李周平，韓韜（陜西國(guó)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(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李周平，韓韜
（陜西國(guó)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(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率，開發(fā)了一種基于加速度傳感器的微振動(dòng)報(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)微振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確采集。利用Hilbert變換完成對(duì)原始非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取。通過能量-過零計(jì)數(shù)模式識(shí)別算法完成特征信號(hào)的分類學(xué)習(xí)，從而建立專家特征庫(kù)，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(dòng)以及大風(fēng)暴雨，實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵行為的準(zhǔn)確識(shí)別。實(shí)驗(yàn)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(bào)率低，成功地應(yīng)用于振動(dòng)安防報(bào)警中。

加速度傳感器；模式識(shí)別；微振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；誤報(bào)率

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

針對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的技術(shù)封鎖和價(jià)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(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的定位精度和較低的誤報(bào)率，且成本也大大降低。同時(shí)系統(tǒng)還通過模式識(shí)別將入侵行為進(jìn)行分類，使報(bào)警準(zhǔn)確率進(jìn)一步提升。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由MCU（STM32）、信號(hào)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(tái)組成。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

微振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)由多個(gè)探測(cè)防區(qū)組成，每個(gè)探測(cè)防區(qū)通過智能處理器管理多個(gè)陣列分布的振動(dòng)探測(cè)加速度傳感器，該傳感器為感應(yīng)單元，對(duì)防區(qū)的振動(dòng)信號(hào)加以收集分析，經(jīng)MCU控制將信號(hào)特征量傳輸給探測(cè)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(tái)，進(jìn)行報(bào)警提示。

圖1 報(bào)警系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(shí)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(jì)

系統(tǒng)選用美國(guó)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(cè)量范圍達(dá)±16 g，且測(cè)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(cè)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(shí)，測(cè)量范圍是±2g，便于串行數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘控制。ADXL345芯片提供2個(gè)中斷引腳，設(shè)計(jì)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(shí)的喚醒信號(hào)。當(dāng)為低電平時(shí)，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(cè)功能。活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)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(lái)檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)是否發(fā)生[4]。低功耗對(duì)電源進(jìn)行智能管理，使加速度傳感器在閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量中功耗降低[5]。客戶端通過閾值的設(shè)定來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)的值是否達(dá)到報(bào)警的要求。

2.3 通訊模塊設(shè)計(jì)

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(hào)，所有設(shè)備即報(bào)警器通過總線方式加載在系統(tǒng)上，采用輪詢的方式，對(duì)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(gè)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(jì)

RS485通信方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)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(hào)傳輸，加入上下拉電阻，保證總線空閑時(shí)，差分信號(hào)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(bào)警器通過RS485互相傳輸信號(hào)，最終傳輸給智能處理器。

3 軟件設(shè)計(jì)及信號(hào)模式識(shí)別

3.1 軟件程序設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)主要的軟件部分。系統(tǒng)開始配置時(shí)鐘，采用外部晶振倍頻到72MHz[7]。外設(shè)初始化主要有IIC、定時(shí)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(cè)接收完標(biāo)志位來(lái)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(hào)模式識(shí)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(duì)各類振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理[8]，提取波形特征，并從時(shí)域、頻域進(jìn)行分析處理，完成信號(hào)的模式識(shí)別。

圖4 單片機(jī)程序流程圖

文中利用Hilbert—Huang變換作為信號(hào)的特征提取方法：首先將原始信號(hào)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(hào)中提取出各個(gè)事件對(duì)應(yīng)的特征矢量。先對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性確認(rèn)[10]，將傳回的信號(hào)經(jīng)過濾波、降噪預(yù)處理后，得到擾動(dòng)事件的時(shí)域信號(hào)。這些振動(dòng)有以下幾個(gè)特征：

1）振動(dòng)的短時(shí)性：振動(dòng)為持續(xù)時(shí)間很短的事件；

2）能量包絡(luò)特征：突發(fā)的振動(dòng)信號(hào)，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(hào)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(hào)序列為x（n），n=0，…，N-1，其短時(shí)能量函數(shù)定義為：

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

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

通過算法的分析，可知晃動(dòng)、翻越、敲擊、割網(wǎng)都是突發(fā)的振動(dòng)信號(hào)，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(dòng)作類似敲擊信號(hào)頻率較大，與剪網(wǎng)相同，過零率較大。在系統(tǒng)報(bào)警的情況下能區(qū)分開不同的入侵動(dòng)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(jì)數(shù)規(guī)律，如圖6所示。

圖5 算法流程圖

圖6 能量-過零計(jì)數(shù)模式識(shí)別算法

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 數(shù)據(jù)采集分析

對(duì)單一防區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，圖7位客戶端采集到的x、y、z 3方向振動(dòng)信號(hào)波形[16]，報(bào)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(duì)Z軸振動(dòng)波形進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，利用能量-過零計(jì)數(shù)模式識(shí)別算法來(lái)判斷入侵行為是否報(bào)警。

圖7 原始信號(hào)波形

4.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

選取了一個(gè)單一防區(qū)，防區(qū)長(zhǎng)度700米，報(bào)警器間隔3米，振動(dòng)信號(hào)采樣率7 kHz。

開始進(jìn)行入侵行為實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行晃動(dòng)、攀爬、敲擊、割網(wǎng)的多次試驗(yàn)，將Z軸加速度數(shù)字信號(hào)最終傳輸?shù)娇蛻舳耍?jiǎn)單處理后通過能量-過零計(jì)數(shù)模式識(shí)別算法提取信號(hào)特征如圖8和圖9所示。

圖8 敲擊、割網(wǎng)信號(hào)特征

圖9 攀爬、晃動(dòng)信號(hào)特征

在小風(fēng)、小雨時(shí)幾乎振動(dòng)信號(hào)為零，在大風(fēng)、暴雨的時(shí)候，整個(gè)防區(qū)大面積報(bào)警，此時(shí)可以通過主機(jī)關(guān)閉微振動(dòng)報(bào)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(kù)中，將其余的信號(hào)片段與專家特征數(shù)據(jù)庫(kù)的進(jìn)行匹配，得出對(duì)應(yīng)的事件種類。

2）統(tǒng)計(jì)每個(gè)事件的正確報(bào)警個(gè)數(shù)，錯(cuò)誤報(bào)警個(gè)數(shù)，得出每類事件的報(bào)警率和誤報(bào)率。

測(cè)試試驗(yàn)中閾值下限設(shè)定Vth1=0.2，閾值上限設(shè)定Vth2=0.4。通過識(shí)別統(tǒng)計(jì)結(jié)果報(bào)警率如下表1，3類事件都可以報(bào)警率都可以達(dá)到90%以上，誤報(bào)率在6%以下。當(dāng)有惡劣天氣時(shí)比如狂風(fēng)暴雨，會(huì)出現(xiàn)大面積報(bào)警，可單獨(dú)判斷，區(qū)分出來(lái)。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試報(bào)警結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一個(gè)基于加速度傳感器的微振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。它通過前端監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警器采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳輸給主機(jī)，主機(jī)通過一種能量-過零計(jì)數(shù)的模式識(shí)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(dòng)以及大風(fēng)暴雨。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的帶有模式識(shí)別功能的加速度傳感器微振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)處于空白，具有較高的研發(fā)價(jià)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(dòng)報(bào)警系統(tǒng)將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)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(hào)：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(hào)處理，電子通信技術(shù)。