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紅外和超聲波互補式入侵檢測方法 針對移動目標的距離檢測問題，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，實現了 ２０ ｍ 范圍內移動目標檢測，使用紅外探測器敏感較遠目標并測量距離，使用超聲波傳感器實現近距離測量，并通過物聯網模塊上傳入侵信息。 測量結果表明誤差約為 ３.２％，對侵擾檢測等應用場景具有參考意義。 ０ 引言 智能化、網絡化的安防監測設備逐漸成為需求巨大、體系完備的行業，是物聯網領域的一個熱點應用方向［１］ 。 移動物體檢測也被越來越多的工農業生產采用［２］ 。 入侵檢測可以分為周界入侵檢測和區域入侵檢測 ２ 種［３］ 。 周界是指警戒區的外層防線，周界入侵檢測一般對警戒區邊界進行重點檢測，多使用光纖、紅外、泄漏電纜、電子脈沖等探測技術，這類檢測雖然結果簡單明確，但也存在維護成本高、誤報率高等問題；區域入侵檢測的界線比較模糊，大多針對某一區域進行掃描式觀測，多采用微波雷達、視頻監控等技術，這類技術可視化、交互性效果好，但技術壁壘較高、操作復雜［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。 在農業領域需要一種有效的、智能化的區域入侵檢測裝置來監控和提示現場人員，并能夠讓管理者實時獲取管理數據。 入侵檢測裝置應當具備操作簡單、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合，設計一種組合式的多鑒探測器［７］ 系統，并引入物聯網模塊，使系統具有遠程、實時工作能力［８］ 。 １ 系統總體方案 圖 １ 給出了系統的總體設計，其中紅外探測器加裝菲涅耳透鏡以提高系統接收靈敏度，由后端處理電路完成探測信號的放大與采集；入侵目標較遠時，由紅外探測器進行距離測量；入侵目標接近到一定程度后，則啟動超聲波傳感器完成測距；超聲波傳感器包含接收、發射兩個探頭，分別產生和接收一組連續脈沖序列，利用超聲波傳播速度恒定的特點實現距離測量；最后由 ＭＣＵ 把檢測結果即時發送至客戶端。 １.１ 基于紅外熱釋電探測器的遠距離測量 當移動熱源目標出現在探測區域內，則會產生 ２個正負峰值，并且峰值的大小與距離的遠近成反比關系。 由圖 ２（ｂ）和圖 ２（ ｃ）可知，當同一目標分別處在位置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之間的測量距離為 Ｌ，接收端與發射端兩組敏感探頭間距的一半為 Ｈ，則有：
當 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，線性度變差，但仍能呈現出一定的正相關性，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，結合２種傳感器的特點，本文采用分段處理、加權計算的方法。 對于 ５ ｍ 以內的目標使用超聲波傳感器測量，對于 １２ ｍ 以上的目標使用紅外熱釋電探測器測量，對于５ ～ １２ ｍ 范圍的目標，對 ２ 種測量值進行加權處理，計算過程如式（４）所示：
２ 系統設計 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，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 電路結構中設計 Ｒ４、Ｒ５ 分壓電路，可以根據紅外熱釋電探測器特性及外圍環境分壓產生適當的求和電壓（Ｖ＿ａｄｄ，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，加入一級設計跟隨器，以截掉反向求和可能產生的負電壓，同時避免后續電路對前級產生影響。 在比較器的反向輸入端添加可變電阻 Ｒ１１，可以調節電壓閾值，從而調整識別距離。 比較器的輸出信號（ Ｖ＿ＰＩＲ＿４） 傳輸至單片機，根據該信號 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 超聲波電路設計 當紅外熱釋電源探測器的輸出電壓高于設定閾值時，ＭＣＵ 使能脈沖序列發生電路，產出一組 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定 ５００ ｍｓ，以保證各組脈沖互不影響。 如果脈沖波峰數量過少，發射強度小，易因外界因素造成波形失真［９］ 。 但脈沖波峰數量過多，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，在距離稍遠時表現明顯，而在近距離時，信號尚未發射完畢，回波已到達接收端，也嚴重影響測距。 實際脈沖波峰數量為 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，一路經一級反向器傳送至發射器的一個電極，另一路經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射探頭兩端，可以提高發射功率，并且 ２ 個反向器并聯，以提高驅動能力。 經試驗量程可達 ８ ｍ 以上。圖 ８ 給出了超聲波接收電路，調整電阻 Ｒ２１取值可以微調接收信號的中心頻率，當取值為 ２００ ｋΩ 時，對應頻率為 ４０ ｋＨｚ；更改電容 Ｃ９ 的大小可以調整接收靈敏度提高抗干擾能力；當 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。 當檢測到入侵目標，進入遠距離測量模式。 當入侵目標逐漸接近，探測輸出電壓超出設定閾值時，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終端，如圖 ９ 所示。 同時，用戶也可以設置若干關鍵檢測點，使用短消息的形式把關鍵點檢測信息即時傳輸至用戶移動終端。 物聯網模塊采用商業化產品，并配置外置射頻天線，可以保證數據傳輸的實時性和可靠性。 通信協議選擇 ＭＱＴＴ網絡傳輸協議，并使用 ＡＴ 指令直接與 ＭＣＵ 進行交互，以提高處理效率。 當 ＭＣＵ 使能超聲波脈沖發射時，首先配置定時器使接收端為等待狀態，延遲 １ms再行接收，這樣可以避開接收盲區。
因此，由式（５） 的計算結果可知，ＭＣＵ 定時器分辨率至少應為 ２９ μｓ，為保證測量精度，把該指標提高一個數量級，系統 ＭＣＵ 晶振頻率選擇 １２ ＭＨｚ。 ３ 效果分析 根據表 ２ 測量數據，繪制紅外熱釋電探測器的輸出電壓幅值和距離之間的關系， 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，兩者呈現出良好的線性關系，使用表 ２ 給出的該部分測量數據進行擬合，可以得到式（６）： 使用式（６）可以實現 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的檢測需求。
（ａ）５~３０ ｍ 范圍內電壓幅值的變化趨勢
（ｂ）１０ ～ ３０ ｍ 范圍內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 以內的近距離目標系統選擇使用超聲波探測器進行測量。 設定入侵目標的接近程度閾值（電壓）為 ３．６２ Ｖ，當紅外探測器接收電路的輸出電壓超出該值，系統使能超聲波測距。 由于 ５ ～ １２ ｍ 的測量區間接近超聲波傳感器距離測量上限，并且該區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測量取平均值的方法，５ 次測量為 １ 組，并把每組數據的最大值和最小值剔除，然后再采用加權求均值的方式確定該次測量的最終結果。 為了更好地驗證系統效果，本文分別設計了靜止目標測試和移動目標測試 ２ 組實驗來驗證入侵超聲波傳感電路的工作情況，這里的移動目標是指人以 １ ｍ ／ ｓ 的速度從檢測范圍經過。 對于 ２ 種測試實驗方式，均可把測量值與設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、測量值和實際設定值。圖 １２ 和圖 １３ 分別給出了 ２ 種實驗結果。 由圖 １２ 給出的靜止目標測試結果可知，在目標距離小于 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所致；目標距離在 ０.３ ～ １５ ｍ時，誤差一般小于２％；目標距離在 １７ ｍ 以上時，誤差呈現較為明顯的增大趨勢，但最大也不超過 ３.２％。 圖 １３ 給出了移動目標的測試情況，此時人以 １ ｍ／ｓ的速度從系統測量范圍內經過時，此時的試驗曲線趨勢和靜止目標類似，總體誤差在 ４％以內；但粗大誤差明顯增多，并且整體精度指標也略有減少。 當 ＭＣＵ 檢測到入侵事件后，裝置可以自動配置物聯網模塊，完成數據傳輸。 ４ 結論 本文所設計的移動物體監測裝置，由紅外探測器、超聲波傳感器、物聯網模塊等組成，可以對入侵目標（人或動物）自動檢測并傳遞信息，系統工作可靠、信息傳遞及時，并且操作簡單、適用性強。 參考文獻： ［４］ 文靈．多傳感器融合技術在周界安防中的應用分析［ Ｊ］．中國新技術新產品，２０１７（８）：１４２－１４３． 班寧產品匯總 |
