基于振动传感器的周界围栏报警监控系统设计

田晓凤，于春和

(沈阳航空航天大学电子信息工程学院，沈阳 110136)

目前较常用的户外周界入侵探测系统主要有［1－2］红外对射探测器、振动传感电缆、激光对射探测器、墙振动入侵探测器、微波探测器、静电感应探测器、光纤防越栅栏、电磁泄漏电缆探测器以及视频运动探测与跟踪系统等。

红外对射具有安装操作简单、价格低廉等优点。不足之处是易受地形条件的高低、曲折、转弯、折弯等环境限制，而且不适合恶劣气候，误报率高。

泄露电缆和振动电缆［3］对天气、外界环境的适应性强，可在室外各种恶劣的自然环境和高低温的环境中正常地进行全天候的防范，但由于传感部分都是有源的，所以系统功耗很大。

光纤体积小，重量轻、不受地形和气候的影响，具有非常好的可靠性和稳定性，但使用成本高。

为此本文提出一种受气候温度等影响因素小并能够实时报警的周界报警系统［4］，有效剔除漏报，降低误报率，性价比较高。

1 信号采集系统设计

本文采用的振动探头是滚珠式振动传感器，其内部基本结构由两片金属片和一个金属小球构成，考虑到金属易氧化腐蚀，在其表面镀金。从金属片的两端分别引出两条引线作为输出信号的两个电极，如图1所示。

图1 振动探头

图2 信号采集电路原理图

其基本原理为:当受到外界振动后，金属小球立即跑开，通过金属小球相连的两个金属片断开，此时与之并联的一个3.9 k电阻在电路中起作用，当没有受到外界振动，两片金属片相连，此处在电路中起到导线的作用。利用检测此处电路工作状态与外围电路组合将机械振动转换为电压信号，通过与电压比较器比较，输出高低电平，将模拟信号转换为数字信号，便于单片机的采集，信号采集电路原理图如图2所示。

为了保护振动传感器的两条引线A和B，接入二极管D1、D2、D3，防止由于瞬间产生的脉冲电流烧坏引线。防止人为破坏振动探头，恶意剪断，利用电压比较器对振动探头进行电压检测，超过一定阈值，则判断振动探头被人为剪断进行报警。由于长期户外工作，振动探头会出现位置偏移或金属小球被氧化腐蚀等情况，造成误报，对此我们同样利用电压比较器与单片机相结合进行检查，降低误报率。

2 信号分析与处理

采集到的数据是以 AA(或55)、时、分、秒、AA(或 55)为起始标志，以 99、66、99、年、月、日、时、分、秒为结束标志的.dat文件。因此在数据处理的时候，我们按照时间划分为若干小组，便于对信号特征的提取。界面显示出此文件的信号数据总体数和当前被处理信号的数据个数、共分为多少小组以及被处理信号是第几组和起始时间、结束时间。

信号处理过程如下:

(1)在MATLAB下任意读取.dat文件。让MATLAB自动搜索以.dat为结尾的文件。

(2)把读入进来的数据按时间划分为若干小组。以时间为分界点，为了保证所分小组正确，我们以上一组的结束时间和下一组的起始时间为标志，找到对应的时间点坐标，进行小组划分。再把得到的若干小组放在一个元胞数组中。程序设计如下。

(3)对原始数据进行显示，因为采集到的数据为二进制数据，那么我们形象的将1表示为高电平，代表围栏有晃动;0表示为低电平，代表围栏没有晃动。依次判断每个点是否为高电平，高电平画在指定坐标上方，低电平画在指定坐标下方。

(4)对原始信号进行处理。首先要找到第一个引起晃动的高电平，再判断此高电平以后T1时间段里高电平持续多长时间，若是超过T2时间段，那么此处报警;若是没有，则此处正常。程序设计如下:

3 实验验证

界面中同一行上面的数据表示原始信号，下面的数据表示处理后的信号。

3.1 室内试验

为了确保室外试验的试验结果分析的可靠性，在室内进行人为模仿晃动振动传感器试验。首先进行人为模仿风吹引起振动的信号处理，其次进行人为模仿攀爬围栏引起振动的信号处理。试验结果如图3～4所示。

图3 人为模仿风吹晃动引起的振动信号处理

图4 人为模仿攀爬引起的晃动

由上图可以看出，有效剔除了风吹引起的虚报和对人为攀爬引起的晃动进行了报警。

3.2 室外试验

首先对实际采集到的风吹信号进行处理，其次对人为攀爬围栏引起振动的信号处理。每采集一个点的时间为0.3 ms，我们设定T1为需要采集的点数，也就是数据采集时间周期，T2表示在阈值T1内高电平出现的个数，也就是高电平持续时间的累积和，实验发现设置不同的阈值，处理结果不同，如图6～7所示。

图5 实际采集到的风吹引起振动的信号处理

图6 T1=30、T2=15的阈值处理结果

图7 T1=40、T2=20的阈值处理结果

由上图可得，当由风吹引起的振动时，我们可以发现，其不具有任何规律，而由人为攀爬引起的振动具有一定的周期性，重复性，此种方法可以有效剔除风吹引起的振动和对人为攀爬进行实时报警，并针对不同结构的围栏，人为攀爬引起的晃动具有不同的周期性，为此设定不同的阈值，增加了使用的灵活性。

4 算法的实现

根据上述MATLAB对算法的验证，改为C程序，然后用单片机的编译程序重新编译后下载进单片机中，本文选用STC12C5A60S型号单片机。利用中值定理，通过定时器和计数器设定固定的阈值，检测管脚采集到的高低电平，当在固定的时间长度内，检测高电平的个数超过阈值，则进行报警，若没有到达报警要求，直接将数据清空，不占用任何形式的内存，直接进行下一次的检测，这样提高了单片机的运行速度。

5 结束语

利用MATLAB对采集到的振动信号进行分析处理，提取到人为攀爬围栏的信号特征。发现由风吹引起的振动不具有任何规律性，而人为引起的振动具有周期性、重复性，利用此种方法可以有效剔除风吹引起的振动，并对人为攀爬引起的振动、振动传感器被恶意剪断以及振动探头是否正常工作能够进行实时有效的报警，减小误报率，提高了周界安全。

［1］刘占林.理想的“电子墙”——振动入侵探测器［J］.中国安防产品信息，2002，92(4):46 －47.

［2］陶俊明.浅谈周界防范技术中的主动红外入侵探测器［J］.智能建筑与城市信息，2004(7):48－49.

［3］赵家贵.新编传感器电路设计手册［M］.北京:中国计量出版社，2002.

［4］张令弥.振动测试与动态分析［M］.北京:航空工业出版社，1992.

［5］ Cheal J，O’bfien S，Tutor M.Buried cable sensor with intruder loeation［C］.IEEE Trans Aeroepace and Electronic Systems Magazine，2005，20(7):11 －15.

［6］ Armstrong D，Perle C.Perimeter intruder detection systems performance standard［C］.IEEE Proceedings of International Camahan Conference on Security Technology，2005:33 －36.

［7］王济，胡晓.MATLAB在振动信号处理中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［8］王明吉，张勇，李玉爽，等.单主机高精度周界入侵探测报警系统［J］.仪器仪表学报，2006，27(12):1718－1720.