【貝能國際】新型雙條件玻璃破碎檢測方案

玻璃破碎檢測方案已經發(fā)展一定年頭，主要用來檢測家庭住宅或商業(yè)樓宇門窗玻璃的破損情況。此類方案也可歸類為一種監(jiān)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發(fā)出的低頻聲音時檢測玻璃破碎發(fā)出的高頻聲音；其二為檢測玻璃破碎時發(fā)出的高頻聲音同時檢測敲擊玻璃時產生的震動。由于家庭或商業(yè)環(huán)境存在各種聲音，高低頻聲音同時出現的概率不低，第一種方案會出現誤報的問題；第二種方案則必須有傳感器吸附在玻璃上。貝能國際以此需求為牽引，開發(fā)出全新雙條件玻璃破碎檢測方案，同時檢測敲擊玻璃時發(fā)出的低頻聲音、玻璃破碎時發(fā)出的高頻聲音以及玻璃破碎時帶來的壓力變化，一舉解決市面上現有方案的缺陷。

貝能國際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實現的氣壓、聲音雙檢測方案來做探討。除商業(yè)、家居外，汽車安防采用這種雙檢測方案亦同樣可行。

市場常見玻璃破碎檢測方案

》 第一代玻璃破碎檢測器：開路報警

人們最初對窗戶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有細金屬絲串成的網，這些網會形成回路，當有人破窗而入時，因回路破壞而形成開路報警。由于放了金屬網，窗戶十分難打開，這個檢測方法稍后得到改進，玻璃邊緣貼了1厘米寬的鋁箔帶，鋁箔帶形成回路，破窗達到開路警報；這種檢測辦法雖后續(xù)多次改進，但都可以歸結為開路報警，為第一代玻璃破碎檢測器：

第一代開路報警檢測器

缺點：

第一代開路報警檢測器原理簡單，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，不能形成開路報警，存在嚴重的漏報問題。

》 第二代玻璃破碎檢測器:震動報警檢測器

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

第二代震動報警檢測器

缺點：

第二代震動報警檢測器相較第一代檢測器改善了漏報問題，但誤報率極高，往往窗外有重車經過，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，人們根據玻璃破碎時發(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)現玻璃破碎時將產生兩種完全不同的聲頻。敲擊玻璃時玻璃變形并產生一個低頻波形, 即變形信號, 當玻璃真正破碎時則產生一個高頻波形, 此規(guī)律適用于每一次玻璃破碎而與玻璃的大小和型號無關。因此加入了玻璃被撞擊時發(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，適用于大部分場合，但電路設計非常復雜，麥克風一般使用駐極體電容麥克風，模擬信號處理方面需要經過帶通濾波器，門檻增益限定放大器等等，再轉換成數字信號進入主控器進行處理判斷，如下圖：

第三代聲音報警檢測器信號處理框圖

缺點：

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出現類似于玻璃破碎時的低頻、高頻聲音，例如聽音樂的同時輕拍桌子產生相當概率觸發(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，需要檢測器同時檢測到有全頻聲音和玻璃震動方可觸發(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：

第四代雙條件報警檢測器經過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法獨立滿足所有應用場合，客戶只能基于產品的應用場景經常不同選擇。

》 第五代新型雙條件報警檢測器

Infineon公司從玻璃破碎時發(fā)生的各種傳感特征，以真實敲碎各種型號的玻璃進行數據記錄和分析，結合自身公司傳感器產品，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，同時摒棄震動檢測這種安裝限制性較大的方法，改為檢測玻璃破碎時會同時引發(fā)的氣壓變化來做第二個檢測條件，通過大量實驗數據分析，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，解決了震動檢測需要的安裝問題；同時采用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題和成本高居的問題。

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；貝能國際為該方案選用了Microchip公司的主控芯片ATSAMG55J19B平臺，該MCU為ARM Cortex-M4內核，帶浮點處理單元，可以無縫運行Infineon公司為數據分析和處理所做的算法，同時帶PDM接口，無需轉換芯片即可直接驅動數字硅麥，整個檢測器電路非常簡潔、性價比高，一舉解決了目前市場第三代和第四代檢測器存在的所有問題。

》 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增益控制，解決了距離問題、噪音消除問題；處理后產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，為方案融入物聯網的應用提供了更多可能。

方案硬件框圖

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

主控MCU ATSAMG55J19基于ARM Cortex-M4核 MCU帶浮點單元，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。

而外設驅動在Microchip公司提供的開發(fā)工具Atmel Studio中直接提供，無需進行底層軟件開發(fā)，非常方便：

數字硅麥芯片IM69D130優(yōu)勢性能：

輸出優(yōu)質音頻原始數據，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行處理，從而可以鑒別出真正玻璃破碎時的高低頻聲音特征。

聲壓級128dB，可以實現遠場和耳語音拾音性能，為產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%以內，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，外圍電路簡單，無需硬件調試，結構簡單，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，為產品靈敏度調節(jié)提供基礎，可以令產品適應各種應用場景

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

軟件上除了無需進行底層驅動外，也為增加穩(wěn)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(tǒng)全頻聲音檢測方案采用的大多是駐極體麥克風，尺寸大，且采集進來的是模擬信號，所以需要有各種信號處理電路，增加硬件的不一致性，需要進行硬件參數調節(jié)，本方案采用的是數字硅麥芯片，簡化了電路，可以做到良好的一致性，有效還原原聲，我們可以在實驗室進行驗證此項性能：利用一個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160個sample通過PDC傳回緩沖區(qū)，再將緩沖區(qū)的數據通過調試串口傳回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);

經過驗證，如下為傳回的數據波形：

我們采集了160個sample后使用串口傳回，為了簡便（因為真實產品中是不需要進行專門回傳數據的），在傳回數據時沒有開啟繼續(xù)采集，傳完數據后再開啟采集，但我們可以看到16KHz的采樣率，即1KHz的波形，每個周期有16個sample，160個數據完整還原10個周期，上圖所標10個波形是真實采集到的波形，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加上各種信號處理電路能實現的功能。

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(tǒng)駐極體麥克風加各種信號處理電路無法實現的功能，譬如驗證客戶的結構是否對聲音采集有影響，應該如何改良結構，我們可以簡單驗證此項功能：

市場常見智能家居安防采用的結構件 

我們采用如上硬件組成來測試結構件的影響，并使用免費的室內聲學和音頻測量軟件REW來對比有無結構件的影響，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），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），這個是符合常理的；而將結構件加入時（未開孔的，其實是將原開孔處塞住，褐色線），在1K—2K處相對衰減比較大，后面高頻部分也有部分衰減；當把結構件側邊開三個小孔（綠色線）（開孔位置見帶結構件測試圖），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類似的辦法進行結構件改良，使用的是Infineon公司的Sensor Evaluation Software，參考如下：