基于振动传感器的周界报警监控的设计.docx

基于振动传感器的周界报警监控的设计.docx

《基于振动传感器的周界报警监控的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于振动传感器的周界报警监控的设计.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于振动传感器的周界报警监控的设计

基于振动光纤传感器的周界围栏报警监控系统设计

周界报警防范这个概念从古至今。

它是人类能够存活下来的自然选择,随着社会的不断进步、生产力的逐步提高并带来经济的迅猛发展.

其自身的内容和形式都随之变化,渐渐构成了专业的技术和产业,已经成为生产、生活不可缺少的重要部分。

周界报警防范对于社会公共安全来说是很重要的,在科学体系分类中,周界报警防范以及周界报警防范带来的相关产业已近成为社会公共安全科学技术的重要组成部分。

通常我们采用的周界报警防范主要有人力防范、物力防范和技术防范。

其中最为广泛应用的是人力防范和物力防范,同时也是使用时间最为长久的传统手段,他们作为最基本的周界报警防范手段,重要的作用不言而喻。

随着科学技术的不断发展,也促使其得到了迅速的发展。

当周界报警防范渐渐采用科学技术时,无形中形成了一种独立的安全防范体系,在我们传统意义的周界报警防范基础上,开始有了技术防范。

随着科学技术的不断进步,大量的科学手段被广泛应用,技术防范也随之应用普及。

由于技术防范在周界报警防范中越来越突出的表现,使得其备受关注。

尤其是在第三次信息革命风暴中,周界报警防范越来越多的采用高薪技术,使其发挥了重要作用,将推动周界报警防范的变革。

人力防范和物力防范在周界报警防范手段上的不足,使得技术防范手段受到了越来越多的关注,因此技术防范是对人力防范和物力防范功能的延伸和加强。

尽管技术防范手段已经发挥了重要作用,但是,只是单一的依靠某一种防范手段是不够的.

必须采用多技术、多手段相结合的方式完成任务,这样对于人力防范、物力防范以及技术防范的综合应用是必要的,也只有这样才能保证安全。

1.2国内外发展动态

周界报警防范系统

1利用微波、红外、电子围栏等技术对区域进行安全防范,在其周边构造一道可见的、或不可见的“防护墙”。

当探测器发现人为攀爬或者小动物入侵时,就会发出报警信号,并将其送到中央控制中心或者保安值班室,然后根据信息进行声光报警,并显示报警的具体位置。

有的报警系统还会结合模拟电子屏、联动摄像监控、

2门禁、强电照明等等共同使用。

最近几年,无论从需要进行防范的区域还是防范采用的手段上,周界报警防范系统不仅已经成为基本手段而且是重要手段。

周界报警防范系统种类繁多,主要依据选取传感器的种类划分,每

种都有其自身的特点。

根据传感器的探测原理、成本造价、误报率、是否容易被克服和安装等各项,主要有以下几种,

分别为以振动光纤、辐射电缆、红外对射、张力围栏、高压脉冲等技术手段为核心的第二代“信号驱动”型周界安防系统。

1以振动光缆为核心的周界报警防范系统。

此系统选取振动传感器电缆为传感器,利用其把围栏上的振动信号转换为电信号,数字信号处理器将对此信号进行判断,是人为攀爬围栏、拾起围栏还是人为故意剪断围栏。

当有非法入侵时,比如人为攀爬、破坏围栏等,将会自动产生报警信号,并传送到中央控制中心,主机上将会显示报警的具体时间、地点,并对此做记录,同时自动开启广播,调动现场视频监控系统对其进行全过程监控。

2以振动电线为核心的周界报警防范系统。

此系统选取压力或者能够感受振动的传感器光纤作为传感器。

利用不同的压电信号判断是否为人为入侵、剪切围栏或者其它方式侵扰围栏。

传感光纤具有较强的抗干扰能力（尤其表现为对静电、电磁干扰、射频干扰等,可靠性较高。

能够准确区分人为攀爬还是由于其它环境等因素造成的干扰,比如风吹、飞机起飞、车辆经过、大雨等。

3以泄露电缆为核心的周界报警防范系统。

此系统选取泄露同轴电缆为传感器,将两根泄露电缆平行地埋藏在周界地下,其中一根与发射机相连,另一根与接收机相连,分别向外发射和接收能量。

发射机利用与其相连的发射电缆向外发射高频电磁能,这样就会有一部分能量耦合到接收电缆,两根电缆之间形成一个椭圆形的电磁力场,我们称之为探测区。

当有人进入时,就会对电磁耦合场造成干扰,影响接收电缆的电磁波能量。

报警电路根据此变化率、变化量以及持续时间等因素进行计量,判断是否满足报警要求。

4以张力围栏为核心的周界报警防范系统。

此系统以张力平衡原理为依据,检测探测线上张力平衡的状态。

每个防区都有两个锚柱,并有多根探测线与之相连,我们将探测器设置在中间防区的探测器柱上,此区中的所有水平探测线与之相连。

通常情况下,与此探测器相连的所有探测线都处于一种张力平衡情况,一旦有人企图用超过已经设置好的力的大小去拉动、破坏以及踩踏任意一条探测线,就会打破之前的张力平衡状态,

3此时,传感器就会把这个失去平衡状态的力转换成电信号,并发送给处理器,经过判断、识别,是否进行报警。

5以雷达探测视频监控为核心的周界报警防范系统。

此系统选雷达为探测器,提高了系统准确性,并结合视频追踪技术,将报警信号保存,并传送至集成平台。

不仅能够对地点进行准确定位,还使得监控范围增大。

6以微波墙式为核心的周界报警防范系统。

此系统由两部分构成,分别为微波发射单元和微波接收单元。

安装时,将两部分分开相对,发射机发送微波,接收机接收微波,这样就在需要防范的地方产生了一个稳定的微波场。

一旦有人为入侵,就会破坏原有的稳定微波场,干扰或波束阻断接收机,此时接收机探测到这一变化,并与之前设置好的阈值进行对比,一旦超过此值就会进行报警。

7以脉冲电子围栏为核心的周界报警防范系统。

8此系统以“阻挡为主、报警为辅”的基本防范理念,在需要进行防范的地区设置电子围栏。

9虽然此系统采用高压脉冲,但是由于脉冲重复频率极低、持续时间短、脉冲量小等原因,不会对人造成任何伤害,只是给人们以警告,恫吓为主,从而到达防范的作用。

此系统具有提前报警、物理阻拦、延迟入侵的特点。

脉冲电子围栏如图1.1所示。

8以主动红外为核心的周界报警防范系统。

此报警器由两部分组成,分别为接收机和发射机。

安装时,将两部分分开相对,发射机发送红外光束,接收机接收红外光束,这样就在需要防范的地方产生了一个稳定的红外光束场。

与微波墙式周界防护系统相似,一旦有人为入侵,就会破坏原有的稳定红外光束场,干扰或波束阻断接收机,此时接收机探测到这一

变化,并与之前设置好的阈值进行对比,一旦超过此值就会进行报警。

1.3研究意义及价值

随着社会的不断进步,人们的安防意识也随之不断提高,现代化的安防技术被广泛的应用起来。

在一些较为重要的区域,如机场、监狱、油库、博物馆、发电厂、银行金库、军事基地、武器弹药库等处,需要对其进行安全防范,防止各种破坏活动和非法入侵等行为。

然而过去的防范措施就是在这些地点的外围周界砌高围墙、围上铁栅栏或钢丝篱笆网等屏障或阻挡物进行简单阻拦,再统一安排人员进行不间断巡逻。

但随着现代先进技术的发展,犯罪手段也随之复杂化、隐蔽化、智能化。

目前犯罪分子采用的先进科学技术,使得过去的主要靠人力防范（其自身往往受主观条件,例如人员素质、精力和客观条件。

比如时间、地域等因素的影响这种手段难以适应,也很难避免出现失误和漏洞。

这样对于要害部门和重点单位的安全防范变得更加困难。

因此,在外围周界安装先进的周界报警系统就成为一种必不可少的防范措施。

关于外围周界探测,我们像是添加了一道人眼看不见的“电子围墙”在要害区域的周界处,它像是一名战士,忠诚地监视着要害目标,

一旦发现非法入侵者就马上进行报警。

1.4研究内容本文主要研究内容可以概括为以下几个方面:

1振动报警器的设计。

自制了一款滚珠式振动传感器,能有效探测到振动信号。

2提取人为攀爬的信号特征。

分别在时域和频域进行特征提取。

3设计报警定位系统。

利用电阻分压原理,给出所有振动报警器晃动情况,对报警信号进行具体定位。

4通信模块设计。

采用RS422双环通信,提高通信效率和准确率。

5设计上位机界面。

利用VB语言实现控制界面,反映电子地图等功能,能准确显示报警类型、报警地点等,并把数据存储、分类检索、打印等。

振动报警器的设计在我们生活的这个大千世界中,振动可谓无处不在。

不管是有生命的物种,比如人、植物、动物还是没有生命的东西,比如火车、汽车、飞机,只要存在运动行为就必然产生或强或弱的振动。

通过数据采集系统对振动信号进行采集、分析、处理,就可以得到目标物体的运动特征,为判断人为入侵行为提供依据。

2.1振动信号信号是信息的载体和具体表现形式,信息需转化为传输媒质能够接受的信号的形式方能传输。

广义地说,信号是随着时间变化的某种物理量。

只有变化的量中,才可能含有信息。

2.1.1振动信号的产生振动现象在我们的日常生活和生产中随处可见,比如:

我们小时候玩的荡秋千,机床转动产生的振动,汽车刚启动时产生的振动等等。

这些振动类型繁多,表现形式也不同,有以下几种:

一种是以往返摆动的形式进行运动,

另一种是以旋转的形式进行运动,

还有一种是以往复直线的形式进行运动,虽然表现形式不同,但具有同一个特征就是物体会在其平衡位置附近不断重复地运动。

所以我们把一个物体围绕它的平衡位置所作的往复运动或一个系统的物理量在其平均值（或平衡值附近的来回变动的物理现象叫做振动。

我们对振动进行分析研究,找到其运动规律,掌握振动对机器、工程结构及对人体的影响。

使得能够控制、消除振动或者利用振动的方法,最后达到机械系统或工程结构能够可靠地工作,并具有良好的动态性能。

2.1.2振动信号的分类

振动信号可分为连续信号和离散信号两大类。

如果在某一时间间隔内,对于一切时间值,除若干不连续点外,该函数都能给出确定的函数值,此信号称为连续信号。

与连续信号相对应的是离散信号。

代表离散信号的时间函数只在某些不连续的时间值上给定函数值。

一般而言,模拟信号是连续的（时间和幅值都是连续的,数字信号

是离散的。

但要注意,连续信号并不同于模拟信号。

7振动信号又可分为确定信号和随机信号。

能用确定的时间函数关系式描述的信号称为确定信号,包括周期信号与非周期信号。

2.2振动信号的采集

2.2.1振动传感器随着电子科技的高速发展,越来越多的振动传感器被开发研制,其种类也随之增多。

一般情况下,现场振动测试通常采用的传感器有以下几种:

非接触式电涡流传感器、复合传感器（它主要由一个非接触式传感器和一个惯性传感器构成和加速度传感器、速度传感器等四种。

每一种振动传感器的工作范围都是由它们固定的频响特性决定。

众所周知,每种传感器都需要在其自身频响特性内工作,如果工作的时候超出其线性频响区域,我们得到的测量结果将会产生巨大的偏差。

振动传感器的选择众所周知,振动传感器的选择是本系统的关键,。

因此我们采用了一款自制的滚珠式FF压电片基座11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。

振动信号的测试方法随着日益发展的技术,加上客观条件的限制和主观上对目标信号的要求,使得振动信号的测试种类不断增加。

在测量过程中,需要对不同的物理性质和参数进行测量,使得测量方法也不同,大体上可以分为以下三类:

1机械式测量方法机械式测量方法是最早被人们使用的测量方法,我们采用的基本原理就是将振动参量转换为机械信号,为了便于测量和记录,需要利用机械系统对其进行放大。

其具有较强的抗电磁干扰能力,且较为方便简单的测试方法等优点,但是也具有较为明显的缺点。

比如:

频率低、精度低,主要被应用在低频振动测量中。

杠杆式测振仪和盖格尔测振仪是被经常使用的仪器。

2光学测量方法在工程上,针对光学式测量方法,我们采用的基本原理就是将振动参量转换为光学信号,同样为了便于显示和记录,需要利用光学系统对其进行放大。

此方法的信息载体是光,光的物理特性决定了此种测量方法具有精度高（较高的灵敏度和分辨率。

响应速金属小球金属板AB12度快、频率范围广（较大的动态范围和良好的线性度、电气绝缘（抗电磁干扰,耐腐蚀,实现了非接触测量、测参数多（传感器结构简单,对被测对象的附加影响小等特点。

尤其是这几年,科学技术的快速发展,计算机的广泛普及,人们将光电技术和机械测量有效结合起来,促进光学仪器朝着智能化、网络化迅速发展,使得测量更加快速、准确,在自动控制和非电量检测技术中具有重要的地位。

周界报警产品厂家读数显微和激光测振仪是被经常使用的仪器。

3电测方法在工程上，我们采用的基本原理就是将振动参量转换为电信号，利用专用电路方法对其进行处理后，再使用电量测试仪表对载有振动信息的电信号进行检测。

此种测量手段，将机械振动信号转换为电学参量是很重要的，例如电压、电流、电动势、电荷或者其它形式的电量等;然后再检测电学参数，就会得到所要检测的机械量。

同样为了便于显示和记录，需要利用电子线路对其进行放大。

这三种测量方法中，此种方式使用范围最广。

此种方法具有灵敏度高，使用较为方便等特点，但绝缘处理相对较难，因而测量精度严重受到电磁影响，尤其在对于安全有较高要求的场所，别于煤矿、电厂，其使用将会受到严重限制。

不难看出，上述三种方式的测量原理基本相同，只是被测量的物理特性不同。

总体测量体系基本由以下几个部分组成:

拾振环节、测量放大电路、显示记录等。

首先，在拾振环节过程中，我们将被测的机械振动量转换为所需的信号，此信号的形式可以是机械信号、光信号以及电信号，这里我们利用振动传感器来完成。

其次，在测量放大电路中，由于使用不同的传感器，其变换原理也就随之不同，这样放大电路的种类就多种多样。

举例来说，电压方法器和电荷放大器都专用于压电式传感器的测量

周界报警产品厂家电路，除此之外还有微分电路、积分电路、归一化线路、滤波配置等。

最后，在信号分析、显示以及记录过程中，将最终得到的信号传送给信号分析仪或显示仪器以及记录仪器。

经常用的显示仪器有示波器、电子电压表、相位计等，记录仪器有光线示波器、X-Y记录仪、磁带记录仪。

第3章硬件设计与实现前面第一章绪论已经详细介绍各种周界报警防范系统，但不难看出各自具有特点和适用范围外，普遍存在如下几个共同问题:

1周界传感器使用器材上相对单一;2整个系统由各个检测模块构成，每个检测模块都和一个检测主机结合使用，检测到的入侵信号再通过各个主机送往中央控制中心进行处理。

如果想在较为广阔的地域进行安全防范并有效地进行定位报警，就必须增加检测模块和相应的主机数量，这就会不断增加成本，使得系统更加庞大、复杂;3由于各个检测模块需要在户外进行使用（尤其是探头，这就要求在各项技术指标和各种防护性能上都具有相对较高的技术，同时对系统的隐蔽性上提出了更大的要求;4针对周界传感器采集的入侵信号的软件再处理技术未受到足够的重视；5对于整个防范体统来说，报警中存在较高的漏报、错报、虚

周界报警产品厂家报和误报率。

3.1系统主要技术指标本系统为基于振动传感器的周界围栏报警监控系统。

利用振动传感器与单片机的有效结合来判别是否有非法入侵事件。

通常情况下，利用一个振动传感器检测一段距离，并能够进行准确报警定位，定位精度为10米左右，系统的关键是一旦有非法入侵行为能够及时进行报警，并且具有较低的虚报率和漏报率。

1单个振动传感器检测距离:

3m系统中每个振动传感器的检测距离取决于监控区域的长度和围栏的材质，通常在3m之间。

为了保证能够有效进行报警定位，在此设计中采用了不同电阻值与传感器相14连。

2系统响应时间:

<1s众所周知，对于周界安全防范系统，系统的报警响应时间是极其重要的参考指标。

一旦有非法入侵行为发生，持续时间通常都非常的短，因此快速响应对于监控系统是很重要的。

本系统采用自制的振动探头能够迅速检测振动信号，并由单片机迅速识别是否满足人为入侵行为特征，并进行及时报警，保证了系统响应时间在1s之内。

3漏报率漏报率是指对于已经发生的入侵行为，却没进行报警的概率。

漏报率的出现和振动传感器的灵敏度密不可分。

因此在自制振动传感器时，我们精心挑取材料以及周详考虑设计结构以提高振动传感器的灵敏度。

在优化振动传感器使其到达最佳灵

周界报警产品厂家敏度后，由于应用的环境不同，需要设置合理的报警阈值，但是不可以将阈值设置的过低，这是因为过低的阈值会造成系统对外界环境抗干扰能力差。

因此，在保证不增加误报的情况下，设置合理的报警阈值，是改善系统漏报率的最佳途径。

4虚报率:

<5%虚报率是指对于没有发生的入侵行为，却进行报警的概率。

与漏报率相似，虚报率的出现和振动传感器的灵敏度同样密不可分。

首先，为了保证振动传感器具有较小的漏报率，往往把阈值设置得尽量高些，这样就造成系统很容易受到外界的干扰，从而产生虚报。

比如狂风、大雨、暴雪以及周围行驶的车辆都会引起围栏的持续振动，造成虚报。

为了减小虚报率，在保证灵敏度不变的情况下，对外界干扰进行功率谱分析、周期性分析等（第四章将进行系统分析研究，利用滤波减少虚报率。