基于MEMS芯片實現(xiàn)周界入侵報警系統(tǒng)

摘要：近些年隨著安防報警技術(shù)的不斷進步，各種依附于固體防護結(jié)構(gòu)上的電子周界探測系統(tǒng)不斷推陳出新，從最開始的主動紅外探測技術(shù)、電子脈沖放電探測技術(shù)，一直發(fā)展到現(xiàn)在有各種各樣針對不同應(yīng)用需求的特定周界防護系統(tǒng)，這其中就包含依附于金屬編花或者焊絲圍網(wǎng)上的振動探測系統(tǒng)。基于振動檢測的周界入侵系統(tǒng)有很多種：震動電纜、光纖干涉、慣性振動等等，本文重點闡述利用MEMS芯片傳感技術(shù)實現(xiàn)的振動探測周界入侵報警系統(tǒng)。

　　微電子機械系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical Systems，MEMS)是解決傳感器微型化的關(guān)鍵技術(shù)，簡單來說，其工作原理是外部環(huán)境物理、化學(xué)和生物等信號輸入，通過微傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號處理(模擬信號或數(shù)字信號)后，由微執(zhí)行器執(zhí)行動作，達到與外部環(huán)境“互動”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(tǒng)通常指對某一線狀邊界(如重要區(qū)域的圍墻)進行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有非法通過該邊界的行為時產(chǎn)生報警，以實現(xiàn)對目標區(qū)域的監(jiān)測保護。周界入侵報警系統(tǒng)會使用戶的安全防范管理變的非常簡單，它在柵欄上形成一道電子防線，一天24小時不間斷工作，一旦有入侵行為發(fā)生，系統(tǒng)會立刻給出報警信號，通知值班人員。這樣可以節(jié)省人力、物力和財力，最關(guān)鍵的是系統(tǒng)可以降低值班人員的勞動強度，使安保人員時刻保持高度注意力，有效屏蔽巡邏值班人員因為疏忽疲憊造成的周界漏洞。近些年隨著安防報警技術(shù)的不斷進步，各種依附于固體防護結(jié)構(gòu)上的電子周界探測系統(tǒng)不斷推陳出新，從最開始的主動紅外探測技術(shù)、電子脈沖放電探測技術(shù)，一直發(fā)展到現(xiàn)在有各種各樣針對不同應(yīng)用需求的特定周界防護系統(tǒng)，這其中就包含依附于金屬編花或者焊絲圍網(wǎng)上的振動探測系統(tǒng)?；谡駝訖z測的周界入侵系統(tǒng)有很多種：震動電纜、光纖干涉、慣性振動等等，本文重點闡述利用MEMS芯片傳感技術(shù)實現(xiàn)的振動探測周界入侵報警系統(tǒng)。

　　基于MEMS芯片的周界探測系統(tǒng)構(gòu)成

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

　　基于MEMS芯片的振動傳感器-ViSEN

　　振動傳感器ViSEN基于一個3軸加速度傳感器芯片，外部環(huán)境輸入(振動)導(dǎo)致MEMS芯片XYZ軸加速度值發(fā)生變化，振動傳感器ViSEN上的傳感處理器芯片采集到加速度變化信息，經(jīng)過多重算法過濾掉干擾，將告警信息通過數(shù)字通信組件傳遞出去。由于MEMS芯片能提供3軸持續(xù)穩(wěn)定可靠的振動數(shù)據(jù)，我們可以實現(xiàn)多維度算法綜合分析，確保系統(tǒng)穩(wěn)定準確工作，值班人員不會為“狼來了”這樣的誤報疲于應(yīng)付。

　　傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感處理器是核心組件，它負責(zé)采集加速度變化狀態(tài)信息，經(jīng)過5D算法，形成對入侵告警的初步判斷，然后將告警信息通過數(shù)字通信組件發(fā)送出去。傳感處理器也可以通過數(shù)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(shè)置不同參數(shù)，提高傳感器的適應(yīng)性。

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

　　建立系統(tǒng)形成傳感器網(wǎng)絡(luò)

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

　　在ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中，振動傳感器ViSEN使用電池供電。只有在振動發(fā)生的時候傳感器才進入工作狀態(tài)，平時一直處于休眠狀態(tài)，這樣可以保證傳感器不換電池工作一年以上。在這個網(wǎng)絡(luò)中，所有的傳感器都是終端(End Point)設(shè)備，系統(tǒng)會在適當(dāng)?shù)牡攸c設(shè)置路由(Router)設(shè)備，最終都連接到協(xié)調(diào)處理設(shè)備VGM(Coordinator)上。

　　對于周界探測系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用的線狀邊界來說，用電纜連接的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)更加適合。系統(tǒng)通過感應(yīng)電纜將振動傳感器ViSEN串聯(lián)起來連接到現(xiàn)場控制主機VGM上，而后者通過電纜給傳感器供電和提供通信媒介。傳感器與現(xiàn)場控制主機間形成CAN總線連接，保證傳感器上的報警能夠及時主動上報到主機，幾乎可以實現(xiàn)零延遲報警。如果VGM主機采用RS485方式輪詢傳感器，一旦總線上連接的傳感器數(shù)量偏多，則可能產(chǎn)生的報警延遲會非常難以讓人接受。

圖1、傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

傳感器的控制和管理

　　系統(tǒng)通過綜合管理平臺軟件和現(xiàn)場控制主機來實現(xiàn)對傳感器的控制和管理。首先，不管是無線網(wǎng)絡(luò)還是有線網(wǎng)絡(luò)，傳感器ViSEN都連接到現(xiàn)場控制主機VGM上，現(xiàn)場控制主機實現(xiàn)傳感器配置、參數(shù)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讀寫現(xiàn)場控制主機實現(xiàn)對振動傳感器管理;最后，將告警以事件的方式呈現(xiàn)到界面上。

圖2、ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)圖

　　基于MEMS芯片的周界探測系統(tǒng)特點

　　經(jīng)過以上對基于MEMS振動傳感器周界報警系統(tǒng)的介紹，對比現(xiàn)有振動探測周界報警系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)了基于MEMS芯片的周界報警系統(tǒng)的一些特點。

　　全數(shù)字系統(tǒng)

　　微電子機械系統(tǒng)直接在芯片內(nèi)部實現(xiàn)外界激勵到輸出的轉(zhuǎn)換，而芯片正常工作時對外部條件的要求并不高，所以用MEMS芯片實現(xiàn)振動傳感要比光纜振動等傳統(tǒng)探測系統(tǒng)更容易控制和實現(xiàn)。

　　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(shù)字信號，所以整個傳感器對電源、通信和算法冗余性要求都不高，傳感器抗干擾能力強。傳統(tǒng)的振動電纜和光纜振動探測系統(tǒng)則需要經(jīng)過小信號放大、模擬信號采集等步驟之后才能實施探測算法，而這些過程必須對噪聲進行嚴格控制，否則直接導(dǎo)致算法準確率下降，影響周界系統(tǒng)最重要的指標：誤報率和漏報率。

圖3、電纜連接的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)圖

　　實現(xiàn)精準定位

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

　　一般情況下，一個網(wǎng)片安裝一臺傳感器，那么系統(tǒng)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(tǒng)融合的精準聯(lián)動。比如說在做周界報警的視頻聯(lián)動時，我們可以將每一片圍網(wǎng)的位置與攝像機預(yù)置位對應(yīng)，當(dāng)有告警時，直接根據(jù)告警傳感器地址調(diào)取攝像機預(yù)置位，快速將攝像機調(diào)整到告警發(fā)生位置。

　　傳統(tǒng)的光纜振動探測系統(tǒng)一般的定位精度都在100米左右，振動電纜的定位精度也在10米左右，攝像機只能聯(lián)動看整體圖像，真正發(fā)生入侵的點可能會因此而錯過，沒有及時看清楚入侵現(xiàn)場實際情況。

實現(xiàn)多角度傳感

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

　　傳統(tǒng)的震動電纜和光纜振動探測系統(tǒng)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個不同的域來綜合分析振動的算法。

　　F-Frequency Domain，從頻率域分析振動

　　不同振動的頻率分布不同，風(fēng)吹圍網(wǎng)產(chǎn)生的振動大部分是低頻振動;剪切圍網(wǎng)產(chǎn)生的振動大部分集中體現(xiàn)在高頻;攀爬產(chǎn)生的持續(xù)振動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

　　冰雹和雨滴打在圍網(wǎng)上產(chǎn)生的振動頻率分布和剪切類似，也體現(xiàn)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維度來分析，那就是振動強度。合理選擇強度門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，分析振動的相關(guān)性

　　將頻域率、強度域、空間域和時間域分析出來的振動特征做相關(guān)分析，進而實現(xiàn)全網(wǎng)級的融合感知與探測，由此提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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

　　傳感器沿線狀周界分布，現(xiàn)場控制主機利用分布在圍界不同位置的多種傳感器信息進行聯(lián)合分析，實現(xiàn)空間域的融合。

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

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

　　高度敏感準確

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

　　基于MEMS芯片的BG-VGS圍欄振動探測系統(tǒng)

　　BG-VGS 圍欄振動探測系統(tǒng)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(tǒng)中的一款，它由MEMS 振動傳感器ViSEN、現(xiàn)場控制主機VGM、干接點擴展模塊RPM(可選)以及報警控制軟件所組成。BG - VGS 圍欄振動探測系統(tǒng)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(jù)現(xiàn)場設(shè)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)。 振動探測傳感器ViSEN 可以布設(shè)在防區(qū)物理圍網(wǎng)的中間、立柱或墻體內(nèi)側(cè)，平均每1 到6 米一個，用于檢測各種入侵行為所引起的振動。每個現(xiàn)場控制器VGM 可以控制左右各最多不超過126個振動探測傳感器，既每個VGM在理論上可以控制最長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

　　通過軟件設(shè)置，在每個現(xiàn)場控制器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度的干接點子防區(qū)，最小防區(qū)可以設(shè)定為每個探測傳感器。

　　BG -VGS圍欄振動探測系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)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(wěn)定可靠的工作。

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

　　BG - VGS 圍欄振動探測系統(tǒng)擁有如下核心特點：

　　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(xù)振動;

　　用戶可設(shè)定探測參數(shù)，能適應(yīng)不同類型、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(qū)，如果每個小防區(qū)單獨干接點輸出，那么最多可劃分為12 個小防區(qū);如果不要求干接點輸出，那么軟件可以不受限制的任意劃分小防區(qū);

　　告警可以定位到每一個探測傳感器，每一片圍網(wǎng);

　　防區(qū)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(tǒng)提供串口和干接點對外通信方式，易于與第三方系統(tǒng)集成;

　　低功耗、低維護成本。

　　BG - VGS 圍欄振動探測系統(tǒng)能很好地過濾環(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，真正讓用戶體驗到敏感、準確、盡在掌握的感覺。