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红外和超声波互补式入侵检测方法 针对移动目标的距离检测问题，提出了一种红外探测器与超声波传感器互补使用的距离测量方法。 组合使用 ２ 种不同类型的传感器，实现了 ２０ ｍ 范围内移动目标检测，使用红外探测器敏感较远目标并测量距离，使用超声波传感器实现近距离测量，并通过物联网模块上传入侵信息。 测量结果表明误差约为 ３.２％，对侵扰检测等应用场景具有参考意义。 ０ 引言 智能化、网络化的安防监测设备逐渐成为需求巨大、体系完备的行业，是物联网领域的一个热点应用方向［１］ 。 移动物体检测也被越来越多的工农业生产采用［２］ 。 入侵检测可以分为周界入侵检测和区域入侵检测 ２ 种［３］ 。 周界是指警戒区的外层防线，周界入侵检测一般对警戒区边界进行重点检测，多使用光纤、红外、泄漏电缆、电子脉冲等探测技术，这类检测虽然结果简单明确，但也存在维护成本高、误报率高等问题；区域入侵检测的界线比较模糊，大多针对某一区域进行扫描式观测，多采用微波雷达、视频监控等技术，这类技术可视化、交互性效果好，但技术壁垒较高、操作复杂［４－６］ 。 随着用户需求不断细分和深入，二者的界限也趋于模糊。 在农业领域需要一种有效的、智能化的区域入侵检测装置来监控和提示现场人员，并能够让管理者实时获取管理数据。 入侵检测装置应当具备操作简单、可靠耐用等特点。 为满足上述需求，本文把被动式红外探测器和超声波传感器结合，设计一种组合式的多鉴探测器［７］ 系统，并引入物联网模块，使系统具有远程、实时工作能力［８］ 。 １ 系统总体方案 图 １ 给出了系统的总体设计，其中红外探测器加装菲涅耳透镜以提高系统接收灵敏度，由后端处理电路完成探测信号的放大与采集；入侵目标较远时，由红外探测器进行距离测量；入侵目标接近到一定程度后，则启动超声波传感器完成测距；超声波传感器包含接收、发射两个探头，分别产生和接收一组连续脉冲序列，利用超声波传播速度恒定的特点实现距离测量；最后由 ＭＣＵ 把检测结果即时发送至客户端。 １.１ 基于红外热释电探测器的远距离测量 当移动热源目标出现在探测区域内，则会产生 ２个正负峰值，并且峰值的大小与距离的远近成反比关系。 由图 ２（ｂ）和图 ２（ ｃ）可知，当同一目标分别处在位置①、②、③时，敏感电压的峰值分别为 Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３。利用这个特点，可以对入侵目标进行距离测量。
探测器的输出 １.２ 基于超声波传感器的近距离测量 超声波测距有相位、声波幅值和渡越时间等 ３ 种检测方法，由于相位检测硬件成本高、声波幅值检测容易受反射波影响等缺点，本文使用渡越时间检测法。 图 ３ 给出了渡越时间检测原理，其中 Ｔ、Ｒ 分别表示发射端和接收端，若超声波的传播速度为 ｖ，传播时间为 Δｔ，则距离 Ｓ 可表示为
令传感器与入侵目标之间的测量距离为 Ｌ，接收端与发射端两组敏感探头间距的一半为 Ｈ，则有：
当 Ｌ 远远大于 Ｈ 时，则 Ｌ 可表示为
图 ３ 渡越时间检测原理 １.３ 加权平均距离获取方法 红外热释电探测器输出电压峰值的变化受探测距离影响较大，对１０ｍ 以上的测量线性度较好，在 ５~１０ ｍ 范围内，线性度变差，但仍能呈现出一定的正相关性，在５ｍ以下范围传感器达到饱和，输出电压峰值几乎不变。 由于超声波传感器量程大多在１０ｍ 左右，因此，结合２种传感器的特点，本文采用分段处理、加权计算的方法。 对于 ５ ｍ 以内的目标使用超声波传感器测量，对于 １２ ｍ 以上的目标使用红外热释电探测器测量，对于５ ～ １２ ｍ 范围的目标，对 ２ 种测量值进行加权处理，计算过程如式（４）所示：
２ 系统设计 利用红外热释电探测器对运动热源敏感的特点识别入侵目标，使用同相求和电路抵消本底输出电压，使用反相微分放大电路放大入侵信号，引入电压比较电路，将放大后的入侵信号与接近程度电压阈值比较，比较器的输出提供给 ＭＣＵ。 图 ４ 给出了红外探测部分的设计方案。 在无红外热源入侵时，红外探测器的本底输出电压约为 ０.７ Ｖ，有红外热源入侵时，输出电压波动幅度约为１０～４０ｍＶ。 因此，在图 ５ 电路结构中设计 Ｒ４、Ｒ５ 分压电路，可以根据红外热释电探测器特性及外围环境分压产生适当的求和电压（Ｖ＿ａｄｄ，约－０．７ Ｖ），将求和电压与探测器信号相加，即可得信号 Ｖ＿ＰＩＲ＿１。 由于 Ｖ＿ＰＩＲ＿１是一种红外探测器检测的运动信号，可将该信号传输至反向微分放大电路进行放大，以降低温度等外围环境的影响，同时将该信号连接至 ＭＣＵ 的 ＡＤ 输入端。在 Ｖ＿ＰＩＲ＿２ 信号传输至反向放大器之前，加入一级设计跟随器，以截掉反向求和可能产生的负电压，同时避免后续电路对前级产生影响。 在比较器的反向输入端添加可变电阻 Ｒ１１，可以调节电压阈值，从而调整识别距离。 比较器的输出信号（ Ｖ＿ＰＩＲ＿４） 传输至单片机，根据该信号 ＭＣＵ 使能超声波测距功能。 图 ５ 给出的红外探测处理电路依次包含同相求和放大、反相微分放大、射级跟随器、电压比较 ４ 部分。 ２.２ 超声波电路设计 当红外热释电源探测器的输出电压高于设定阈值时，ＭＣＵ 使能脉冲序列发生电路，产出一组 ４０ ｋＨｚ脉冲序列，每组包含 ８ 个脉冲，见图 ７。 并且脉冲序列组周期设定 ５００ ｍｓ，以保证各组脉冲互不影响。 如果脉冲波峰数量过少，发射强度小，易因外界因素造成波形失真［９］ 。 但脉冲波峰数量过多，则使整串波的长度不容忽视，而且在反射时整串波的前段可能被衰减，因此很难辨别回波是整串波的前段还是后段，在距离稍远时表现明显，而在近距离时，信号尚未发射完毕，回波已到达接收端，也严重影响测距。 实际脉冲波峰数量为 ８～１０ 时，可以获得良好的测距效果。 为提高量程，在图 ７ 电路中增加了脉冲整形电路，该部分由 ６ 个反相器和 ２ 个电容组成，其中 ４０ ｋＨｚ 方波信号分 ２ 路传输，一路经一级反向器传送至发射器的一个电极，另一路经两级方向后传输至另一个电极。 使用推挽输出方式将方波信号加到超声波发射探头两端，可以提高发射功率，并且 ２ 个反向器并联，以提高驱动能力。 经试验量程可达 ８ ｍ 以上。图 ８ 给出了超声波接收电路，调整电阻 Ｒ２１取值可以微调接收信号的中心频率，当取值为 ２００ ｋΩ 时，对应频率为 ４０ ｋＨｚ；更改电容 Ｃ９ 的大小可以调整接收灵敏度提高抗干扰能力；当 ＣＸ２０１０６Ａ 芯片接收到 ４０ ｋＨｚ信号时，即可生成低电平信号并传输至单片机。
图 ８ 超声波接收电路 ２.３ ＭＣＵ与通信电路 系统在初始化完成后，红外热释电探测器处于自动探测工作状态。 当检测到入侵目标，进入远距离测量模式。 当入侵目标逐渐接近，探测输出电压超出设定阈值时，ＭＣＵ 使能超声波测距电路，进入近距离测量模式。 ＭＣＵ 自动生成入侵日志文件，并将信息上传至服务终端，如图 ９ 所示。 同时，用户也可以设置若干关键检测点，使用短消息的形式把关键点检测信息即时传输至用户移动终端。 物联网模块采用商业化产品，并配置外置射频天线，可以保证数据传输的实时性和可靠性。 通信协议选择 ＭＱＴＴ网络传输协议，并使用 ＡＴ 指令直接与 ＭＣＵ 进行交互，以提高处理效率。 当 ＭＣＵ 使能超声波脉冲发射时，首先配置定时器使接收端为等待状态，延迟 １ms再行接收，这样可以避开接收盲区。
因此，由式（５） 的计算结果可知，ＭＣＵ 定时器分辨率至少应为 ２９ μｓ，为保证测量精度，把该指标提高一个数量级，系统 ＭＣＵ 晶振频率选择 １２ ＭＨｚ。 ３ 效果分析 根据表 ２ 测量数据，绘制红外热释电探测器的输出电压幅值和距离之间的关系， 由图可知，在距离小于 １０ ｍ 时，红外热释电探测器的输出电压幅值和测量距离线性度较差，若用于近距离测距分辨率较差；对于超过 １０ ｍ 的目标，两者呈现出良好的线性关系，使用表 ２ 给出的该部分测量数据进行拟合，可以得到式（６）： 使用式（６）可以实现 １０ ～ ３０ ｍ 范围的距离测量，测量误差小于 ０．１ｍ，效果如图 １１（ ｂ）所示，可以满足对于入侵目标的检测需求。
（ａ）５~３０ ｍ 范围内电压幅值的变化趋势
（ｂ）１０ ～ ３０ ｍ 范围内电压幅值的变化趋势 图 １１ 红外热释电探测器距离测量效果对于 １０ ｍ 以内的近距离目标系统选择使用超声波探测器进行测量。 设定入侵目标的接近程度阈值（电压）为 ３．６２ Ｖ，当红外探测器接收电路的输出电压超出该值，系统使能超声波测距。 由于 ５ ～ １２ ｍ 的测量区间接近超声波传感器距离测量上限，并且该区间也是红外热释电探测器输出电压幅值变化敏感程度逐渐降低的区域，因此采用分段处理的方法来求解距离，如式（４） 和表 １ 所示。 ＭＣＵ处理中，２ 种传感器均采取多次连续测量取平均值的方法，５ 次测量为 １ 组，并把每组数据的最大值和最小值剔除，然后再采用加权求均值的方式确定该次测量的最终结果。 为了更好地验证系统效果，本文分别设计了静止目标测试和移动目标测试 ２ 组实验来验证入侵超声波传感电路的工作情况，这里的移动目标是指人以 １ ｍ ／ ｓ 的速度从检测范围经过。 对于 ２ 种测试实验方式，均可把测量值与设定值比较以获得测量误差，如式（７）所示：
式中：ε、ｄｍｅａ、ｄｓｅｔ分别为误差、测量值和实际设定值。图 １２ 和图 １３ 分别给出了 ２ 种实验结果。 由图 １２ 给出的静止目标测试结果可知，在目标距离小于 ０.３ｍ 时，测量误差超过 ５％，这是由于超声波传感器本身的测量盲区所致；目标距离在 ０.３ ～ １５ ｍ时，误差一般小于２％；目标距离在 １７ ｍ 以上时，误差呈现较为明显的增大趋势，但最大也不超过 ３.２％。 图 １３ 给出了移动目标的测试情况，此时人以 １ ｍ／ｓ的速度从系统测量范围内经过时，此时的试验曲线趋势和静止目标类似，总体误差在 ４％以内；但粗大误差明显增多，并且整体精度指标也略有减少。 当 ＭＣＵ 检测到入侵事件后，装置可以自动配置物联网模块，完成数据传输。 ４ 结论 本文所设计的移动物体监测装置，由红外探测器、超声波传感器、物联网模块等组成，可以对入侵目标（人或动物）自动检测并传递信息，系统工作可靠、信息传递及时，并且操作简单、适用性强。 参考文献： ［４］ 文灵．多传感器融合技术在周界安防中的应用分析［ Ｊ］．中国新技术新产品，２０１７（８）：１４２－１４３． 班宁产品汇总 |
