【貝能?chē)H】新型雙條件玻璃破碎檢測方案

玻璃破碎檢測方案已經(jīng)發(fā)展一定年頭，主要用來(lái)檢測家庭住宅或商業(yè)樓宇門(mén)窗玻璃的破損情況。此類(lèi)方案也可歸類(lèi)為一種監控設備，用以提高家庭或商業(yè)環(huán)境的安全性，避免非法進(jìn)入。目前市面上玻璃破碎檢測方案主要分為兩種，其一是檢測敲擊玻璃時(shí)發(fā)出的低頻聲音時(shí)檢測玻璃破碎發(fā)出的高頻聲音；其二為檢測玻璃破碎時(shí)發(fā)出的高頻聲音同時(shí)檢測敲擊玻璃時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。由于家庭或商業(yè)環(huán)境存在各種聲音，高低頻聲音同時(shí)出現的概率不低，第一種方案會(huì )出現誤報的問(wèn)題；第二種方案則必須有傳感器吸附在玻璃上。貝能?chē)H以此需求為牽引，開(kāi)發(fā)出全新雙條件玻璃破碎檢測方案，同時(shí)檢測敲擊玻璃時(shí)發(fā)出的低頻聲音、玻璃破碎時(shí)發(fā)出的高頻聲音以及玻璃破碎時(shí)帶來(lái)的壓力變化，一舉解決市面上現有方案的缺陷。

貝能?chē)H新型玻璃破碎檢測方案以氣壓變化檢測和全頻率聲音檢測的方式，安裝方便、一對多玻璃破碎檢測且玻璃破碎特征把握準確，不易為環(huán)境聲音干擾。

新型玻璃破碎檢測方案基于Microchip公司ATSAMG55系列MCU內部集成的PDM外設連接Infineon公司的數字硅麥芯片IM69D130及氣壓檢測芯片DPS310實(shí)現的氣壓、聲音雙檢測方案來(lái)做探討。除商業(yè)、家居外，汽車(chē)安防采用這種雙檢測方案亦同樣可行。

市場(chǎng)常見(jiàn)玻璃破碎檢測方案

》 第一代玻璃破碎檢測器：開(kāi)路報警

人們最初對窗戶(hù)的防范不能算嚴格意義的玻璃破碎防范，只是在窗口安裝一個(gè)有細金屬絲串成的網(wǎng)，這些網(wǎng)會(huì )形成回路，當有人破窗而入時(shí)，因回路破壞而形成開(kāi)路報警。由于放了金屬網(wǎng)，窗戶(hù)十分難打開(kāi)，這個(gè)檢測方法稍后得到改進(jìn)，玻璃邊緣貼了1厘米寬的鋁箔帶，鋁箔帶形成回路，破窗達到開(kāi)路警報；這種檢測辦法雖后續多次改進(jìn)，但都可以歸結為開(kāi)路報警，為第一代玻璃破碎檢測器：

第一代開(kāi)路報警檢測器

缺點(diǎn)：

第一代開(kāi)路報警檢測器原理簡(jiǎn)單，成本低廉，但由于貼合玻璃的材料的伸縮率和玻璃不相同，往往玻璃破碎了，形成回路的材料還未破碎，不能形成開(kāi)路報警，存在嚴重的漏報問(wèn)題。

》 第二代玻璃破碎檢測器:震動(dòng)報警檢測器

第二代玻璃破碎檢測器在第一代基礎上發(fā)展起來(lái)，這是一種放在兩個(gè)金屬叉之間的小鋼球組成的裝置，當玻璃被撞擊（有震動(dòng)，但不一定破碎），裝置檢測到震動(dòng)發(fā)出報警；后來(lái)改良使用加速度傳感器來(lái)檢測震動(dòng)，但依然屬于檢測玻璃被撞擊時(shí)的震動(dòng)，可以歸結為震動(dòng)報警：

第二代震動(dòng)報警檢測器

缺點(diǎn)：

第二代震動(dòng)報警檢測器相較第一代檢測器改善了漏報問(wèn)題，但誤報率極高，往往窗外有重車(chē)經(jīng)過(guò)，都可能觸發(fā)報警。

》 第三代玻璃破碎檢測器：全頻率聲音報警

后來(lái)，人們根據玻璃破碎時(shí)發(fā)出的高頻聲音，研發(fā)了超聲波檢測高頻聲音的檢測裝置。有研發(fā)機構在對比了數以千計不同大小及型號的玻璃窗破碎聲音: 薄玻璃、嵌絲玻璃、平板玻璃、鋼化玻璃、鍍膜玻璃等，每一次玻璃破碎聲音都被記錄和分析, 工程師們發(fā)現玻璃破碎時(shí)將產(chǎn)生兩種完全不同的聲頻。敲擊玻璃時(shí)玻璃變形并產(chǎn)生一個(gè)低頻波形, 即變形信號, 當玻璃真正破碎時(shí)則產(chǎn)生一個(gè)高頻波形, 此規律適用于每一次玻璃破碎而與玻璃的大小和型號無(wú)關(guān)。因此加入了玻璃被撞擊時(shí)發(fā)出的超低頻聲音檢測，最終形成第三代玻璃破碎檢測器。

第三代聲音報警檢測器

第三代聲音報警檢測器，發(fā)展到全頻率聲音檢測階段，誤報率大幅下降，適用于大部分場(chǎng)合，但電路設計非常復雜，麥克風(fēng)一般使用駐極體電容麥克風(fēng)，模擬信號處理方面需要經(jīng)過(guò)帶通濾波器，門(mén)檻增益限定放大器等等，再轉換成數字信號進(jìn)入主控器進(jìn)行處理判斷，如下圖：

第三代聲音報警檢測器信號處理框圖

缺點(diǎn)：

除了電路復雜，成本高居之外，在某些商業(yè)或家居環(huán)境下，環(huán)境聲音很有可能同時(shí)出現類(lèi)似于玻璃破碎時(shí)的低頻、高頻聲音，例如聽(tīng)音樂(lè )的同時(shí)輕拍桌子產(chǎn)生相當概率觸發(fā)報警，且日常家居中低頻、高頻聲音發(fā)生的概率高。

》 第四代聲音報警檢測器：雙條件報警檢測器

由此研發(fā)人員將第三代和第二代檢測器融合在一起，需要檢測器同時(shí)檢測到有全頻聲音和玻璃震動(dòng)方可觸發(fā)報警，由此形成第四代雙條件報警檢測器：

第四代雙條件報警檢測器

缺點(diǎn)：

第四代雙條件報警檢測器經(jīng)過(guò)改良誤報率達到了比較理想的狀態(tài)，但電路設計更加復雜，成本也更高，其致命缺點(diǎn)是：安裝復雜且每一塊玻璃都得裝一塊檢測器。

第四代雙條件報警檢測器信號處理框圖

目前市場(chǎng)第三代全頻聲音檢測器和第四代雙條件檢測器共存，原因就在于這兩種方案都無(wú)法獨立滿(mǎn)足所有應用場(chǎng)合，客戶(hù)只能基于產(chǎn)品的應用場(chǎng)景經(jīng)常不同選擇。

》 第五代新型雙條件報警檢測器

Infineon公司從玻璃破碎時(shí)發(fā)生的各種傳感特征，以真實(shí)敲碎各種型號的玻璃進(jìn)行數據記錄和分析，結合自身公司傳感器產(chǎn)品，推出了第五代新型雙條件報警檢測方案：采用全頻率聲音檢測，同時(shí)摒棄震動(dòng)檢測這種安裝限制性較大的方法，改為檢測玻璃破碎時(shí)會(huì )同時(shí)引發(fā)的氣壓變化來(lái)做第二個(gè)檢測條件，通過(guò)大量實(shí)驗數據分析，提煉出較為合理的檢測和數據分析算法，由此得到不誤報和不漏報的理想效果。

第五代新型雙條件報警檢測器

檢測氣壓變化，解決了震動(dòng)檢測需要的安裝問(wèn)題；同時(shí)采用Infineon公司的數字硅麥IM69D130，PDM接口，信噪比高，集成了前端放大器，模數轉換器，可以從采集到的數字數據中分解出高頻數據和低頻數據，無(wú)需在外圍增加帶通濾波器，解決了第三代全頻聲音檢測的復雜電路問(wèn)題和成本高居的問(wèn)題。

采用Infineon公司的氣壓傳感芯片DPS310，精度高，可以檢測到5cm的氣壓變化，完全可以檢測出玻璃破碎或入侵引起的氣壓變化，數字數據還可以判斷出入侵方向，從而減少誤判；貝能?chē)H為該方案選用了Microchip公司的主控芯片ATSAMG55J19B平臺，該MCU為ARM Cortex-M4內核，帶浮點(diǎn)處理單元，可以無(wú)縫運行Infineon公司為數據分析和處理所做的算法，同時(shí)帶PDM接口，無(wú)需轉換芯片即可直接驅動(dòng)數字硅麥，整個(gè)檢測器電路非常簡(jiǎn)潔、性?xún)r(jià)比高，一舉解決了目前市場(chǎng)第三代和第四代檢測器存在的所有問(wèn)題。

》 方案介紹

  該方案主控對采集到的音頻數據和氣壓數據進(jìn)行復雜的數字信號處理（DSP），包括氣壓和音頻歷史數據環(huán)形堆列，分頻去燥去混響和自動(dòng)增益控制，解決了距離問(wèn)題、噪音消除問(wèn)題；處理后產(chǎn)生的音頻數據流和氣壓數據流放入本地音頻和氣壓算法引擎，完成對各種事件的判斷，包括低頻音頻提示、高頻音頻提示、低頻高頻音頻同時(shí)提示、氣壓變化提示、玻璃破碎事件。在應用層，可以根據各種事件的提示，完成例如入侵提示，玻璃敲擊提示，玻璃破碎事件報警等等，提示事件的細分，為方案融入物聯(lián)網(wǎng)的應用提供了更多可能。

方案硬件框圖

由硬件框圖和實(shí)物可以看出，硬件主要以主控MCU、數字硅麥和氣壓傳感芯片為主，無(wú)需任何運放和其他芯片，節省了成本，且一致性超好，無(wú)需進(jìn)行硬件調試。

主控MCU ATSAMG55J19基于A(yíng)RM Cortex-M4核 MCU帶浮點(diǎn)單元，工作頻率可達120 MHz；512K的Flash空間，高達176K SRAM；豐富的外設為集成化設計提供了便利，內部集成的PDM接口加外設DMA通道（PDC）可以快速采集數字硅麥數據并傳到內存空間而不需要CPU參與；IIC接口加外設DMA通道（PDC）可以快速采集氣壓數據并傳到內存空間而不需要CPU參與。

而外設驅動(dòng)在Microchip公司提供的開(kāi)發(fā)工具Atmel Studio中直接提供，無(wú)需進(jìn)行底層軟件開(kāi)發(fā)，非常方便：

數字硅麥芯片IM69D130優(yōu)勢性能：

輸出優(yōu)質(zhì)音頻原始數據，非常適于利用主控MCU的DSP和FPU單元以及Infineon公司提供的高級音頻信號處理算法進(jìn)行處理，從而可以鑒別出真正玻璃破碎時(shí)的高低頻聲音特征。

聲壓級128dB，可以實(shí)現遠場(chǎng)和耳語(yǔ)音拾音性能，為產(chǎn)品靈敏度的分級提供硬件基礎

信噪比達到69dB，極低失真率在1%以?xún)?，可以輕松濾除環(huán)境白噪音的影響。

封裝為表貼，尺寸小，高度集成，外圍電路簡(jiǎn)單，無(wú)需硬件調試，結構簡(jiǎn)單，有利于防潮防塵。

氣壓傳感芯片DPS310優(yōu)勢性能：

壓力：300-1200hPa，溫度：-40  -  85°C，檢測范圍寬，不受產(chǎn)品使用地域影響

壓力傳感器精度：±0.005 hPa（或±0.05 m）（高精度模式），精度高，為產(chǎn)品靈敏度調節提供基礎，可以令產(chǎn)品適應各種應用場(chǎng)景

I2C和SPI（都帶有可選中斷），主控接口可以靈活處理，為低功耗處理提供基礎

軟件上除了無(wú)需進(jìn)行底層驅動(dòng)外，也為增加穩定性采用了環(huán)形數據堆列，很好地消除了安裝位置的水平高度的影響，以下是實(shí)現這一功能的代碼：

int cbuff_enqueue(cbuff_t *buff, unsigned char *dat, int len) {

// Assume everything will be queued

int ret = 0;

register int end = buff->end;

register int size = buff->size;

// No room at the inn

if (cbuff_isfull(buff)) {

return len;

}

// Not enough space in the buffer

if (buff->remain < len) {

ret = len - buff->remain;

len = buff->remain;

}

// Update counters before len is modified in the for-loop

buff->cnt += len;

buff->remain -= len;

for (; len > 0; len--) {

// Copy byte

buff->buff[end++] = *(dat++);

// Wrap around if need be

if (end >= size) {

end = 0;

}

}

// Update buffer with new end value

buff->end = end;

return ret;

}

 》方案主要參數驗證

傳統全頻聲音檢測方案采用的大多是駐極體麥克風(fēng)，尺寸大，且采集進(jìn)來(lái)的是模擬信號，所以需要有各種信號處理電路，增加硬件的不一致性，需要進(jìn)行硬件參數調節，本方案采用的是數字硅麥芯片，簡(jiǎn)化了電路，可以做到良好的一致性，有效還原原聲，我們可以在實(shí)驗室進(jìn)行驗證此項性能：利用一個(gè)音域較廣的音箱播放1KHz的聲波，距離音箱20cm的地方放上我們的數字硅麥，設置采樣頻率為16KHz，位數為16bits，每次采集滿(mǎn)160個(gè)sample通過(guò)PDC傳回緩沖區，再將緩沖區的數據通過(guò)調試串口傳回PC，還原成波形，看是否能還原成1K Hz的聲波，采集數據的部分代碼如下：

for(num=0;num<160;num++){  //only for test

uart_printf("PDMvalue[%d]=%drn",num,audio_buffer[buffer_index][num]);

}

/* Toggle which buffer to fill */

buffer_index ^= 1;

/* Configure PDC to fill next buffer */

init_pdc();

/* Re-enable interrupt */

pdm_enable_interrupt(&pdm, PDMIC_INTERRUPT_SRC_TRANSFER_END);

經(jīng)過(guò)驗證，如下為傳回的數據波形：

我們采集了160個(gè)sample后使用串口傳回，為了簡(jiǎn)便（因為真實(shí)產(chǎn)品中是不需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)回傳數據的），在傳回數據時(shí)沒(méi)有開(kāi)啟繼續采集，傳完數據后再開(kāi)啟采集，但我們可以看到16KHz的采樣率，即1KHz的波形，每個(gè)周期有16個(gè)sample，160個(gè)數據完整還原10個(gè)周期，上圖所標10個(gè)波形是真實(shí)采集到的波形，很好地還原了1K Hz的波形，所以驗證了數字硅麥能夠很好地完成駐極體麥克風(fēng)加上各種信號處理電路能實(shí)現的功能。

而數字硅麥由于高度集成，一致性好，尺寸小，還可以完成傳統駐極體麥克風(fēng)加各種信號處理電路無(wú)法實(shí)現的功能，譬如驗證客戶(hù)的結構是否對聲音采集有影響，應該如何改良結構，我們可以簡(jiǎn)單驗證此項功能：

市場(chǎng)常見(jiàn)智能家居安防采用的結構件 

我們采用如上硬件組成來(lái)測試結構件的影響，并使用免費的室內聲學(xué)和音頻測量軟件REW來(lái)對比有無(wú)結構件的影響，如下圖對比：

從測量軟件得到測試數據：

從測量結果知道，裸板測試（紅色線(xiàn)），性能作為標桿；完全將硅麥收音口封住，其性能變得非常差（藍色線(xiàn)），這個(gè)是符合常理的；而將結構件加入時(shí)（未開(kāi)孔的，其實(shí)是將原開(kāi)孔處塞住，褐色線(xiàn)），在1K—2K處相對衰減比較大，后面高頻部分也有部分衰減；當把結構件側邊開(kāi)三個(gè)小孔（綠色線(xiàn)）（開(kāi)孔位置見(jiàn)帶結構件測試圖），基本跟裸板性能一樣，達到改良的目的。

同樣，氣壓檢測也可以通過(guò)類(lèi)似的辦法進(jìn)行結構件改良，使用的是Infineon公司的Sensor Evaluation Software，參考如下：