一種紅外單目標(biāo)跟蹤與防盜報警系統(tǒng)設(shè)計

0 引  言

隨著時代的不斷進(jìn)步，人們對自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時刻留意那些不速之客?，F(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報警系統(tǒng)，大大提高了小區(qū)的安全程度，有效保證了居民的人身財產(chǎn)安全。由于紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)目前使用的各類防盜、保安報警器基本都是以超聲波、主動式紅外發(fā)射／接收以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的基于紅外的目標(biāo)跟蹤以及防盜系統(tǒng)主要有兩類：主動紅外跟蹤系統(tǒng)和被動紅外跟蹤報警系統(tǒng)。前者主要用于視頻會議、辦公室人員的定位跟蹤或者醫(yī)院對病人的定位跟蹤等，主動紅外跟蹤系統(tǒng)其優(yōu)點在于針對性強(qiáng)、誤報率低，但是尚未應(yīng)用于防盜領(lǐng)域。后者主要應(yīng)用于一些民用或商用報警系統(tǒng)，由于人本身輻射一定波長的紅外線，紅外探測器檢測到紅外變化而產(chǎn)生斬波信號從而觸發(fā)報警電路，其靈敏度較高，適用于對移動目標(biāo)的偵測。用它制作的防盜報警器與目前市場上銷售的許多防盜報警器材相比，具有如下特點：不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源；靈敏度高、控制范圍大；隱蔽性好，可流動安裝。

對于一些大型倉庫或者保密性較高的場所，通常都希望工作人員進(jìn)入時對其行為進(jìn)行跟蹤而不報警；而對非系統(tǒng)內(nèi)部人員在進(jìn)行防盜報警同時，并對其進(jìn)行跟蹤錄像。針對該應(yīng)用需求，本文提出了一種兼主動和被動紅外報警于一體的目標(biāo)跟蹤和報警系統(tǒng)的設(shè)計方案，給出了原理框圖，在此基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)的工作流程。特別是系統(tǒng)的被動紅外跟蹤報警功能更是為一些突發(fā)事件的后續(xù)偵查提供了可靠證據(jù)。

1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)組成如圖1所示。其中紅外接受器IR2638、微處理器STC89C53RC、電機(jī)控制電路A3977、攝像頭等組成紅外主動跟蹤模塊；熱釋電紅外傳感KP506B、微處理器STC89C53RC、電機(jī)控制電路A3977、攝像頭、報警器等組成被動跟蹤報警模塊。

主動跟蹤模塊用于跟蹤進(jìn)入檢測范圍的攜帶有紅外發(fā)射電路的已知目標(biāo)，模塊中的紅外接收器用來接收來自已知目標(biāo)的特定頻率的紅外信號，并將該紅外信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出給微處理器，微處理器對信號進(jìn)行調(diào)理，并根據(jù)視場定位算法得到目標(biāo)當(dāng)前位置，再通過電機(jī)來轉(zhuǎn)動云臺來實現(xiàn)攝像頭對目標(biāo)的跟蹤，完成主動跟蹤目標(biāo)的功能。

被動跟蹤報警模塊用于跟蹤進(jìn)入系統(tǒng)的未攜帶紅外發(fā)射電路的未知目標(biāo)，模塊中的熱釋電紅外傳感器用來檢測人體輻射的紅外信號，并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出給微處理器，微處理器再獲得信號及目標(biāo)位置后，分別輸出報警信號進(jìn)行報警；同時輸出跟蹤信號通過電機(jī)驅(qū)動云臺實現(xiàn)攝像頭對目標(biāo)的跟蹤，完成被動跟蹤目標(biāo)并報警功能。

2 系統(tǒng)模塊化

2.1 主動跟蹤模塊

此模塊主要完成對目標(biāo)的主動識別與跟蹤。主要包括紅外傳感器接受電路、紅外視覺神經(jīng)調(diào)理電路及攝像機(jī)伺服電路。模塊組成如圖2所示。

(1)目標(biāo)：這里是指能夠發(fā)出紅外接收器接收的特定頻率段紅外信號的紅外發(fā)射器。

(2)紅外接收器：主要元器件采用一體化紅外傳感器(IR2638)。紅外遙控信號是一連串的強(qiáng)度調(diào)制的二進(jìn)制脈沖，為了使其在無線傳輸過程中免受其他紅外信號的干擾，通常都是先將其調(diào)制在特定的載波頻率上，然后再經(jīng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去。因此要求紅外線接收裝置要濾除其他載波，只接收該特定頻率的信號并將其還原成二進(jìn)制脈沖碼，也就是解調(diào)。一體化紅外傳感器將紅外光電二極管、低噪音放大器、限幅器、帶通濾波器、解調(diào)器以及整形驅(qū)動電路等集成在一起，體積小、靈敏度高。

(3)紅外視覺神經(jīng)調(diào)理電路：主要由紅外一體化傳感器和鑒頻通道組成。一體化傳感器對接受到的信號進(jìn)行一次鑒頻，輸出即為低頻調(diào)制信號，由于一體化傳感器本身頻響特性決定輸出的低頻調(diào)制信號是是間隔的脈沖串形式，因此需要進(jìn)行再次解調(diào)。將此目標(biāo)特征信號送人第二級鑒頻電路，通過電平電路輸出端電平判斷輸入信號是否是既定目標(biāo)的特征信號。這里選用LM567鑒頻通道的主要元器件，由于其良好的噪聲抑制能力和中心頻率穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于各種通訊設(shè)備中的解碼以及AM、FM信號的解調(diào)電路中。

(4)伺服電路：主要包括微處理器及輔助電路、電機(jī)驅(qū)動電路，用于完成對攝像頭的轉(zhuǎn)動來跟蹤目標(biāo)。微處理器根據(jù)傳感器電路和信號調(diào)理通道的邏輯輸出來確定目標(biāo)相對于鏡頭中心軸的方位，并發(fā)出控制信號，驅(qū)動承載攝像機(jī)的電機(jī)來調(diào)整紅外光斑至接收屏中心，實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤和始終鎖定在視場中心。這里，選用單片機(jī)STC89C53RC作為中心微處理器，系統(tǒng)采用A3977最為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，A3977是一種專門用于雙極型步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動集成電路，其內(nèi)部集成了步進(jìn)和直接譯碼接口、正反轉(zhuǎn)控制電路、雙H橋驅(qū)動，電流輸出2.5 A，最大輸出功率可接近90 W。A3977電機(jī)驅(qū)動電路如圖3所示。

2.2  被動紅外檢測跟蹤報警模塊

此模塊主要完成對不攜帶紅外發(fā)射電路的普通發(fā)熱物體的目標(biāo)檢測與跟蹤，主要包括熱釋電紅外感應(yīng)電路、信號檢測調(diào)節(jié)電路、報警電路和攝像機(jī)伺服電路。電路組成如圖4所示。

(1)目標(biāo)：指進(jìn)入系統(tǒng)檢測區(qū)域的外來人員等發(fā)熱物體，由于人本身體溫高于-273℃絕對溫度，所以人體本身會發(fā)出紅外線，紅外光波長為3～50 μm，其中8～14 μm占46％，峰值波長在9.5 μm。

(2)熱釋電紅外感應(yīng)電路：其主要原器件采用熱釋電紅外傳感器，系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器KP506B及熱釋電紅外控制電路CS9803GP。KP506B內(nèi)部電路圖見圖5。該探測元件對波長為10 μm左右的紅外輻射敏感，當(dāng)人進(jìn)入系統(tǒng)檢測區(qū)域，由于人本身發(fā)熱而發(fā)射出的紅外線通過熱釋電紅外探測器內(nèi)部的菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上，由于內(nèi)部兩個探測元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，傳感器將輸出電壓信號。熱釋電紅外探測器電路如圖6所示。

(3)信號調(diào)節(jié)檢測電路：主要由放大器、比較器等調(diào)理電路來對傳感器輸出信號進(jìn)行調(diào)理。由于傳感器輸出的是一個微弱的電壓脈沖信號，所以先對信號做一個幅度上的放大，使其獲得足夠的增益。再通過比較器來判別是否有信號進(jìn)入?yún)^(qū)域，完成檢測。

(4)報警電路：完成系統(tǒng)報警。主要由單穩(wěn)電路HEF4538B脈沖發(fā)生電路構(gòu)成，由比較器輸出的電平作為單穩(wěn)電路的觸發(fā)信號，使電路輸出一個脈沖控制信號用來控制報警電路輸出報警信號，來驅(qū)動喇叭進(jìn)行報警。報警時間可由單穩(wěn)電路輸出的脈沖控制信號來調(diào)節(jié)。

(5)攝像機(jī)伺服電路：主要包括微處理器及輔助電路、電機(jī)驅(qū)動電路。根據(jù)信號檢測調(diào)節(jié)電路輸出的信號，通過比較器判斷，目標(biāo)光斑相對于鏡頭的中心軸的位置，發(fā)出對應(yīng)的控制信號，驅(qū)動承載攝像頭的電機(jī)進(jìn)行水平和垂直方向360°的轉(zhuǎn)動，完成目標(biāo)跟蹤，并使目標(biāo)始終處于視場的中心位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行初始化，然后檢測紅外傳感器IR2638的輸出信號，當(dāng)傳感器有信號輸出，則中斷熱釋電紅外傳感器，表明進(jìn)入系統(tǒng)檢測區(qū)域的是攜帶紅外發(fā)射電路的“內(nèi)部人員”，根據(jù)視場定位算法獲得目標(biāo)當(dāng)前位置，進(jìn)而形成攝像頭運動路線，完成主動跟蹤；當(dāng)紅外接收器IR2638無信號輸出，而熱釋電紅外傳感器KP506B輸出感應(yīng)信號，則進(jìn)入系統(tǒng)區(qū)域的為“外部人士”，驅(qū)動報警器報警同時實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。本系統(tǒng)采用C語言編程，模塊化子程序結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)的程序接口。

4 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)上電后，根據(jù)單個CCD攝像機(jī)視場測量方法，并通過實驗證明，在6 m的范圍內(nèi)，視場邊界線性一致，隨著物距的增加，視場邊界逐漸縮小，在12 m的地方出現(xiàn)2°的偏差，可近似認(rèn)為視場邊界線性。在此基礎(chǔ)上分別來實現(xiàn)主動跟蹤、被動跟蹤，并將不同距離情況下跟蹤效果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8(a)是進(jìn)入系統(tǒng)視場的未攜帶發(fā)射電路的目標(biāo)，系統(tǒng)實現(xiàn)了對其被動跟蹤。圖9是當(dāng)攜帶發(fā)射電路的“已知目標(biāo)”和“未知目標(biāo)”同時進(jìn)入系統(tǒng)視場，則系統(tǒng)只跟蹤“已知目標(biāo)”。同時，由圖8和圖9對照得出，在距離不同情況下，跟蹤效果差異性較小，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了一種紅外單目標(biāo)跟蹤與防盜報警系統(tǒng)原理及功能，并對各模塊給出了設(shè)計方案，尤其是選用熱釋電紅外傳感器作為對外來人員的防盜報警，不僅成本低、結(jié)構(gòu)簡單，而且誤報率低。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)工作情況穩(wěn)定，適合在保密性高的高層建筑里作為安防設(shè)施。同時系統(tǒng)在紅外傳感領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，可以在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)多目標(biāo)的識別跟蹤.