基于MEMS芯片實(shí)現(xiàn)周界入侵報(bào)警系統(tǒng)

摘要：近些年隨著安防報(bào)警技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種依附于固體防護(hù)結(jié)構(gòu)上的電子周界探測(cè)系統(tǒng)不斷推陳出新，從最開始的主動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)、電子脈沖放電探測(cè)技術(shù)，一直發(fā)展到現(xiàn)在有各種各樣針對(duì)不同應(yīng)用需求的特定周界防護(hù)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(dòng)探測(cè)系統(tǒng)。基于振動(dòng)檢測(cè)的周界入侵系統(tǒng)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(xiàn)的振動(dòng)探測(cè)周界入侵報(bào)警系統(tǒng)。

　　微電子機(jī)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(jiǎn)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(hào)輸入，通過微傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理(模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào))后，由微執(zhí)行器執(zhí)行動(dòng)作，達(dá)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(bào)警系統(tǒng)通常指對(duì)某一線狀邊界(如重要區(qū)域的圍墻)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有非法通過該邊界的行為時(shí)產(chǎn)生報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測(cè)保護(hù)。周界入侵報(bào)警系統(tǒng)會(huì)使用戶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，一天24小時(shí)不間斷工作，一旦有入侵行為發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)立刻給出報(bào)警信號(hào)，通知值班人員。這樣可以節(jié)省人力、物力和財(cái)力，最關(guān)鍵的是系統(tǒng)可以降低值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)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?yàn)槭韬銎v造成的周界漏洞。近些年隨著安防報(bào)警技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種依附于固體防護(hù)結(jié)構(gòu)上的電子周界探測(cè)系統(tǒng)不斷推陳出新，從最開始的主動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)、電子脈沖放電探測(cè)技術(shù)，一直發(fā)展到現(xiàn)在有各種各樣針對(duì)不同應(yīng)用需求的特定周界防護(hù)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(dòng)探測(cè)系統(tǒng)。基于振動(dòng)檢測(cè)的周界入侵系統(tǒng)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(xiàn)的振動(dòng)探測(cè)周界入侵報(bào)警系統(tǒng)。

　　基于MEMS芯片的周界探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

　　一般的周界探測(cè)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(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(dǎo)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(dòng)數(shù)據(jù)，我們可以實(shí)現(xiàn)多維度算法綜合分析，確保系統(tǒng)穩(wěn)定準(zhǔn)確工作，值班人員不會(huì)為“狼來了”這樣的誤報(bào)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(fù)責(zé)采集加速度變化狀態(tài)信息，經(jīng)過5D算法，形成對(duì)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(tái)軟件的配置信息，針對(duì)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(huì)對(duì)其所依附的圍網(wǎng)進(jìn)行感知，有效檢測(cè)攀爬產(chǎn)生的持續(xù)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(qiáng)烈振動(dòng)、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(dòng)的傳感器，我們需要形成一個(gè)系統(tǒng)將眾多傳感器上的告警信息收集起來，這個(gè)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(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(shè)備，系統(tǒng)會(huì)在適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)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(duì)于周界探測(cè)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(dòng)傳感器ViSEN串聯(lián)起來連接到現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)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(chǎng)控制主機(jī)間形成CAN總線連接，保證傳感器上的報(bào)警能夠及時(shí)主動(dòng)上報(bào)到主機(jī)，幾乎可以實(shí)現(xiàn)零延遲報(bào)警。如果VGM主機(jī)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(bào)警延遲會(huì)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(tái)軟件和現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)控制主機(jī)VGM上，現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)實(shí)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(tái)軟件通過讀寫現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)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(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)

　　經(jīng)過以上對(duì)基于MEMS振動(dòng)傳感器周界報(bào)警系統(tǒng)的介紹，對(duì)比現(xiàn)有振動(dòng)探測(cè)周界報(bào)警系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)了基于MEMS芯片的周界報(bào)警系統(tǒng)的一些特點(diǎn)。

　　全數(shù)字系統(tǒng)

　　微電子機(jī)械系統(tǒng)直接在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)外界激勵(lì)到輸出的轉(zhuǎn)換，而芯片正常工作時(shí)對(duì)外部條件的要求并不高，所以用MEMS芯片實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳感要比光纜振動(dòng)等傳統(tǒng)探測(cè)系統(tǒng)更容易控制和實(shí)現(xiàn)。

　　3軸加速度傳感芯片對(duì)外接口是IIC，傳感器上的處理器直接得到數(shù)字信號(hào)，所以整個(gè)傳感器對(duì)電源、通信和算法冗余性要求都不高，傳感器抗干擾能力強(qiáng)。傳統(tǒng)的振動(dòng)電纜和光纜振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)則需要經(jīng)過小信號(hào)放大、模擬信號(hào)采集等步驟之后才能實(shí)施探測(cè)算法，而這些過程必須對(duì)噪聲進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則直接導(dǎo)致算法準(zhǔn)確率下降，影響周界系統(tǒng)最重要的指標(biāo)：誤報(bào)率和漏報(bào)率。

圖3、電纜連接的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)圖

　　實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(gè)傳感器一個(gè)ID，如果某一個(gè)傳感器檢測(cè)的入侵報(bào)警，這個(gè)ID就可以隨著告警信息一起上傳到管理平臺(tái)，于是整個(gè)系統(tǒng)就有能力將報(bào)警定位到每一臺(tái)傳感器。

　　一般情況下，一個(gè)網(wǎng)片安裝一臺(tái)傳感器，那么系統(tǒng)就可以將報(bào)警定位在每一片圍網(wǎng)上，精準(zhǔn)的告警定位非常有利于多系統(tǒng)融合的精準(zhǔn)聯(lián)動(dòng)。比如說在做周界報(bào)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(jī)預(yù)置位對(duì)應(yīng)，當(dāng)有告警時(shí)，直接根據(jù)告警傳感器地址調(diào)取攝像機(jī)預(yù)置位，快速將攝像機(jī)調(diào)整到告警發(fā)生位置。

　　傳統(tǒng)的光纜振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)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(jī)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(cuò)過，沒有及時(shí)看清楚入侵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

實(shí)現(xiàn)多角度傳感

　　傳感器基于3軸加速度MEMS芯片實(shí)現(xiàn)，剪切圍網(wǎng)造成的振動(dòng)和攀爬圍網(wǎng)造成的振動(dòng)很容易就能通過強(qiáng)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(cè)功能實(shí)現(xiàn)圍網(wǎng)傾覆探測(cè)。

　　傳統(tǒng)的震動(dòng)電纜和光纜振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)分辨剪切還是攀爬的準(zhǔn)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(xiàn)在高頻;攀爬產(chǎn)生的持續(xù)振動(dòng)則正好處于前兩者之間。請(qǐng)看圖4-1、4-2、4-3示例。

　　I-Intensity Domain，從強(qiáng)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)頻率分布和剪切類似，也體現(xiàn)為高頻變化明顯。要屏蔽這些因?yàn)樘鞖庠虍a(chǎn)生的干擾就必須引入另一個(gè)維度來分析，那就是振動(dòng)強(qiáng)度。合理選擇強(qiáng)度門限或者在算法中加入強(qiáng)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(qiáng)度域、空間域和時(shí)間域分析出來的振動(dòng)特征做相關(guān)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)級(jí)的融合感知與探測(cè)，由此提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)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

　　傳感器沿線狀周界分布，現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)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(xiàn)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(nèi)計(jì)算振動(dòng)特性。

　　高度敏感準(zhǔn)確

　　對(duì)于使用微電子機(jī)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(shí)現(xiàn)靈敏感知又可得到準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)傳感器極低誤報(bào)率和漏報(bào)率。

　　基于MEMS芯片的BG-VGS圍欄振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)

　　BG-VGS 圍欄振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)是由北京深藍(lán)同創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的BG系列周界探測(cè)系統(tǒng)中的一款，它由MEMS 振動(dòng)傳感器ViSEN、現(xiàn)場(chǎng)控制主機(jī)VGM、干接點(diǎn)擴(kuò)展模塊RPM(可選)以及報(bào)警控制軟件所組成。BG - VGS 圍欄振動(dòng)探測(cè)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(cè)入侵者攀爬、破壞載體的入侵行為。探測(cè)電纜可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)制作成防護(hù)盒傳感器型或隱蔽纜型布防形式。報(bào)警定位精度最小可以達(dá)到1 米(取決于傳感器布防間距)。 振動(dòng)探測(cè)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(gè)，用于檢測(cè)各種入侵行為所引起的振動(dòng)。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器VGM 可以控制左右各最多不超過126個(gè)振動(dòng)探測(cè)傳感器，既每個(gè)VGM在理論上可以控制最長756米周界(標(biāo)準(zhǔn)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器VGM上可以任意組合、劃分所有的探測(cè)傳感器以形成任意不同長度的干接點(diǎn)子防區(qū)，最小防區(qū)可以設(shè)定為每個(gè)探測(cè)傳感器。

　　BG -VGS圍欄振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、低誤報(bào)，可以在風(fēng)霜、雨雪、濃霧、沙塵、高低溫等嚴(yán)酷環(huán)境下全天候穩(wěn)定可靠的工作。

　　BG - VGS 圍欄振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)非常適用于有圍網(wǎng)載體的基礎(chǔ)設(shè)施的防護(hù)，比如機(jī)場(chǎng)、軍事基地、能源設(shè)施、核電設(shè)施、重點(diǎn)文物保護(hù)，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(chǎng)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(shí)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(dòng)探測(cè)系統(tǒng)擁有如下核心特點(diǎn)：

　　獨(dú)創(chuàng)F.I.R.S.T 5D 算法;

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

　　用戶可設(shè)定探測(cè)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(jī)VGM 上的所有ViSEN可以由軟件劃分成小防區(qū)，如果每個(gè)小防區(qū)單獨(dú)干接點(diǎn)輸出，那么最多可劃分為12 個(gè)小防區(qū);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(qū);

　　告警可以定位到每一個(gè)探測(cè)傳感器，每一片圍網(wǎng);

　　防區(qū)控制主機(jī)VGM 具有防拆報(bào)警、低電壓報(bào)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(diǎn)對(duì)外通信方式，易于與第三方系統(tǒng)集成;

　　低功耗、低維護(hù)成本。

　　BG - VGS 圍欄振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)能很好地過濾環(huán)境變化產(chǎn)生的干擾，對(duì)剪切、攀爬和圍網(wǎng)傾覆判斷可靠準(zhǔn)確，真正讓用戶體驗(yàn)到敏感、準(zhǔn)確、盡在掌握的感覺。