【貝能?chē)?guó)際】新型雙條件玻璃破碎檢測(cè)方案

玻璃破碎檢測(cè)方案已經(jīng)發(fā)展一定年頭，主要用來(lái)檢測(cè)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(jiān)控設(shè)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(cè)方案主要分為兩種，其一是檢測(cè)敲擊玻璃時(shí)發(fā)出的低頻聲音時(shí)檢測(cè)玻璃破碎發(fā)出的高頻聲音；其二為檢測(cè)玻璃破碎時(shí)發(fā)出的高頻聲音同時(shí)檢測(cè)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(xiàn)的概率不低，第一種方案會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)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)?guó)際以此需求為牽引，開(kāi)發(fā)出全新雙條件玻璃破碎檢測(cè)方案，同時(shí)檢測(cè)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(xiàn)有方案的缺陷。

貝能?chē)?guó)際新型玻璃破碎檢測(cè)方案以氣壓變化檢測(cè)和全頻率聲音檢測(cè)的方式，安裝方便、一對(duì)多玻璃破碎檢測(cè)且玻璃破碎特征把握準(zhǔn)確，不易為環(huán)境聲音干擾。

新型玻璃破碎檢測(cè)方案基于Microchip公司ATSAMG55系列MCU內(nèi)部集成的PDM外設(shè)連接Infineon公司的數(shù)字硅麥芯片IM69D130及氣壓檢測(cè)芯片DPS310實(shí)現(xiàn)的氣壓、聲音雙檢測(cè)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(cè)方案亦同樣可行。

市場(chǎng)常見(jiàn)玻璃破碎檢測(cè)方案

》 第一代玻璃破碎檢測(cè)器：開(kāi)路報(bào)警

人們最初對(duì)窗戶的防范不能算嚴(yán)格意義的玻璃破碎防范，只是在窗口安裝一個(gè)有細(xì)金屬絲串成的網(wǎng)，這些網(wǎng)會(huì)形成回路，當(dāng)有人破窗而入時(shí)，因回路破壞而形成開(kāi)路報(bào)警。由于放了金屬網(wǎng)，窗戶十分難打開(kāi)，這個(gè)檢測(cè)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(dá)到開(kāi)路警報(bào)；這種檢測(cè)辦法雖后續(xù)多次改進(jìn)，但都可以歸結(jié)為開(kāi)路報(bào)警，為第一代玻璃破碎檢測(cè)器：

第一代開(kāi)路報(bào)警檢測(cè)器

缺點(diǎn)：

第一代開(kāi)路報(bào)警檢測(cè)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(bào)警，存在嚴(yán)重的漏報(bào)問(wèn)題。

》 第二代玻璃破碎檢測(cè)器:震動(dòng)報(bào)警檢測(cè)器

第二代玻璃破碎檢測(cè)器在第一代基礎(chǔ)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(dāng)玻璃被撞擊（有震動(dòng)，但不一定破碎），裝置檢測(cè)到震動(dòng)發(fā)出報(bào)警；后來(lái)改良使用加速度傳感器來(lái)檢測(cè)震動(dòng)，但依然屬于檢測(cè)玻璃被撞擊時(shí)的震動(dòng)，可以歸結(jié)為震動(dòng)報(bào)警：

第二代震動(dòng)報(bào)警檢測(cè)器

缺點(diǎn)：

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

》 第三代玻璃破碎檢測(cè)器：全頻率聲音報(bào)警

后來(lái)，人們根據(jù)玻璃破碎時(shí)發(fā)出的高頻聲音，研發(fā)了超聲波檢測(cè)高頻聲音的檢測(cè)裝置。有研發(fā)機(jī)構(gòu)在對(duì)比了數(shù)以千計(jì)不同大小及型號(hào)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(xiàn)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(hào), 當(dāng)玻璃真正破碎時(shí)則產(chǎn)生一個(gè)高頻波形, 此規(guī)律適用于每一次玻璃破碎而與玻璃的大小和型號(hào)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(cè)，最終形成第三代玻璃破碎檢測(cè)器。

第三代聲音報(bào)警檢測(cè)器

第三代聲音報(bào)警檢測(cè)器，發(fā)展到全頻率聲音檢測(cè)階段，誤報(bào)率大幅下降，適用于大部分場(chǎng)合，但電路設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，麥克風(fēng)一般使用駐極體電容麥克風(fēng)，模擬信號(hào)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入主控器進(jìn)行處理判斷，如下圖：

第三代聲音報(bào)警檢測(cè)器信號(hào)處理框圖

缺點(diǎn)：

除了電路復(fù)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(xiàn)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(dāng)概率觸發(fā)報(bào)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(bào)警檢測(cè)器：雙條件報(bào)警檢測(cè)器

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

第四代雙條件報(bào)警檢測(cè)器

缺點(diǎn)：

第四代雙條件報(bào)警檢測(cè)器經(jīng)過(guò)改良誤報(bào)率達(dá)到了比較理想的狀態(tài)，但電路設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，成本也更高，其致命缺點(diǎn)是：安裝復(fù)雜且每一塊玻璃都得裝一塊檢測(cè)器。

第四代雙條件報(bào)警檢測(cè)器信號(hào)處理框圖

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

》 第五代新型雙條件報(bào)警檢測(cè)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(hào)的玻璃進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析，結(jié)合自身公司傳感器產(chǎn)品，推出了第五代新型雙條件報(bào)警檢測(cè)方案：采用全頻率聲音檢測(cè)，同時(shí)摒棄震動(dòng)檢測(cè)這種安裝限制性較大的方法，改為檢測(cè)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(cè)條件，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提煉出較為合理的檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析算法，由此得到不誤報(bào)和不漏報(bào)的理想效果。

第五代新型雙條件報(bào)警檢測(cè)器

檢測(cè)氣壓變化，解決了震動(dòng)檢測(cè)需要的安裝問(wèn)題；同時(shí)采用Infineon公司的數(shù)字硅麥IM69D130，PDM接口，信噪比高，集成了前端放大器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以從采集到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中分解出高頻數(shù)據(jù)和低頻數(shù)據(jù)，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(cè)的復(fù)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(cè)到5cm的氣壓變化，完全可以檢測(cè)出玻璃破碎或入侵引起的氣壓變化，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)還可以判斷出入侵方向，從而減少誤判；貝能?chē)?guó)際為該方案選用了Microchip公司的主控芯片ATSAMG55J19B平臺(tái)，該MCU為ARM Cortex-M4內(nèi)核，帶浮點(diǎn)處理單元，可以無(wú)縫運(yùn)行Infineon公司為數(shù)據(jù)分析和處理所做的算法，同時(shí)帶PDM接口，無(wú)需轉(zhuǎn)換芯片即可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字硅麥，整個(gè)檢測(cè)器電路非常簡(jiǎn)潔、性價(jià)比高，一舉解決了目前市場(chǎng)第三代和第四代檢測(cè)器存在的所有問(wèn)題。

》 方案介紹

  該方案主控對(duì)采集到的音頻數(shù)據(jù)和氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理（DSP），包括氣壓和音頻歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流和氣壓數(shù)據(jù)流放入本地音頻和氣壓算法引擎，完成對(duì)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(yīng)用層，可以根據(jù)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(bào)警等等，提示事件的細(xì)分，為方案融入物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)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(shù)字硅麥和氣壓傳感芯片為主，無(wú)需任何運(yùn)放和其他芯片，節(jié)省了成本，且一致性超好，無(wú)需進(jìn)行硬件調(diào)試。

主控MCU ATSAMG55J19基于ARM Cortex-M4核 MCU帶浮點(diǎn)單元，工作頻率可達(dá)120 MHz；512K的Flash空間，高達(dá)176K SRAM；豐富的外設(shè)為集成化設(shè)計(jì)提供了便利，內(nèi)部集成的PDM接口加外設(shè)DMA通道（PDC）可以快速采集數(shù)字硅麥數(shù)據(jù)并傳到內(nèi)存空間而不需要CPU參與；IIC接口加外設(shè)DMA通道（PDC）可以快速采集氣壓數(shù)據(jù)并傳到內(nèi)存空間而不需要CPU參與。

而外設(shè)驅(qū)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(shù)字硅麥芯片IM69D130優(yōu)勢(shì)性能：

輸出優(yōu)質(zhì)音頻原始數(shù)據(jù)，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(jí)音頻信號(hào)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(jí)128dB，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)和耳語(yǔ)音拾音性能，為產(chǎn)品靈敏度的分級(jí)提供硬件基礎(chǔ)

信噪比達(dá)到69dB，極低失真率在1%以內(nèi)，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(diào)試，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于防潮防塵。

氣壓傳感芯片DPS310優(yōu)勢(shì)性能：

壓力：300-1200hPa，溫度：-40  -  85°C，檢測(cè)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(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)，可以令產(chǎn)品適應(yīng)各種應(yīng)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(chǔ)

軟件上除了無(wú)需進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)外，也為增加穩(wěn)定性采用了環(huán)形數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)驗(yàn)證

傳統(tǒng)全頻聲音檢測(cè)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(hào)，所以需要有各種信號(hào)處理電路，增加硬件的不一致性，需要進(jìn)行硬件參數(shù)調(diào)節(jié)，本方案采用的是數(shù)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(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證此項(xiàng)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(shù)字硅麥，設(shè)置采樣頻率為16KHz，位數(shù)為16bits，每次采集滿160個(gè)sample通過(guò)PDC傳回緩沖區(qū)，再將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)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(shù)據(jù)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(yàn)證，如下為傳回的數(shù)據(jù)波形：

我們采集了160個(gè)sample后使用串口傳回，為了簡(jiǎn)便（因?yàn)檎鎸?shí)產(chǎn)品中是不需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)回傳數(shù)據(jù)的），在傳回?cái)?shù)據(jù)時(shí)沒(méi)有開(kāi)啟繼續(xù)采集，傳完數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)完整還原10個(gè)周期，上圖所標(biāo)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(yàn)證了數(shù)字硅麥能夠很好地完成駐極體麥克風(fēng)加上各種信號(hào)處理電路能實(shí)現(xiàn)的功能。

而數(shù)字硅麥由于高度集成，一致性好，尺寸小，還可以完成傳統(tǒng)駐極體麥克風(fēng)加各種信號(hào)處理電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，譬如驗(yàn)證客戶的結(jié)構(gòu)是否對(duì)聲音采集有影響，應(yīng)該如何改良結(jié)構(gòu)，我們可以簡(jiǎn)單驗(yàn)證此項(xiàng)功能：

市場(chǎng)常見(jiàn)智能家居安防采用的結(jié)構(gòu)件 

我們采用如上硬件組成來(lái)測(cè)試結(jié)構(gòu)件的影響，并使用免費(fèi)的室內(nèi)聲學(xué)和音頻測(cè)量軟件REW來(lái)對(duì)比有無(wú)結(jié)構(gòu)件的影響，如下圖對(duì)比：

從測(cè)量軟件得到測(cè)試數(shù)據(jù)：

從測(cè)量結(jié)果知道，裸板測(cè)試（紅色線），性能作為標(biāo)桿；完全將硅麥?zhǔn)找艨诜庾?，其性能變得非常差（藍(lán)色線），這個(gè)是符合常理的；而將結(jié)構(gòu)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），在1K—2K處相對(duì)衰減比較大，后面高頻部分也有部分衰減；當(dāng)把結(jié)構(gòu)件側(cè)邊開(kāi)三個(gè)小孔（綠色線）（開(kāi)孔位置見(jiàn)帶結(jié)構(gòu)件測(cè)試圖），基本跟裸板性能一樣，達(dá)到改良的目的。

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