摘 要:针对安防领域的目标跟踪问题,介绍一种基于红外技术的单目标跟踪和防盗报警系统,该系统既能完成对已知目标的主动跟踪,也能完成对未知目标的跟踪报警功能。阐述了系统的工作原理及各模块的电路设计。实验表明,该系统工作稳定,误报率低,适合作为保密性要求高的场所的安防系统 ,达到安全防护的目的。
关键词:一体化红外传感器;热释电红外传感器;目标跟踪;防盗报警
中图分类号:TP274+.52 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)03-157-04
Design of Single Target Tracking and Anti-theft Alarm System Based on Infrared Wave
GUO Xiuxiu,LV Jianping
(College of Electronic & Information Engineering,Soochow University,Suzhou,215006,China)
Abstract:A system to track target and anti-theft alarm based on infrared wave is presented,which can track target in real-time,but also can realize the alarm application if it is a ″strange visitor″.The working principle of the system is introduced,the circuit board of every model is how to design,and working principle of the core components is analysed.The system works stably with a low false alarm rate through the experiment.It can be used as security system in the buildings which require high confidentiality.
Keywords:integrated infrared sensor;pyroelectric infrared sensor;target tracking;anti-theft alarm
0 引 言
随着时代的不断进步,人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求,尤其是在家居安全方面,不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统,大大提高了小区的安全程度,有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不可见光,有很强的隐蔽性和保密性,因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。
国内目前使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射/接收[1]以及微波[2]等技术为基础。当前广泛应用的基于红外的目标跟踪以及防盗系统主要有两类:主动红外跟踪系统和被动红外跟踪报警系统。前者主要用于视频会议、办公室人员的定位跟踪或者医院对病人的定位跟踪等, 主动红外跟踪系统其优点在于针对性强、误报率低,但是尚未应用于防盗领域。后者主要应用于一些民用或商用报警系统,由于人本身辐射一定波长的红外线,红外探测器检测到红外变化而产生斩波信号从而触发报警电路,其灵敏度较高,适用于对移动目标的侦测。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比,具有如下特点:
不需要用红外线或电磁波等发射源;
灵敏度高、控制范围大;
隐蔽性好,可流动安装。
对于一些大型仓库或者保密性较高的场所,通常都希望工作人员进入时对其行为进行跟踪而不报警;而对非系统内部人员在进行防盗报警同时,并对其进行跟踪录像。针对该应用需求,本文提出了一种兼主动和被动红外报警于一体的目标跟踪和报警系统的设计方案,给出了原理框图,在此基础上分析了系统的工作流程。特别是系统的被动红外跟踪报警功能更是为一些突发事件的后续侦查提供了可靠证据。
1 系统结构
系统组成如图1所示。其中红外接受器IR2638、微处理器STC89C53RC[3]、电机控制电路A3977、摄像头等组成红外主动跟踪模块;热释电红外传感KP506B、微处理器STC89C53RC、电机控制电路A3977、摄像头、报警器等组成被动跟踪报警模块。
主动跟踪模块用于跟踪进入检测范围的携带有红外发射电路的已知目标,模块中的红外接收器用来接收来自已知目标的特定频率的红外信号,并将该红外信号转换成电信号输出给微处理器,微处理器对信号进行调理,并根据视场定位算法[4]得到目标当前位置, 再通过电机来转动云台来实现摄像头对目标的跟踪[5],完成主动跟踪目标的功能。
图1 系统组成示意图
被动跟踪报警模块用于跟踪进入系统的未携带红外发射电路的未知目标,模块中的热释电红外传感器用来检测人体辐射的红外信号,并将其转换成电信号输出给微处理器,微处理器再获得信号及目标位置后,分别输出报警信号进行报警;同时输出跟踪信号通过电机驱动云台实现摄像头对目标的跟踪,完成被动跟踪目标并报警功能。
2 系统模块化
2.1 主动跟踪模块
此模块主要完成对目标的主动识别与跟踪。主要包括红外传感器接受电路、红外视觉神经调理电路及摄像机伺服电路。模块组成如图2所示。
图2 主动跟踪模块组成框图
(1) 目标:这里是指能够发出红外接收器接收的特定频率段红外信号的红外发射器。
(2) 红外接收器:主要元器件采用一体化红外传感器(IR2638)。红外遥控信号是一连串的强度调制的二进制脉冲,为了使其在无线传输过程中免受其他红外信号的干扰,通常都是先将其调制在特定的载波频率上,然后再经红外发射二极管发射出去。因此要求红外线接收装置要滤除其他载波,只接收该特定频率的信号并将其还原成二进制脉冲码,也就是解调。一体化红外传感器将红外光电二极管、低噪音放大器、限幅器、带通滤波器、解调器以及整形驱动电路等集成在一起,体积小、灵敏度高。
(3) 红外视觉神经调理电路:主要由红外一体化传感器和鉴频通道组成。一体化传感器对接受到的信号进行一次鉴频,输出即为低频调制信号,由于一体化传感器本身频响特性决定输出的低频调制信号是是间隔的脉冲串形式,因此需要进行再次解调。将此目标特征信号送入第二级鉴频电路,通过电平电路输出端电平判断输入信号是否是既定目标的特征信号。这里选用LM567[6]鉴频通道的主要元器件,由于其良好的噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种通讯设备中的解码以及AM、FM信号的解调电路中。
(4) 伺服电路:主要包括微处理器及辅助电路、电机驱动电路,用于完成对摄像头的转动来跟踪目标。微处理器根据传感器电路和信号调理通道的逻辑输出来确定目标相对于镜头中心轴的方位,并发出控制信号,驱动承载摄像机的电机来调整红外光斑至接收屏中心,实现对目标的跟踪和始终锁定在视场中心。这里,选用单片机STC89C53RC作为中心微处理器,系统采用A3977[7]最为步进电机的驱动电路,A3977 是一种专门用于双极型步进电机的微步进电机[8]驱动集成电路,其内部集成了步进和直接译码接口、正反转控制电路、双H 桥驱动,电流输出2.5 A,最大输出功率可接近90 W。A3977电机驱动电路如图3所示。
2.2 被动红外检测跟踪报警模块
此模块主要完成对不携带红外发射电路的普通发热物体的目标检测与跟踪,主要包括热释电红外感应电路、信号检测调节电路、报警电路和摄像机伺服电路。电路组成如图4所示。
图3 基于A3977的电机驱动电路
(1) 目标:指进入系统检测区域的外来人员等发热物体,由于人本身体温高于-273 ℃绝对温度,所以人体本身会发出红外线,红外光波长为3～50 μm,其中8～14 μm占46%,峰值波长在9.5 μm。
图4 被动跟踪模块组成框图
(2) 热释电红外感应电路:其主要原器件采用热释电红外传感器,系统采用热释电红外传感器KP506B及热释电红外控制电路CS9803GP[9]。KP506B内部电路图见图5。该探测元件对波长为10 μm左右的红外辐射敏感,当人进入系统检测区域,由于人本身发热而发射出的红外线通过热释电红外探测器内部的菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上,由于内部两个探测元接收到的热量不同,热释电也不同,不能抵消,传感器将输出电压信号。热释电红外探测器电路如图6所示。
图5 KP506B内部示意图
图6 热释电红外感应电路
(3) 信号调节检测电路:主要由放大器、比较器等调理电路来对传感器输出信号进行调理。由于传感器输出的是一个微弱的电压脉冲信号,所以先对信号做一个幅度上的放大,使其获得足够的增益。再通过比较器来判别是否有信号进入区域,完成检测。
(4) 报警电路:完成系统报警。主要由单稳电路HEF4538B脉冲发生电路构成,由比较器输出的电平作为单稳电路的触发信号,使电路输出一个脉冲控制信号用来控制报警电路输出报警信号,来驱动喇叭进行报警。报警时间可由单稳电路输出的脉冲控制信号来调节。
(5) 摄像机伺服电路:主要包括微处理器及辅助电路、电机驱动电路。根据信号检测调节电路输出的信号,通过比较器判断,目标光斑相对于镜头的中心轴的位置,发出对应的控制信号,驱动承载摄像头的电机进行水平和垂直方向360°的转动,完成目标跟踪,并使目标始终处于视场的中心位置。
3 系统软件设计
系统程序流程如图7所示。
图7 系统软件流程图
系统上电后,先进行初始化,然后检测红外传感器IR2638的输出信号,当传感器有信号输出,则中断热释电红外传感器,表明进入系统检测区域的是携带红外发射电路的“内部人员”,根据视场定位算法获得目标当前位置,进而形成摄像头运动路线,完成主动跟踪;当红外接收器IR2638无信号输出,而热释电红外传感器KP506B输出感应信号,则进入系统区域的为“外部人士”,驱动报警器报警同时实现对目标的跟踪。本系统采用C语言编程,模块化子程序结构,方便系统的程序接口。
4 系统性能测试
系统上电后,根据单个CCD摄像机视场测量方法[10],并通过实验证明,在6 m的范围内,视场边界线性一致,随着物距的增加,视场边界逐渐缩小,在12 m的地方出现2°的偏差,可近似认为视场边界线性。在此基础上分别来实现主动跟踪、被动跟踪,并将不同距离情况下跟踪效果进行比较,结果如图8和图9所示。
图8 被动跟踪
图8(a)是进入系统视场的未携带发射电路的目标,系统实现了对其被动跟踪。图9是当携带发射电路的“已知目标”和“未知目标”同时进入系统视场,则系统只跟踪“已知目标”。同时,由图8和图9对照得出,在距离不同情况下,跟踪效果差异性较小,系统性能稳定。
图9 主动跟踪
5 结 语
本文详细介绍了一种红外单目标跟踪与防盗报警系统原理及功能,并对各模块给出了设计方案,尤其是选用热释电红外传感器作为对外来人员的防盗报警,不仅成本低、结构简单,而且误报率低。经过多次测试,该系统工作情况稳定,适合在保密性高的高层建筑里作为安防设施。同时系统在红外传感领域中有广泛的应用前景,可以在此基础上实现多目标的识别跟踪。
参考文献
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