CN108534889A - 一种周界振动监测预警装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种周界振动监测预警装置及方法，该装置包括外壳(1)、基底(2)、信号输出端子(4)、振动传感器(5)、信号调理模块(6)、单片机(8)，嵌入外壳与基底之间的压电电缆传感器(3)，以及单片机通过数据线分别接外部接口(11)、GPS模块(12)、数据存储模块(9)、数据处理模块(10)，其中信号输出端子通过振动传感器接信号调理模块，信号调理模块通过现场总线接单片机和数据存储模块，数据存储模块通过数据线接数据处理模块。该方法包括振动传感器的制备、布设和调理，发送振动数据，确定振动触发地点，判断是否为入侵振动，提醒值守人员注意周界安全步骤。本发明具有监测数据的准确性和实时性，便于安装，使用安全等优点。
Description
技术领域
本发明涉及场所，如围墙、场馆、庭院等处安全监测技术领域，特别是涉及一种垂直向地面振动同步监测预警装置及方法。
背景技术
对于重点场所外围周界进行防范的传统措施为屏蔽或障碍物(如铁栅栏、围墙、高压电网等)，但现阶段随着科学技术发展，传统周界防御方法在面对现有破坏手段前存在漏洞和失误。因此先进的周界主动防御措施在安防监控领域很有必要，现有周界入侵监测通常包括如下方法：主动红外探测，利用探测器的发射端发出红外射线，由接收端接收，形成报警回路。用于围墙等需要直线防范的空间区域，但其安装要求严格，在安装环境中必须无遮挡，单组探测有效距离为200米，容易受天气、地形影响，安装容易有死角，装好后误报率高；地埋式感应电缆，利用两根平行埋在周界地下的泄漏电缆和发射机接收机组成，采用感应两根泄漏电缆之间的空间形成电磁场的探测区，利用当人员入侵，空间磁场会发生变化的原理进行探测，可用于埋设方式安装，单组探测有效距离为100米左右，效果较隐蔽，但容易误触发。上述两种监测还有一个共同缺点为，只能定位到两点间某条线段处入侵，而无法将入侵位置定位到线段上某点。此外还有光纤传感器进行入侵监测，光纤传感器采用分布式光纤和光纤光栅，利用外界入侵造成光纤微动感应，从而改变光纤内的光波物理量，如光强，偏振态，偏转角等的原理实时探测。但光纤网络安装调试较繁琐，需要平行布控彼此不能相交，往往需要大功率单色光源才能提高系统信噪比，导致成本过高，温度的改变容易引起热胀冷缩，会导致误报。分布式光纤传感器虽然可以利用光信号调制分析，对入侵行为发生点定位，需要综合考虑的物理量过多，计算复杂。
因此，目前需要一种能在周界振动发生时能准确自动标定干扰时间和振幅，同时将入侵振动发生定位到具体的周界边界特定点处，可适用于非直线外围周界环境下振动监测处理要求，其触发阈值可依据不同场地环境调整的周界主动防御方法，以便提供更准确含有时间和振幅的特定数据，供周界监测和报警。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于柔性传感器的场地周界振动采集和预警方法，以克服上述现有人工判断各类型振动测量仪器干扰的不足。
本发明的目的是为了解决重点场所周界隐蔽式振动监测并自动标定振动发生时间，作出报警措施问题，本发明提供重点场所周界振动监控和预警方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供的周界振动监测预警装置，包括外壳、基底、信号输出端子、振动传感器、信号调理模块、单片机，嵌入置于外壳与基底之间的压电电缆传感器，以及单片机通过数据线分别接外部接口、GPS模块、数据存储模块、数据处理模块，其中：信号输出端子通过振动传感器接信号调理模块，信号调理模块通过现场总线接单片机和数据存储模块，数据存储模块通过数据线接数据处理模块。
所述外壳由聚酯胺橡胶柔性材料制成，所述基底由聚酯胺橡胶柔性材料制成。
所述压电电缆传感器，采用同轴电缆包裹的PVDF压电薄膜为主体制成的压电电缆，其包裹在外壳和基底中间的长度可依据实际情况加以调整，用于调整监测振动量级。
所述振动传感器为一体化柔性振动传感器，采用块状传感器为内嵌压电电缆传感器柔性材料制成；该振动传感器为监测模块，通过网状节点布设在需布防周界处。
所述振动传感器模块的组成方式是：其中每个模块包含一定长度压电电缆传感器一条，该压电电缆传感器信号经由输出端子输出；随后输出信号接信号调理模块内将信号经过信号放大模块、滤波和工频干扰处理后，利用信号调理模块采集电压信号并转换为数字值后经由现场总线上传输，经单片机加入GPS模块产生的时钟信号后，由数据处理模块将模块化数据送回现场总线，数据存储模块可直接存储数据处理模块所产生的数据，同时存储现场总线传输自定义信号，供后期分析及数据处理用途；同时单片机依据所存储自定义信号进一步通过外部接口对需保护装置进行断电保护，启动防护措施等措施，并且通过包括声光电信号进行报警操作。
所述采集模块采用AD采集模块，其具有16位ADC芯片，其采集后的信号加上GPS模块产生的时间信号组合为围墙周界振动报警信息。
对传感器采集到的干扰信号通过放大整流，去除工频干扰的方法，经采集模块传入单片机中进行下一步存储和控制输出操作。
本发明提供的周界振动监测预警方法，包括以下步骤：
步骤一，制备振动传感器，用于生产周界振动监测单元；
步骤二，布设振动传感器，用于形成网格状周界布防系统：
依据不同周界特点以网格状方式置于地面处和墙头处；在实际布设中，依据围墙周界的实际情况，在需要监测的周界处覆盖振动传感器子模块，布设方式包括置于墙头的监测手撑振动模块和置于墙底地面处监测脚踩振动传感器模块；
步骤三，调理振动传感器子模块输出信号，用于提供周界布防判定用的可用信号来源：
振动传感器输出端子将微弱信号送到信号调理模块，信号调理模块将信号放大，整流滤波后，加入去除工频干扰措施后形成可供测量的合适幅值电压信号，上述功能一起构成振动传感器采集子模块；
步骤四，发送振动数据：
GPS模块采集当时标准时间，同时将振动传感器子模块采集转换后的振动数据通过单片机整合成带GPS时钟数据，发送到现场总线；
步骤五，确定振动触发地点：
单片机依据相应带文件头数据，确定振动触发地点；同时在现场总线里传输的各个独立点数据可整合为特定时刻的周界网状幅值热力图；
步骤六，判断是否为入侵振动：
在单片机中加入判断STA/LTA算法以及电压阈值判定，记录持续振动的持续时间和相关幅值之间的关系，只有超过预先设定的触发的阈值，才判断为入侵振动；
步骤七，提醒值守人员注意周界安全：
在振动触发报警后，单片机通过外部接口发出报警指令；实现重要设备防护措施启动，同时利用IO口发出声光电等报警措施，提醒值守人员注意周界安全。
上述方法步骤一中，采用柔性材料聚酯胺橡胶包裹的压电电缆为主体制成的振动传感器，是将压电电缆传感器和外壳及基底采用胶合方式连接。
上述方法步骤二中，通过网状节点布设的监测模块，可调整柔性传感器模块数量，行间距和列间距，定制监测区域大小，组成监测网络，同时设定阈值，预警信号级别大小和相应处理方法。
本发明与现有技术相比具有以下主要的有益效果：
其一，能够在压电传感器检测到振动的同时，利用GPS时钟模块同步自动标定记录干扰发生时间，并记录幅值，从而保障监测数据的准确性和实时性。
其二，采用的传感器布设优点如下：监测范围灵活变换，可针对周界不同环境特点监测周界任意位置，利用模块化处理方式，变直线监控为点监控，每个监控点信号可由同一现场总线自带ID进行区分并传输。通过增加柔性传感器模块数目和行列间距灵活调整监控面积；同时振动阈值可调。同时由于压电电缆自身为无源传感器，可以在探测通路到放大模块前很长距离内无需供电，减少外部引入干扰。
其三，采用的柔性传感器适用性好：通过信号范围实验发现，从覆盖地表振动造成微弱压力信号到高速卡车轴冲击信号，该柔性传感器均有响应，其线性动态范围超过80dB，证明其测量信号感测范围大。在冲击实验中，采用50N/mm质量块，压电电缆仍然可产生输出信号，没有失效。同时通过30组成品压电传感器的在相同压力下的输出幅值一致性实验，其输出一致性误差<±3％，该幅值一致性要求满足周界监测报警所需的开关信号要求。压电电缆的高灵敏度，良好的线性和宽动态范围，使其产生的高低频信号中包含各种振动信息，通过频谱分析其信号的相对幅值和频率特性，可以找到导致周界入侵报警的特定信号类型，例如在场地实验中，可以区分近湖岸处0到20Hz湖水背景噪声中的单一脚步声。同时该信号为动态信号，仅当振动传递至传感器上有效，后续静态压力不会产生干扰信号，在迅速确定干扰源信号的同时符合入侵振动特点。
其四，便于安装：
安装时不破坏周界建筑原有结构，简便，灵活。如可以安装在墙头处，监测入侵时人员或工具撑墙导致振动，也可布设在墙角处，探测墙角受压后振动。以柔性覆盖方式将墙体和地面结合，利用柔性传感器覆盖监测区域方法无需破坏周界自身结构。
其五，使用安全：
安装时隐蔽，不易发现，可采取覆盖和浅埋两种方式，如非破坏墙体和地面无法发现布设地点，可有效避免故意损坏。
附图说明
图1为周界振动同步预警方法示意图。
图2为振动传感器子模块布设在有宽度围墙周界的示意图。
图中：1.外壳；2.基底；3.压电电缆传感器；4.信号输出端子；5.振动传感器；6.信号调理模块；7.现场总线；8.单片机；9.数据存储模块；10.数据处理模块；11.外部接口；12.GPS模块；13.信号放大模块；14.滤波；15.工频干扰；16.AD采集模块；17.墙头；18.墙角；19.墙体周界。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供了周界振动监测预警装置，如图1和图2所示，由外壳1，基底2，压电电缆传感器3，信号输出端子4，振动传感器5，信号调理模块6，现场总线7，单片机8，数据存储模块9、数据处理模块10和GPS模块12组成，其中：压电电缆传感器3嵌入置于外壳1与基底2之间，该传感器信号输出端子4通过一体化柔性振动传感器5接信号调理模块6，信号调理模块6通过现场总线7接单片机8和数据存储模块9，单片机8通过数据线分别接外部接口11、GPS模块12、数据存储模块9、数据处理模块10，数据存储模块9通过数据线接数据处理模块10。
所述外壳1为上层聚酯胺橡胶柔性材料外壳，可以采用聚酯胺橡胶材料制成。
所述基底2为下层聚酯胺橡胶柔性材料基底2，可以采用聚酯胺橡胶材料制成。
所述压电电缆传感器3，采用同轴电缆包裹的PVDF压电薄膜为主体制成的压电电缆，其包裹在外壳1和基底2中间的长度可依据实际情况加以调整，用于调整监测振动量级。通过在柔性覆盖层和基底嵌入压电电缆方法，形成压电传感器模块，利用压电电缆自身对压力的灵敏度，感应布设处垂直方向压力，输出电压进行振动报警。
所述振动传感器5为一体化柔性振动传感器，用于模块化周界布防。该振动传感器可以采用块状传感器为内嵌压电电缆传感器柔性材料制成，大小可依据周界可供布设场地实际情况修改，对于微量振动不敏感，降低误触发率。同时起到防水，隔离作用。固定置于地面或实体围墙的墙头。采用这种柔性内置压电电缆传感器方法，布设灵活，无需破坏周界围墙自身结构结构。利用柔性传感器自身可覆盖于地表的特性，架设时可直接放置于围墙顶端和底部,也可布设时上层覆盖泥土、地砖和墙砖，具有隐蔽性。
所述振动传感器5为监测模块，通过网状节点布设在需布防周界处，可调整柔性传感器模块数量，通过调整传感器行间距和列间距，形成监测阵列，定制监测区域大小，组成监测网络，同时设定阈值，预警信号级别大小和相应处理。进而通过调整触发阈值适应不同监测环境需求。这种将传统周界监测的线状布防变为网状格点布防，可以进一步提升周界监控定位精度。
所述信号调理模块6，可以采用信号放大模块13中的放大芯片OP140，该芯片将采集到的弱信号根据场地情况放大50倍，去除工频干扰15芯片F42N56构成的50Hz工频陷波器，可达60dB的陷波深度，可有效防止工频干扰对本系统的测量精度的影响。。
所述现场总线7，可以采用CAN总线，用现场总线来传输监测信号途径，可减少信号传输受外部温湿度环境影响。实时性强，传输距离远，抗电磁干扰能力强，不同模块发送的信息通过报文ID进行区分。
所述单片机8，可以采用STM32微处理器。
所述数据存储模块9，可以采用32M SD卡实现，利用STM32单片机经由SPI方式驱动SD模式下的6字节操作命令，实现对SD的初始化，复位，读，写，操作寄存器功能。将模块10产生的振动信号存储以备调用。
所述数据处理模块10，可以采用STM32微处理器内部编程实现，将GPS时间信号，不同位置处振动传感器模块所发送的幅值信号组合成自带位置编码ID的信号，便于有效区分不同位置处的振动报警，以备后续处理。
所述GPS模块12，可以采用授时型GPS模块，如GPS/北斗卫星双授时模块HX6517T，利用其PPS有效后的某个上升沿时刻发出同步脉冲输入到各AD转换器，将AD转换器的工作状态同步。用GPS获取标准触发时间和相应振动传感器幅值作为监测信号，可维护信号一致性。
图2为墙体周界振动子模块布设图，依据不同墙体周界19具体情况布设于墙头17或墙角处18。
图1中单一柔性振动传感器5模块的组成方式如下：其中每个模块包含特定长度(例如每平方米模块中内置0.5米)压电电缆传感器3一条，置于上层聚酯胺橡胶柔性材料外壳1和下层聚酯胺橡胶柔性基底材料2之间，压电电缆传感器3信号经由输出端子4输出。随后输出信号接信号调理模块6内将信号经过放大13，滤波14，去工频干扰15处理后，利用AD采集模块16采集电压信号并转换为数字值后经由现场总线7上传输，经单片机8加入GPS模块12产生的时钟信号后，由数据处理模块10将模块化数据送回现场总线7，数据存储模块9可直接存储数据处理模块10所产生的数据，同时存储现场总线传输自定义信号，供后期研究，分析用途。同时STM32单片机8可以依据所存储自定义信号进一步通过外部接口11对需保护装置进行断电保护，启动防护措施等措施，同时通过声光电等信号进行报警等操作。
所述采集模块16采用16位模数转换器，其具有16位ADC芯片，其采集后的信号加上GPS模块产生的时间信号组合为围墙周界振动报警信息。
对传感器采集到的干扰信号通过放大整流，去除工频干扰的方法，经16位模数转换器传入STM32微处理器中进行下一步存储和控制输出操作。通过合理设计参数，调整输出振幅，传感器可监测1KG-300KG信号源产生的0.1Hz-100Hz信号。
本发明提供的上述周界振动监测预警装置，其工作过程是：振动传感器5将信号放大13、滤波14，去工频干扰15后，利用采集器16处理后归一化现场总线7上传输，经单片机8加入GPS模块12产生的时钟信号后，由数据处理模块10将GPS模块化数据送回现场总线7，数据存储模块9可直接存储数据处理模块10所产生的数据，同时存储现场总线传输自定义信号，供后期研究，分析用途。同时单片机8可以依据所存储自定义信号进一步通过外部接口11对设备启动保护措施，关断处理，以及通过声光电等信号进行报警等操作。
本发明提供的周界振动监测预警方法，在传感器方面是通过在柔性覆盖层和基底嵌入压电电缆方法，形成压电传感器模块，利用压电电缆自身对压力的灵敏度，感应布设处垂直方向压力，输出电压进行振动报警；在安装方式方面是以柔性覆盖方式将墙体和地面结合，利用柔性传感器覆盖监测区域方法无需破坏周界自身结构；在监测手段方面是将传统周界监测的线状布防变为网状格点布防，进一步提升周界监控定位精度。该方法包括以下步骤：
步骤一，制备振动传感器模块5，用于生产周界振动监测单元。
采用柔性材料聚酯胺橡胶包裹的压电电缆为主体制成的振动传感器模块5，是将压电电缆传感器3和外壳1及基底2采用胶合方式连接。压电电缆传感器为无源工作方式，自带防水，防潮，防雷电功能。压电电缆传感器3生成的电压信号经由输出端子4输出，进入后续信号调整电路。
步骤二，布设振动传感器5，用于形成网格状周界布防系统。
依据不同周界特点以网格状方式将于地面处和墙头处。在实际布设中如图2所示，可依据围墙周界的实际情况，在需要监测的周界处覆盖振动传感器子模块，布设方式包括置于墙头的监测手撑振动模块和置于墙底地面处监测脚踩振动传感器模块。模块间布设间距L可依据实际布防要求调整，同时振动传感器长度a和宽度b，可依据墙体实际情况修改。
步骤三，调理振动传感器5子模块输出信号，用于提供周界布防判定用的可用信号来源。
振动传感器5输出端子将微弱信号送到信号调理模块6，信号调理模块6将信号放大，整流滤波后，加入去除工频干扰措施后形成可供测量的合适幅值电压信号，上述功能一起构成振动传感器5采集子模块。
步骤四，发送振动数据：
GPS模块12采集当时标准时间，同时将振动传感器子模块采集转换后的振动数据通过STM32单片机整合成带GPS时钟数据，发送到现场总线。
步骤五，确定振动触发地点：
STM32微处理器可存储数据，可依据相应带文件头数据，确定振动触发地点。同时在现场总线里传输的各个独立点数据可整合为特定时刻的周界网状幅值热力图。
步骤六，判断是否为入侵振动：
在单片机中加入判断STA/LTA算法以及阈值判定，记录持续振动的持续时间和相关幅值之间的关系，只有超过预先设定的触发的阈值，才判断为入侵振动。
步骤七，提醒值守人员注意周界安全：
在振动触发报警后，STM32单片机通过外部接口发出报警指令。实现重要设备防护措施启动，同时利用IO口发出声光电等报警措施，提醒值守人员注意周界安全。
Claims (10)
1.一种周界振动监测预警装置，其特征是包括外壳(1)、基底(2)、信号输出端子(4)、振动传感器(5)、信号调理模块(6)、单片机(8)，嵌入置于外壳(1)与基底(2)之间的压电电缆传感器(3)，以及单片机(8)通过数据线分别接外部接口(11)、GPS模块(12)、数据存储模块(9)、数据处理模块(10)，其中：信号输出端子(4)通过振动传感器(5)接信号调理模块(6)，信号调理模块通过现场总线(7)接单片机(8)和数据存储模块(9)，数据存储模块(9)通过数据线接数据处理模块(10)。
2.根据权利要求1所述的周界振动监测预警装置，其特征在于所述外壳(1)由聚酯胺橡胶柔性材料制成，所述基底(2)由聚酯胺橡胶柔性材料制成。
3.根据权利要求1所述的周界振动监测预警装置，其特征在于所述压电电缆传感器(3)，采用同轴电缆包裹的PVDF压电薄膜为主体制成的压电电缆，其包裹在外壳(1)和基底(2)中间的长度可依据实际情况加以调整，用于调整监测振动量级。
4.根据权利要求1所述的周界振动监测预警装置，其特征在于所述振动传感器(5)为一体化柔性振动传感器，采用块状传感器为内嵌压电电缆传感器柔性材料制成；该振动传感器(5)为监测模块，通过网状节点布设在需布防周界处。
5.根据权利要求4所述的周界振动监测预警装置，其特征在于所述振动传感器(5)模块的组成方式是：其中每个模块包含一定长度压电电缆传感器(3)一条，该压电电缆传感器信号经由输出端子(4)输出；随后输出信号接信号调理模块(6)内将信号经过信号放大模块(13)、滤波(14)和工频干扰(15)处理后，利用信号调理模块(6)采集电压信号并转换为数字值后经由现场总线(7)上传输，经单片机(8)加入GPS模块(12)产生的时钟信号后，由数据处理模块(10)将模块化数据送回现场总线(7)，数据存储模块(9)可直接存储数据处理模块(10)所产生的数据，同时存储现场总线传输自定义信号，供后期分析及数据处理用途；同时单片机(8)依据所存储自定义信号进一步通过外部接口(11)对需保护装置进行断电保护，启动防护措施等措施，并且通过包括声光电信号进行报警操作。
6.根据权利要求5所述的周界振动监测预警装置，其特征在于所述采集模块(16)采用AD采集模块，其具有16位ADC芯片，其采集后的信号加上GPS模块产生的时间信号组合为围墙周界振动报警信息。
7.根据权利要求6所述的周界振动监测预警装置，其特征在于对传感器采集到的干扰信号通过放大整流，去除工频干扰的方法，经采集模块(16)传入单片机中进行下一步存储和控制输出操作。
8.一种周界振动监测预警方法，其特征是包括以下步骤：
步骤一，制备振动传感器(5)，用于生产周界振动监测单元；
步骤二，布设振动传感器(5)，用于形成网格状周界布防系统：
依据不同周界特点以网格状方式置于地面处和墙头处；在实际布设中，依据围墙周界的实际情况，在需要监测的周界处覆盖振动传感器子模块，布设方式包括置于墙头的监测手撑振动模块和置于墙底地面处监测脚踩振动传感器模块；
步骤三，调理振动传感器(5)子模块输出信号，用于提供周界布防判定用的可用信号来源：
振动传感器(5)输出端子将微弱信号送到信号调理模块(6)，信号调理模块(6)将信号放大，整流滤波后，加入去除工频干扰措施后形成可供测量的合适幅值电压信号，上述功能一起构成振动传感器(5)采集子模块；
步骤四，发送振动数据：
GPS模块(12)采集当时标准时间，同时将振动传感器子模块采集转换后的振动数据通过单片机整合成带GPS时钟数据，发送到现场总线；
步骤五，确定振动触发地点：
单片机依据相应带文件头数据，确定振动触发地点；同时在现场总线里传输的各个独立点数据可整合为特定时刻的周界网状幅值热力图；
步骤六，判断是否为入侵振动：
在单片机中加入判断STA/LTA算法以及电压阈值判定，记录持续振动的持续时间和相关幅值之间的关系，只有超过预先设定的触发的阈值，才判断为入侵振动；
步骤七，提醒值守人员注意周界安全：
在振动触发报警后，单片机通过外部接口发出报警指令；实现重要设备防护措施启动，同时利用IO口发出声光电等报警措施，提醒值守人员注意周界安全。
9.根据权利要求8所述的周界振动监测预警方法，其特征在于步骤一中，采用柔性材料聚酯胺橡胶包裹的压电电缆为主体制成的振动传感器(5)，是将压电电缆传感器(3)和外壳(1)及基底(2)采用胶合方式连接。
10.根据权利要求8所述的周界振动监测预警方法，其特征在于步骤二中，通过网状节点布设的监测模块，可调整柔性传感器模块数量，行间距和列间距，定制监测区域大小，组成监测网络，同时设定阈值，预警信号级别大小和相应处理方法。
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