事件。

激光入侵系統(tǒng)應(yīng)用激光發(fā)射器和感光器件實(shí)現(xiàn)光電感應(yīng)[6]。該激光入侵報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)將激光發(fā)射器布置在校園圍界安防區(qū)域，與激光發(fā)射器對(duì)應(yīng)的光電感應(yīng)器件必須保證能夠接受到激光發(fā)射機(jī)直射出的激光束。接受機(jī)把接收到的光束通過(guò)光電轉(zhuǎn)換為信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)對(duì)信號(hào)處理控制系統(tǒng)報(bào)警。

2.2 整體方案設(shè)計(jì)

激光入侵系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)按照一般報(bào)警系統(tǒng)要求，由激光發(fā)射器、光電轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、信號(hào)放大電路和信號(hào)處理與識(shí)別模塊組成。激光發(fā)射器經(jīng)單片機(jī)控制發(fā)射出一定頻率的激光束，激光束直接照射在光敏二極管上，光敏二極管將激光光束的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，從而使得光電轉(zhuǎn)換電路得到高低電平。電平信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路處理，并通過(guò)放大電路輸出電信號(hào)，這樣就完成了光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。輸出的電信號(hào)接入STC89C52單片機(jī)管腳，單片機(jī)通過(guò)對(duì)這些信號(hào)采集判斷識(shí)別是否啟動(dòng)報(bào)警程序驅(qū)動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下。

靈敏度：能夠在0.3m/s-3m/s的速度內(nèi)實(shí)現(xiàn)探測(cè)；

工作電壓：系統(tǒng)在直流3-5V電壓能夠正常工作；

探測(cè)距離：實(shí)現(xiàn)10米內(nèi)的探測(cè)距離；

報(bào)警時(shí)間：識(shí)別報(bào)警持續(xù)時(shí)間應(yīng)達(dá)到1s；

恢復(fù)時(shí)間：報(bào)警結(jié)束后系統(tǒng)立即返回工作狀態(tài)；

調(diào)制頻率：激光頻率1000Hz。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于光電二極管感應(yīng)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光信號(hào)的采集和光電轉(zhuǎn)換，并通過(guò)AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的硬件模塊組成如圖2所示。

激光調(diào)制電路：對(duì)于激光直流電源，采用定時(shí)器電路實(shí)現(xiàn)平頻率為100至1000的固定方波，用該方波作為觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)激光電源，使其產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激光閃爍信號(hào)。

光電轉(zhuǎn)換電路：采用光電二極管作為光敏元件，與三極管組成光電轉(zhuǎn)換電路、其常態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)有外部激光照射到光電二極管的感光區(qū)域時(shí)，二極管導(dǎo)通，光電轉(zhuǎn)換電路為激發(fā)狀態(tài)。

濾波電路：濾波電路的作用是濾除信號(hào)中的高頻噪聲干擾。考慮到本文中激光的調(diào)制頻率不大于1000Hz，采用低通濾波電路過(guò)濾干擾，其截止頻率為2K

放大電路：采用兩個(gè)運(yùn)算放大器組成信號(hào)放大電路，使得激光激發(fā)的信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為高電平和低電平開(kāi)關(guān)信號(hào)。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 信號(hào)處理算法

信號(hào)的解調(diào)算法設(shè)計(jì)，對(duì)采集的時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行濾波和通斷兩種狀態(tài)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)，根據(jù)接收信號(hào)的有效性判別當(dāng)前激光光路的通斷，有效防止人為干擾激光光路的漏識(shí)別情況。信號(hào)處理算法的基本原理是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域變換，然后用一個(gè)預(yù)置帶通濾波器來(lái)判斷信號(hào)中是否存在有效頻率。在特定的時(shí)間窗口中，當(dāng)判別當(dāng)前信號(hào)存在有效調(diào)制頻率時(shí)，輸出為有效狀態(tài)；判別當(dāng)前信號(hào)中的頻率成分異常時(shí)，輸出無(wú)效狀態(tài)。通過(guò)信號(hào)處理，可以分辨是否存在遮擋信號(hào)中斷和外界干擾等情況，確保系統(tǒng)檢測(cè)的抗干擾性。

4.2 報(bào)警識(shí)別程序設(shè)計(jì)

根據(jù)信號(hào)有效性的通斷時(shí)間對(duì)是否發(fā)生入侵時(shí)間進(jìn)行判斷，通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)的接口產(chǎn)生報(bào)警。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，激光光路中斷判別是否有入侵事件發(fā)生，由一個(gè)時(shí)間閾值來(lái)判斷。在本文中，假設(shè)人體的運(yùn)移動(dòng)速度不大于10米/秒，人體的截面尺度約為0.3米，這樣估算的信號(hào)中斷閾值為30毫秒，即檢測(cè)系統(tǒng)中激光光電信號(hào)中斷30毫秒即產(chǎn)生入侵報(bào)警輸出，通知安防系統(tǒng)進(jìn)一步查看。

經(jīng)過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的光電探測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)200米距離上的激光光電信號(hào)的有效接收，可以滿(mǎn)足以校園為對(duì)象的圍界安全探測(cè)。

五、結(jié)論和展望

本文設(shè)計(jì)的基于激光光電傳感的嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)，能夠有效檢測(cè)校園圍界探測(cè)點(diǎn)之間的異物隔斷光路情況，實(shí)現(xiàn)了校園圍界的入侵檢測(cè)。本文開(kāi)發(fā)的入侵檢測(cè)系統(tǒng)除了應(yīng)用于校園圍界安防以外，由于所設(shè)計(jì)的光電傳感檢測(cè)方法具有無(wú)接觸遠(yuǎn)距離光路中斷探測(cè)功能，還可應(yīng)用于更多的檢測(cè)場(chǎng)所。例如，對(duì)高層建筑窗口附近的異物檢測(cè)等。該系統(tǒng)不僅可以檢測(cè)異常入侵事件，還可以探測(cè)異物存在，幫助消除危險(xiǎn)隱患。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)目前還處于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)狀態(tài)，未來(lái)面向?qū)嵱孟到y(tǒng)要求將在系統(tǒng)的安裝防護(hù)、激光器和感應(yīng)器件的初始對(duì)中安裝調(diào)試等工程問(wèn)題方面進(jìn)行研究。

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