CN101231777A - 三维声敏预警报警复核系统 - Google Patents

Abstract

三维声敏预警报警复核系统属安全技术防范领域。本发明是一种通过地下声敏传感器实现空间、地下、区域三维探测的预警报警复核系统。包括中央控制主机实现信号处理、分析、报警控制、系统控制。与中央控制主机连接的多个区域控制单元实现区域信号解调、预警控制、声音播放；与中央控制主机、区域控制单元连接的多个前端控制单元实现地下声敏传感器信号处理与控制；与前端控制单元连接的多个地下声敏传感器构成空间、地下、区域三维立体探测的监控子区域，由多个监控子区域构成全系统的三维立体监控。中央控制主机对信号进行信息融合，实现入侵报警、目标定位跟踪、轨迹描述，声音监听和报警复核。用于重要设施的周界防范。

Description

三维声敏预警报警复核系统

技术领域

本发明涉及一种声信号探测系统，更确切地说是涉及一种可同时探测空气、固体、液体传播声音的声敏传感器组成的三维声敏预警、报警、复核系统，应用于野外设施、水下设施、建筑及周界需要进行防范的环境中。

背景技术

随着时代的发展和科技的进步，人们的社会技能和技术技能也逐渐提高，因而对财产的安全防护/防范措施要求也越来越高。其中从防范野外文物盗窃、古墓地下挖掘技术拓展的针对野外设施、水下设施、建筑及其周界防范等新一代智能化声音探测防盗系统。

目前国内外普遍使用的安全防范探测手段有红外线、超声波、微波、振动、人体感应等。这些探测手段都有它们固有的使用范围从而产生一定的使用局限性。如红外探测，就容易受安装环境的限制；振动探测只检测振动不能判断振动类型，因而容易造成误报；微波探测由于穿透力强很容易受外界干扰。以上种种，都会影响到报警的正确性。此外，在某些特殊的探测区域，由于环境或其它原因无法放置常规安防设备时，就形成了不能探测到的死区，如防挖掘。因而在防范空间较大、防范点又比较分散、地形环境又比较复杂的田野文物防盗、古墓防挖掘、水下设施保护等，一般的安防设备将无法满足要求。另外大部分的入侵探测设备都是放置在地面上的可视空间范围内，野外安装时很容易被发现、被破坏，因而用于野外的安防设备应具有隐蔽性，这一点常规安防设备也将无法满足。

传统的声音探测报警系统，只能探测空间的声音，在田野文物防盗、古墓防挖掘、军事基地、监狱、重要物资仓库的周界防越、防挖掘，矿山野外设施防盗、高档社区周界防范等众多领域显然无法使用，特别是在环境比较复杂的防范区域，探测器探测到的音频信号可能是正常的声音，如火车声、正常的人声或动物干扰声、下雨等自然界环境噪声，也可能是需要被防范的声音，若采用传统的声控报警系统，只要探测器探测到的声音强度超出了预设的阈限值中央控制主机系统就会报警，而不能区分是需要被防范的声音还是噪音干扰，那么误报率将会很高。

发明内容

本发明的目的是设计一种三维声敏预警、报警、复核系统，可从根本上解决传统安全防范系统在野外应用时存在的死区、漏报、误报、探测区域小等问题，为安全防范领域提供一种能适应时代要求的新型有效的技术防范系统。

实现本发明的技术方案是：一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：包括中央控制主机实现信号处理、信号分析、报警控制、系统控制；中央控制主机由主CPU控制与之连接的输入、输出外围电路包括通讯辅助CPU0、面板键盘指令识别、面板显示控制、电子地图显示单元控制、区域控制单元控制、前端控制单元控制组成系统控制单元；由主CPU控制与之连接的高速A/D采集、EEROM、辅助CPU1组成信号处理、信号分析单元；由主CPU控制与之连接的时钟控制电路辅助CPU2、报警继电器输出控制、报警显示控制组成报警控制单元。

与中央控制主机连接的多个区域控制单元实现区域信号解调、预警控制、声音播放，信号解调采用PWM-PFM方式，解调信号输出一路经A/D模数转换后送单片机CPUq进行分析并与人工预警调整的电平比较以控制预警，预警信号送中央控制主机。解调信号输出另一路经选频放大电路滤除有用信号以外的干扰及噪音，选频放大电路输出信号送功率放大器实现区域声音播放。

与中央控制主机、区域控制单元连接多个的前端控制单元，前端控制单元实现地下声敏传感器信号处理与地下声敏传感器控制；传感器信号处理分为两路：一路为多路传感器信号求和——限幅——PWM-PFM调制——平衡传输送区域控制单元，实现子区域声音监控，另一路由单片机CPUk经485数据总线与中央控制主机通讯，接收中央控制主机发出的控制指令，并控制多路模拟开关选择由中央控制主机指定的传感器，传感器信号经限幅——PWM-PFM调制——平衡传输送中央控制主机，提供点信号分析、播放。CPUk还控制多路A/D转换电路，将多路传感器信号电平转换为数字信号，经485数据总线送中央控制主机。

与前端控制单元连接的多个地下声敏传感器构成空间、地下、区域定位三维立体探测的监控子区域，由多个监控子区域构成全系统的空间、地下、区域定位三维立体监控。本发明采用的地下声敏传感器有效探测距离为地上半径20m，地下半径40m。标准型的三维声敏预警、报警、复核系统配置64个地下声敏传感器，无重叠的有效探测区域面积大于80000平方米，周界长大于2500米。

中央控制主机对多个监控子区域、多个地下声敏传感器送入的信号进行信息融合，实现入侵报警、入侵目标定位、入侵目标跟踪、入侵目标移动轨迹描述。其方法为：中央控制主机收到监控子区域预警信号后，将全监控区域的地下声敏传感器音频信号进行相关处理，对相关传感器信号峰值电平做概率统计，判定最大峰值确定报警控制，对全监控区域传感器信号峰值电平概率统计的最大峰值点位跟踪，实现入侵目标定位、入侵目标跟踪，对相邻地下声敏传感器音频信号幅度、相位进行相关比较，对最大峰值点发生时间、点位进行记录，可描述出入侵目标移动的轨迹。

全系统声音播放分为多个监控子区域的区域的声音播放，峰值点自动跟踪播放，峰值点手动播放，播放单元具有自然界噪音自适应滤波器、多频点频率均衡器可大幅度提高监听的可听懂度，全系统声音的监听可实现报警复核。

本发明的系统，通过采用地下声敏传感器及智能化中央控制主机构成的三维声敏预警、报警、复核系统，使声音探测不再仅仅是一种复核手段，而是成为一种无死区、无漏报、无误报，不受环境地理限制的报警监控手段。

本发明的系统适用于野外文物防盗窃、古墓地下防挖掘、军事基地、监狱、重要物资仓库的周界防越、防挖掘，矿山、野外设施防盗、高档社区周界防范等。

附图说明

图1是本发明三维声敏预警、报警、复核系统结构框图；

图2是采用本发明系统形成完整监控区域的示意图；

图3是图1中中央控制主机功能部件结构框图；

图4是图3中信号处理、信号分析单元电原理框图；

图5是图3中时钟电路单元电原理框图；

图6是图3中面板显示结单元电原理框图；

图7是图3中电子地图显示单元电原理框图；

图8是图1中区域控制单元的功能部件结构框图；

图9是图1中前端控制单元的功能部件结构框图；

图10是图3中声音播放单元电原理框图。

具体实施方式

按本发明技术方案实施的标准型三维声敏预警、报警、复核系统，中央控制主机连接八路区域控制器，每路区域控制器连接一路前端控制器，每路前端控制器连接8个地下声敏传感器，总配置8个前端控制器，64个地下声敏传感器。以下以该标准型系统结构框图并结合附图进一步说明本发明的技术方案。

参见图1，是本发明三维声敏预警、报警、复核系统的结构框图，系统采用了“中央控制主机+多路区域控制器+多路前端控制器+多路地下声敏传感器”的结构体系，如图所示的星型拓扑结构组成了一个全方位、空间、地下三维立体监控网。本实例中控制主机11连接有8个区域控制器12，每个区域控制器12上连接有1个前端控制器13，每个前端控制器13连接有8个地下声敏传感器14构成一个探测子区域，8个探测子区域构成了一个有64个传感器14的探测区域。

该系统为分体结构，可根据探测范围灵活组合，传感器、前端控制单元、区域控制单元可从1个到8个任意组合，中央控制主机会自动识别配置。探测器14采用地下声敏传感器，是一种可同时探测空气、固体、液体传播的声敏传感器。传感器埋于地下，既可检出地面上走道、说话、物体遭受撞击或敲打的声音，又可检出地下掘地挖洞的声音。系统配置的64探测器14形成了一个区域、空间、地下立体探测区，完全适用于大面积、地形复杂、监控防范环境恶劣的情况中。

采用地下声敏传感器14不仅形成了区域、空间、地下立体探测，由于其隐蔽性，具有很好的抗破坏能力，同时由于传感器不可见，无形中给入侵者造成很强的威慑力。另外，对于声音信号来说，在空气中的传播距离要小于在固体中的传播距离，因此采用地下固体传导声音可大大提高探测的范围。如图2中的探测器2与探测器3形成复核区。图形2中还示意出，当采用常规声音探测设备如探测器1时，将受到障碍物和特殊地形的限制，从而造成在探测区域内出现死区的情况。

在大范围、长距离、电磁干扰大的复杂情况下传输信号，传输方式往往决定系统的可靠性、稳定性，为了保证声音信号的长距离高保真传输，本发明的三维声敏预警、报警、复核系统在前端控制单元13与中央控制主机11区域控制单元12之间的信号传输采用PWM-PFM并对其平衡传输方式，不仅对地下声敏传感器14的音频模拟信号做到长距离高保真传送，同时脉冲信号很方便整形，当加入脉冲整形中继器后传输距离可成倍增加。

参见图9为前端控制单元13的功能部件结构框图，实现以下功能；多路(1-8)声敏传感器14信号经求和电路98合并为一路，定为子区域声音信号，其输出信号经限幅电路95送PWM-PFM调制电路99对音频模拟信号进行调制，其输出信号送平衡传输电路97，平衡输出信号通过电缆送区域控制单元12实现子区域声音监控。其中限幅电路95保证声敏传感器14信号过强时PWM-PFM调制电路99不被过调，PWM-PFM调制电路99振荡主频率为80000Hz，平衡传输电路97具有极强的共模抑制能力，大幅度提高了信号远距离传输中的抗干扰能力。由单片机CPUk 91经RS485 93数据总线与中央控制主机11通讯，接收中央控制主机11发出的控制指令，并控制多路模拟开关94选择中央控制主机11指定的传感器14，传感器14信号经限幅电路95送PWM-PFM调制电路96对音频模拟信号进行调制，其输出信号送平衡传输电路107，平衡输出信号通过电缆送中央控制主机11，提供点信号分析、点信号播放。单片机CPUk 91还控制多路A/D转换电路92，实现多路传感器信号电平数字化，数字化的信号由单片机CPUk 91经RS485 93数据总线送中央控制主机11。其中PWM-PFM调制电路96振荡主频率为1200000Hz，单片机CPUk 91通讯比特率为1200Bt。

参见图8为区域控制单元12实现以下功能；来自前端控制器13的子区域声音PWM-PFM调制信号送平衡接收电路86，平衡接收电路86输出信号送PWM-PFM信号解调电路85，解调后的模拟信号一路送A/D模数转换电路82，转换后的数字信号由单片机CPUq 81进行分析，并与人工预警电平调整电路83输出的电平比较以控制预警，预警信号送中央控制主机11。解调后的模拟信号另一路送选频放大电路87滤除有用信号以外的干扰及噪音，选频放大电路87输出信号送声音播放单元00实现区域声音播放。其中PWM-PFM信号解调电路85振荡主频率为80000Hz，解调带宽10kHZ，人工预警电平调整电路83为数字电位器，比常规机械电位器无论寿命还是可靠性均大幅度提高。选频放大电路87为双带通滤波器，带通频率5Hz～120Hz选择挖掘及脚步声音，带通频率800Hz～4000Hz选择语音、撞击、搬运、翻越等声音。

区域控制单元12还具有面板彩色LED显示84，信号显示为绿色，人工预警电平调整显示为红色，可显示30级步进，当显示的信号峰值与显示的人工预警电平调整重合时，区域控制单元12发出预警信号，为使用者提供直观方便的调整。

参见图3为中央控制主机11功能部件结构框图，由主CPU 31、输入选择电路32、输出控制电路33、通讯辅助CPU034、面板键盘指令识别35、时钟单元36、面板显示单元37、RS485 38、信号处理与信号分析单元39、声音播放单元310、电子地图显示单元314、报警器315、录音机316、继电器及继电器组等构成中央控制主机；实现“信号处理、信号分析、报警控制、系统控制”。

中央控制主机11的控制系统由主CPU 31控制输入选择电路32、输出控制电路33、通讯辅助CPU0 34、面板键盘指令识别35，面板显示单元37控制、电子地图显示单元314控制、区域控制单元控制、前端控制单元控制组成系统控制单元；其中输入选择电路32由数据锁存器接收(1～8)区域控制单元发出的预警信号并暂存，由继电器组311切换(1～8)前端控制单元13平衡传输来的PWM-PFM调制点信号，由继电器组311切换(1～8)前端控制单元13RS485总线通讯信号。其中输出控制电路33由多路数据锁存器锁存主CPU 31发出的对(1～8)区域控制单元12的控制指令，由数据缓冲器连接电子地图，传送编码器发出的电子地图点位数据信号，由继电器312实现报警信号输出，控制报警器315发出声光信号，由继电器312控制录音机316，实现报警后自动录音或手动录音。其中系统通讯由通讯辅助CPU0 34将主CPU 31指令转换为串行信号，通过RS485总线完成对前端控制单元的通讯。其中面板键盘指令识别35由多个门电路依据指令的逻辑关系组合成的键盘指令二进制编码器。其中面板显示单元37控制由主CPU 31发出指令直接控制。其中电子地图显示单元314控制、区域控制单元12控制、前端控制单元13控制由主CPU 31发出指令，通过输入选择电路32或输出控制电路33完成其控制。

图4是中央控制主机信号处理、信号分析单元39的电原理图，由主CPU 31、辅助CPU034、辅助CPU141、PWM-PFM解调器43、高速A/D模数转换器42、动态存储器EEROM 44及外围辅助电路完成信号的采集与处理。其工作流程：PWM-PFM解调器43首先将前端控制单元平衡传输来的传感器点PWM-PFM调制信号解调，PWM-PFM解调器43主频率120000Hz带宽10000Hz，解调后的传感器音频模拟信号送高速A/D模数转换器42，由主CPU 31与辅助CPU141交换指令，实现高速A/D模数转换器42对信号的采集，高速A/D模数转换器42精度为12位以提高信号分析的准确度，转换后的数字信号送辅助CPU141，辅助CPU034将接收到的子区域(1～8)路传感器电平信号同时送辅助CPU141，为信号处理与分析提供基础数据。

信号的处理与分析是依靠软件完成的，主要依靠声信号特征的模式识别来区分入侵者盗窃行为信号和自然界噪音，由于入侵者盗窃行为信号是复杂而多变的，系统很难学习与判断，而自然界噪音信号特征基本是固定的，由于该系统用于野外，主要干扰信号为自然界噪音，将其滤除之系统的误报警会大幅度下降。因而该信号处理与分析单元主要滤除雷声、雨声、风声等自然界噪音信号。信号的处理与分析方法为：首先对多次采集来的子区域组信号进行处理并存入动态存储器EEROM 44中作为信号样本，再与采集的点信号进行相关比较，入侵者盗窃行为信号往往为点源信号，而自然界噪音干扰为多点，由此可明显区分出信号的特征，系统可准确的屏蔽自然界噪音干扰。

入侵目标定位、入侵目标跟踪同样靠软件完成，信号处理与分析单元始终工作在全区域传感器信号电平采集、处理、分析，除完成屏蔽自然界噪音干扰外，还对全监控区域传感器信号峰值电平在一定时域内不断做概率统计，寻找最大峰值点位。主系统工作在自动状态时会自动进行最大峰值点位跟踪，并播放该点位的声音。从而实现入侵目标定位、入侵目标跟踪。

当入侵行为发生时，信号处理与分析单元通过软件还对相邻地下声敏传感器音频信号幅度、相位进行相关比较，得到目标移动方向、传感器准确地址位。主CPU 31控制数字录音机记录最大峰值点发生的时间、目标移动方向、传感器点位地址，再通过外接计算机显示或作图，可描述入侵目标移动轨迹。

图5是中央控制主机的时钟电路36电原理框图，由辅助CPU2 51、时钟专用芯片52、键盘指令识别35组成，辅助CPU2 51与主CPU 31连接实现时钟信息传送，辅助CPU2 51与主CPU 31通讯方式为串行，时钟的调整由人工通过键盘完成。时钟为万年历，具有年、月、日、时、分、秒，对描述入侵目标移动轨迹及报警记录提供精准的时间。

图6是中央控制主机的面板显示单元37电原理框图，由辅助CPU3 61、点阵数码管62实现字符显示，主CPU 31与辅助CPU3 61连接控制显示内容，LED数码管驱动电路63与LED数码管显示组64构成功能指示、通道指示、报警指示、信号电平指示、时钟显示，LED数码管驱动电路63的控制分别由主CPU 31与时钟电路辅助CPU2 51执行。

图7是中央控制主机电子地图显示单元314电原理框图，由CPU4 71、译码器72、LED驱动电路73、LED发光管组74等组成，其中译码器72接收中央控制主机发出的巡检点位编码信号、报警点位编码信号，译码后的信号通过CPU4 71控制LED驱动电路73，LED发光管组74按实际布防构成报警点位显示、巡检点位显示。其中红色代表报警点位、绿色代表巡检点位。

图10是中央控制主机声音播放单元310的电原理框图，由自然界噪音自适应滤波器101、多频点频率均衡器102、电位器组103、功率放大器104、扬声器105等组成，其中自然界噪音自适应滤波器101主要由DSP芯片组成，多频点频率均衡器102主要由多频点频率均衡专用芯片、电位器组103及RC外围电路组成，可显著提高音频播放的质量。

本发明的报警复核功能采用全系统的声音播放、峰值点的自动跟踪播放、手动播放来实现，全系统的声音播放由多个监控子区域的区域声音播放单元构成。且每个区域声音播放单元均有音量控制，通过调节音量突出重点区域的声音。

Claims (11)

1.一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：包括“信号处理、信号分析、报警控制、系统控制”中央控制主机，与中央控制主机连接的多个“区域信号解调、预警控制、声音播放”区域控制单元，与中央控制主机、区域控制单元连接的多个“地下声敏传感器信号处理与地下声敏传感器控制”前端控制单元，与前端控制单元连接的多个地下声敏传感器构成监控子区域，由多个监控子区域构成全系统监控。中央控制主机对多个监控子区域、多个地下声敏传感器信息融合，实现入侵报警、入侵目标定位、入侵目标跟踪、入侵目标移动轨迹描述，全系统声音播放实现报警复核。

2.根据权利要求1所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的由多个地下声敏传感器或多个空间声敏探测器与地埋震动探测器组合，实现空间、地下、区域定位的三维立体探测。

3.根据权利要求1所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的前端控制单元包括多路传感器信号求和、限幅、PWM-PFM调制、平衡传输送区域控制单元实现子区域声音监控，由单片机与中央控制主机通讯，接收中央控制主机发出的控制指令，控制多路模拟开关选择中央控制主机指定的传感器，传感器信号经限幅、PWM-PFM调制、平衡传输送中央控制主机提供点信号分析、点信号播放，由单片机控制多路A/D转换，实现多路传感器信号电平数字化，数字化的信号经数据总线送中央控制主机。

4.根据权利要求3所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的前端控制单元信号限幅、PWM-PFM调制、平衡传输，实现远距离高保真信号传输模式。为实现远距离传输，前端控制单元采用交流电压送电。

5.根据权利要求1所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的区域控制单元包括PWM-PFM信号解调，连接解调信号输出的A/D模数转换，转换后的信号送单片机进行分析并与人工调整的预警电平比较以控制预警，预警信号送中央控制主机。连接解调信号输出的选频放大电路滤除有用信号以外的干扰及噪音，连接选频放大电路的功率放大器实现区域声音播放。

6.根据权利要求5所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的区域控制单元包括面板LED彩色电平显示，与之对应的人工预警电平调整显示。

7.根据权利要求1所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的“信号处理、信号分析、报警控制、系统控制”中央控制主机；中央控制主机由主CPU控制与之连接的输入、输出外围电路包括通讯辅助CPU0、面板键盘指令识别，面板显示控制、电子地图显示单元控制、区域控制单元控制、前端控制单元控制组成系统控制单元；由主CPU控制与之连接的高速A/D采集、EEROM、辅助CPU1组成信号处理、信号分析单元；由主CPU控制与之连接的时钟控制电路辅助CPU2、报警继电器输出控制、报警显示控制组成报警控制单元。

8.根据权利要求7所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的中央控制主机电子地图显示单元包括辅助CPU3与之连接的LED控制电路构成报警点位显示、巡检点位显示。

9.根据权利要求1所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的中央控制主机对多个监控子区域、多个地下声敏传感器信息融合包括以监控子区域多点地下声敏传感器合成信号电平与人工设定电平比较实现入侵预警，全监控区域地下声敏传感器音频信号相关处理、传感器信号电平的概率统计最大峰值判定实现入侵报警，对全监控区域传感器信号电平的概率统计最大峰值点位跟踪实现入侵目标定位、入侵目标跟踪，对相邻地下声敏传感器音频信号幅度、相位的相关比较，对最大峰值点发生时间、点位的记录，描述入侵目标移动轨迹。

10.根据权利要求1所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的全系统声音播放包括多个监控子区域的区域声音播放，峰值点的手动播放、自动跟踪播放，实现报警复核。

11.根据权利要求10所述的一种三维声敏预警、报警、复核系统，其特征在于：所述的声音播放单元包括自然界噪音自适应滤波器，多频点频率均衡器。

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