基于MEMS芯片實(shí)現周界入侵報警系統

摘要：近些年隨著(zhù)安防報警技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種依附于固體防護結構上的電子周界探測系統不斷推陳出新，從最開(kāi)始的主動(dòng)紅外探測技術(shù)、電子脈沖放電探測技術(shù)，一直發(fā)展到現在有各種各樣針對不同應用需求的特定周界防護系統，這其中就包含依附于金屬編花或者焊絲圍網(wǎng)上的振動(dòng)探測系統?；谡駝?dòng)檢測的周界入侵系統有很多種：震動(dòng)電纜、光纖干涉、慣性振動(dòng)等等，本文重點(diǎn)闡述利用MEMS芯片傳感技術(shù)實(shí)現的振動(dòng)探測周界入侵報警系統。

　　微電子機械系統(Micro-Electro Mechanical Systems，MEMS)是解決傳感器微型化的關(guān)鍵技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，其工作原理是外部環(huán)境物理、化學(xué)和生物等信號輸入，通過(guò)微傳感器轉換成電信號，經(jīng)過(guò)信號處理(模擬信號或數字信號)后，由微執行器執行動(dòng)作，達到與外部環(huán)境“互動(dòng)”的功能，它是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)所在。

　　周界入侵報警系統通常指對某一線(xiàn)狀邊界(如重要區域的圍墻)進(jìn)行監測，當發(fā)現有非法通過(guò)該邊界的行為時(shí)產(chǎn)生報警，以實(shí)現對目標區域的監測保護。周界入侵報警系統會(huì )使用戶(hù)的安全防范管理變的非常簡(jiǎn)單，它在柵欄上形成一道電子防線(xiàn)，一天24小時(shí)不間斷工作，一旦有入侵行為發(fā)生，系統會(huì )立刻給出報警信號，通知值班人員。這樣可以節省人力、物力和財力，最關(guān)鍵的是系統可以降低值班人員的勞動(dòng)強度，使安保人員時(shí)刻保持高度注意力，有效屏蔽巡邏值班人員因為疏忽疲憊造成的周界漏洞。近些年隨著(zhù)安防報警技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種依附于固體防護結構上的電子周界探測系統不斷推陳出新，從最開(kāi)始的主動(dòng)紅外探測技術(shù)、電子脈沖放電探測技術(shù)，一直發(fā)展到現在有各種各樣針對不同應用需求的特定周界防護系統，這其中就包含依附于金屬編花或者焊絲圍網(wǎng)上的振動(dòng)探測系統?；谡駝?dòng)檢測的周界入侵系統有很多種：震動(dòng)電纜、光纖干涉、慣性振動(dòng)等等，本文重點(diǎn)闡述利用MEMS芯片傳感技術(shù)實(shí)現的振動(dòng)探測周界入侵報警系統。

　　基于MEMS芯片的周界探測系統構成

　　一般的周界探測系統和物聯(lián)網(wǎng)系統的基本構成是相似的：傳感、網(wǎng)絡(luò )以及控制管理。

　　基于MEMS芯片的振動(dòng)傳感器-ViSEN

　　振動(dòng)傳感器ViSEN基于一個(gè)3軸加速度傳感器芯片，外部環(huán)境輸入(振動(dòng))導致MEMS芯片XYZ軸加速度值發(fā)生變化，振動(dòng)傳感器ViSEN上的傳感處理器芯片采集到加速度變化信息，經(jīng)過(guò)多重算法過(guò)濾掉干擾，將告警信息通過(guò)數字通信組件傳遞出去。由于MEMS芯片能提供3軸持續穩定可靠的振動(dòng)數據，我們可以實(shí)現多維度算法綜合分析，確保系統穩定準確工作，值班人員不會(huì )為“狼來(lái)了”這樣的誤報疲于應付。

　　傳感器的原理結構如圖1所示，傳感處理器是核心組件，它負責采集加速度變化狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)5D算法，形成對入侵告警的初步判斷，然后將告警信息通過(guò)數字通信組件發(fā)送出去。傳感處理器也可以通過(guò)數字通信組件接收后臺軟件的配置信息，針對不同硬度特性的圍網(wǎng)設置不同參數，提高傳感器的適應性。

　　這樣，傳感器會(huì )對其所依附的圍網(wǎng)進(jìn)行感知，有效檢測攀爬產(chǎn)生的持續振動(dòng)、剪斷圍網(wǎng)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)、破壞圍網(wǎng)產(chǎn)生的強烈振動(dòng)、圍網(wǎng)被推倒以及傳感器被拆除。

　　建立系統形成傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　完成了能有效感知圍網(wǎng)振動(dòng)的傳感器，我們需要形成一個(gè)系統將眾多傳感器上的告警信息收集起來(lái)，這個(gè)系統可以是基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )也可以是電纜連接的有線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )。

　　在ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )中，振動(dòng)傳感器ViSEN使用電池供電。只有在振動(dòng)發(fā)生的時(shí)候傳感器才進(jìn)入工作狀態(tài)，平時(shí)一直處于休眠狀態(tài)，這樣可以保證傳感器不換電池工作一年以上。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，所有的傳感器都是終端(End Point)設備，系統會(huì )在適當的地點(diǎn)設置路由(Router)設備，最終都連接到協(xié)調處理設備VGM(Coordinator)上。

　　對于周界探測系統經(jīng)常應用的線(xiàn)狀邊界來(lái)說(shuō)，用電纜連接的有線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )更加適合。系統通過(guò)感應電纜將振動(dòng)傳感器ViSEN串聯(lián)起來(lái)連接到現場(chǎng)控制主機VGM上，而后者通過(guò)電纜給傳感器供電和提供通信媒介。傳感器與現場(chǎng)控制主機間形成CAN總線(xiàn)連接，保證傳感器上的報警能夠及時(shí)主動(dòng)上報到主機，幾乎可以實(shí)現零延遲報警。如果VGM主機采用RS485方式輪詢(xún)傳感器，一旦總線(xiàn)上連接的傳感器數量偏多，則可能產(chǎn)生的報警延遲會(huì )非常難以讓人接受。

圖1、傳感器原理結構圖

傳感器的控制和管理

　　系統通過(guò)綜合管理平臺軟件和現場(chǎng)控制主機來(lái)實(shí)現對傳感器的控制和管理。首先，不管是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )還是有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，傳感器ViSEN都連接到現場(chǎng)控制主機VGM上，現場(chǎng)控制主機實(shí)現傳感器配置、參數更改和告警信息收集等底層通信協(xié)議;其次，綜合管理平臺軟件通過(guò)讀寫(xiě)現場(chǎng)控制主機實(shí)現對振動(dòng)傳感器管理;最后，將告警以事件的方式呈現到界面上。

圖2、ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )圖

　　基于MEMS芯片的周界探測系統特點(diǎn)

　　經(jīng)過(guò)以上對基于MEMS振動(dòng)傳感器周界報警系統的介紹，對比現有振動(dòng)探測周界報警系統，我們發(fā)現了基于MEMS芯片的周界報警系統的一些特點(diǎn)。

　　全數字系統

　　微電子機械系統直接在芯片內部實(shí)現外界激勵到輸出的轉換，而芯片正常工作時(shí)對外部條件的要求并不高，所以用MEMS芯片實(shí)現振動(dòng)傳感要比光纜振動(dòng)等傳統探測系統更容易控制和實(shí)現。

　　3軸加速度傳感芯片對外接口是IIC，傳感器上的處理器直接得到數字信號，所以整個(gè)傳感器對電源、通信和算法冗余性要求都不高，傳感器抗干擾能力強。傳統的振動(dòng)電纜和光纜振動(dòng)探測系統則需要經(jīng)過(guò)小信號放大、模擬信號采集等步驟之后才能實(shí)施探測算法，而這些過(guò)程必須對噪聲進(jìn)行嚴格控制，否則直接導致算法準確率下降，影響周界系統最重要的指標：誤報率和漏報率。

圖3、電纜連接的有線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )圖

　　實(shí)現精準定位

　　傳感器是基于MEMS芯片的全數字系統，我們就可以賦予每個(gè)傳感器一個(gè)ID，如果某一個(gè)傳感器檢測的入侵報警，這個(gè)ID就可以隨著(zhù)告警信息一起上傳到管理平臺，于是整個(gè)系統就有能力將報警定位到每一臺傳感器。

　　一般情況下，一個(gè)網(wǎng)片安裝一臺傳感器，那么系統就可以將報警定位在每一片圍網(wǎng)上，精準的告警定位非常有利于多系統融合的精準聯(lián)動(dòng)。比如說(shuō)在做周界報警的視頻聯(lián)動(dòng)時(shí)，我們可以將每一片圍網(wǎng)的位置與攝像機預置位對應，當有告警時(shí)，直接根據告警傳感器地址調取攝像機預置位，快速將攝像機調整到告警發(fā)生位置。

　　傳統的光纜振動(dòng)探測系統一般的定位精度都在100米左右，振動(dòng)電纜的定位精度也在10米左右，攝像機只能聯(lián)動(dòng)看整體圖像，真正發(fā)生入侵的點(diǎn)可能會(huì )因此而錯過(guò)，沒(méi)有及時(shí)看清楚入侵現場(chǎng)實(shí)際情況。

實(shí)現多角度傳感

　　傳感器基于3軸加速度MEMS芯片實(shí)現，剪切圍網(wǎng)造成的振動(dòng)和攀爬圍網(wǎng)造成的振動(dòng)很容易就能通過(guò)強度和頻率分布算法分辨出來(lái)，除此之外，傳感器還能通過(guò)MEMS芯片的方位檢測功能實(shí)現圍網(wǎng)傾覆探測。

　　傳統的震動(dòng)電纜和光纜振動(dòng)探測系統分辨剪切還是攀爬的準確率非常低，并且不能判斷圍網(wǎng)是否傾覆。

　　綜合多種算法

　　F.I.R.S.T. 5D算法是從5個(gè)不同的域來(lái)綜合分析振動(dòng)的算法。

　　F-Frequency Domain，從頻率域分析振動(dòng)

　　不同振動(dòng)的頻率分布不同，風(fēng)吹圍網(wǎng)產(chǎn)生的振動(dòng)大部分是低頻振動(dòng);剪切圍網(wǎng)產(chǎn)生的振動(dòng)大部分集中體現在高頻;攀爬產(chǎn)生的持續振動(dòng)則正好處于前兩者之間。請看圖4-1、4-2、4-3示例。

　　I-Intensity Domain，從強度域分析振動(dòng)

　　冰雹和雨滴打在圍網(wǎng)上產(chǎn)生的振動(dòng)頻率分布和剪切類(lèi)似，也體現為高頻變化明顯。要屏蔽這些因為天氣原因產(chǎn)生的干擾就必須引入另一個(gè)維度來(lái)分析，那就是振動(dòng)強度。合理選擇強度門(mén)限或者在算法中加入強度元素就能有效屏蔽掉冰雹和雨滴的干擾。

　　R-Relationship Domain，分析振動(dòng)的相關(guān)性

　　將頻域率、強度域、空間域和時(shí)間域分析出來(lái)的振動(dòng)特征做相關(guān)分析，進(jìn)而實(shí)現全網(wǎng)級的融合感知與探測，由此提高整個(gè)系統的穩定性和可靠性。

　　S-Space Domain，從空間域分析振動(dòng)發(fā)生的空間相關(guān)性

　　傳感器沿線(xiàn)狀周界分布，現場(chǎng)控制主機利用分布在圍界不同位置的多種傳感器信息進(jìn)行聯(lián)合分析，實(shí)現空間域的融合。

　　T-Time Domain，從時(shí)間域分析振動(dòng)發(fā)生的時(shí)間相關(guān)性

　　利用感知信息的時(shí)間關(guān)系，建立時(shí)間域的融合，在時(shí)間窗口內計算振動(dòng)特性。

　　高度敏感準確

　　對于使用微電子機械系統芯片的傳感器來(lái)說(shuō)，感知輸入的穩定性被MEMS芯片牢牢把握，芯片即能實(shí)現靈敏感知又可得到準確的低噪聲數據，再加上后續5D算法加以篩選控制，可以輕松實(shí)現傳感器極低誤報率和漏報率。

　　基于MEMS芯片的BG-VGS圍欄振動(dòng)探測系統

　　BG-VGS 圍欄振動(dòng)探測系統是由北京深藍同創(chuàng )科技有限公司生產(chǎn)的BG系列周界探測系統中的一款，它由MEMS 振動(dòng)傳感器ViSEN、現場(chǎng)控制主機VGM、干接點(diǎn)擴展模塊RPM(可選)以及報警控制軟件所組成。BG - VGS 圍欄振動(dòng)探測系統適合于安裝在各種金屬絲焊接或編花圍網(wǎng)、鐵柵欄、圍墻等等載體之上，并檢測入侵者攀爬、破壞載體的入侵行為。探測電纜可以根據現場(chǎng)設計制作成防護盒傳感器型或隱蔽纜型布防形式。報警定位精度最小可以達到1 米(取決于傳感器布防間距)。 振動(dòng)探測傳感器ViSEN 可以布設在防區物理圍網(wǎng)的中間、立柱或墻體內側，平均每1 到6 米一個(gè)，用于檢測各種入侵行為所引起的振動(dòng)。每個(gè)現場(chǎng)控制器VGM 可以控制左右各最多不超過(guò)126個(gè)振動(dòng)探測傳感器，既每個(gè)VGM在理論上可以控制最長(cháng)756米周界(標準3 米間距)。

圖4-1、剪切頻率分布

圖4-2、攀爬頻率分布

圖4-3、風(fēng)吹干擾頻率分布

　　通過(guò)軟件設置，在每個(gè)現場(chǎng)控制器VGM上可以任意組合、劃分所有的探測傳感器以形成任意不同長(cháng)度的干接點(diǎn)子防區，最小防區可以設定為每個(gè)探測傳感器。

　　BG -VGS圍欄振動(dòng)探測系統環(huán)境適應性強、低誤報，可以在風(fēng)霜、雨雪、濃霧、沙塵、高低溫等嚴酷環(huán)境下全天候穩定可靠的工作。

　　BG - VGS 圍欄振動(dòng)探測系統非常適用于有圍網(wǎng)載體的基礎設施的防護，比如機場(chǎng)、軍事基地、能源設施、核電設施、重點(diǎn)文物保護，以及企事業(yè)單位、工廠(chǎng)、倉庫、變電站、水廠(chǎng)、電廠(chǎng)、 學(xué)校、看守所、監獄等等重要場(chǎng)所，并且系統非常適用于比較惡劣的環(huán)境條件。系統同時(shí)也可適用于普通住宅小區、 別墅住宅區的周界安全防范。

　　BG - VGS 圍欄振動(dòng)探測系統擁有如下核心特點(diǎn)：

　　獨創(chuàng )F.I.R.S.T 5D 算法;

　　有效探測攀爬、拉扯、踩踏和剪斷圍網(wǎng)所產(chǎn)生的持續振動(dòng);

　　用戶(hù)可設定探測參數，能適應不同類(lèi)型、不同硬度的圍網(wǎng)、柵欄和圍墻;

　　連接到控制主機VGM 上的所有ViSEN可以由軟件劃分成小防區，如果每個(gè)小防區單獨干接點(diǎn)輸出，那么最多可劃分為12 個(gè)小防區;如果不要求干接點(diǎn)輸出，那么軟件可以不受限制的任意劃分小防區;

　　告警可以定位到每一個(gè)探測傳感器，每一片圍網(wǎng);

　　防區控制主機VGM 具有防拆報警、低電壓報警和傳感電纜中斷告警功能;

　　傳感器ViSEN 可輸出4 種告警：剪切、攀爬、傾斜和防拆;

　　系統提供串口和干接點(diǎn)對外通信方式，易于與第三方系統集成;

　　低功耗、低維護成本。

　　BG - VGS 圍欄振動(dòng)探測系統能很好地過(guò)濾環(huán)境變化產(chǎn)生的干擾，對剪切、攀爬和圍網(wǎng)傾覆判斷可靠準確，真正讓用戶(hù)體驗到敏感、準確、盡在掌握的感覺(jué)。