CN113611063B - 博物馆展柜复合报警探测器和防盗报警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及博物馆展柜复合报警探测器，包括用于为各个元器件供电且内置充电电池的电源模块、超声波发生模块、超声波接收模块、移动检测模块、主控模块、无线通讯模块和报警主机；本发明还提出了一种博物馆展柜防盗报警方法，包括以下步骤：周期性的向展柜的封闭空间内发射超声波；实时采集反射的超声波；检测展柜空间变化：解调每次采集到的超声波，若解调后的超声波与初始超声波属性不一致，则触发报警；检测展柜运动变化，触发报警；本发明利用超声波监控展柜腔体，腔体空间形态发生任何变化生成告警，同时同步侦测加速度，监控展柜的移动状态，防止在不触动展柜内空间的条件下直接搬走展柜情况的发生，功能实用，实现对展柜状况的全面监控。
Description
技术领域
本发明属于展柜防盗技术领域，具体涉及一种博物馆展柜复合报警探测器和防盗报警方法。
背景技术
目前博物馆展柜内部没有良好可靠得防盗设备，因为安全要求在无人后展馆内部全部断电，造成在闭馆后展柜内部实际是处于无监控状态。虽然博物馆展柜一般都设置有防盗系统，但目前市场上在用的展柜防盗设施主要形式为触发方式，如检测展柜是否开门的开启探测器、红外线防盗，此外还有移动探测器、振动传感器等设备，接线较多，误报率较高，安装不便。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种利用超声波监控展柜内部空间监控展柜破坏和利用加速度监控展柜是否被搬动的博物馆展柜复合报警探测器和防盗报警方法。
本发明的技术方案如下：
本发明提出了一种博物馆展柜复合报警探测器，用于安装在展柜的封闭空间内，包括用于为各个元器件供电且内置充电电池的电源模块、用于发出初始超声波的超声波发生模块、用于接收超声波和将超声波转换为电信号的超声波接收模块、基于加速度传感器的移动检测模块、主控模块、无线通讯模块和与无线通讯模块通信连接的报警主机，所述超声波接收模块、移动检测模块和无线通讯模块分别与主控模块电连接；超声波接收模块内产生与初始超声波同频的本地振荡；
超声波发生模块发出的超声波被超声波接收模块接收、解调后，输出给主控模块，若超声波接收模块解调输出数据，则主控模块向无线通讯模块发出第一报警信号；
加速度传感器实时采集展柜的运动状态得到运动检测数据并输出给主控模块，计算单元比较若运动检测数据变化超过设定的阈值范围，则向无线通讯模块发出第二报警信号；
报警主机根据第一报警信号和第二报警信号响应预设的报警提醒和报警消息。
进一步的，所述主控模块还包括防干扰单元，所述防干扰单元内存储有干扰信号，所述防干扰单元用于滤除由硬件电路自身上电运行过程中产生的干扰信号，以降低误报率；在超声波发生模块上电待机时，所述防干扰单元采集超声波接收模块接收的检波信号，将所述检波信号与干扰信号进行比较，检波数据在干扰信号阈值范围，则记为干扰信号，表明为误扰动，不触发报警；若连续数次检波数据超过干扰信号阈值范围，则向无线通讯模块发出第三报警信号，提醒人员前来检修校正。
进一步的，所述主控模块根据干扰信号的频率设定超声波发生模块的超声波脉冲发射周期，使得在一个超声波脉冲发射周期内，干扰信号的发生次数最多为一次；即为一次或零次，当展柜空间内的超声波状态发生变化时，一定不会只有一次检波信号。
进一步的，所述电源模块包括充电电池、提供充电管理的充电电路、输出5V和3V3电压的供电电路和可输出9V-28V电压的升压电路，所述充电电路、供电电路和升压电路均与充电电池电连接；
超声波发生模块包括用于产生驱动脉冲的脉冲驱动电路和与所述脉冲驱动电路电连接的超声波发射探头，所述脉冲驱动电路内部包括并联的两个CD4049六反相缓冲器，所述升压电路的电压输出端与所述脉冲驱动电路电连接。
进一步的，所述超声波接收模块包括超声波接收探头和解波电路；所述解波电路包括CX20106A芯片、电容C4、电容C7和电阻R3，所述超声波探头和电容C7连接在CX20106A芯片的引脚1上，且电容C7的另一端接地，所述CX20106A芯片的引脚7电连接主控模块和电阻R3，且电阻R3的另一端连接3V3电压源，所述CX20106A芯片的引脚8连接5V电压源和电容C4，且电容C4的另一端接地。
进一步的，所述主控模块内部采用型号为HK32F030MF4P6的CPU，所述移动检测模块内部采用三轴加速度传感器，所述无线通讯模块内部采用LoRa芯片。
进一步的，所述博物馆展柜复合报警探测器还包括与受控于主控模块的继电器电路，所述继电器电路可通过外接插口电连接用于进行现场声光报警的现场报警模块。
本发明还提出了一种博物馆展柜防盗报警方法，包括以下步骤：
周期性的向展柜的封闭空间内发射已知属性的初始超声波；
通过超声波接收探头实时采集展柜内的超声波；
检测展柜空间变化：解调每次采集到的超声波，若解调后的超声波与初始超声波属性不一致，则触发报警；
检测展柜运动变化：通过加速度传感器实时采集展柜的运动状态，若判断展柜的加速度变化超过设置的阈值范围，则触发报警。
进一步的，所述博物馆展柜防盗报警方法还包括预设干扰信号，若在检测展柜空间变化步骤中，若解调后的超声波与初始超声波属性不一致，但与预设的干扰信号相同，则不触发报警。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用超声波监控展柜腔体，腔体空间形态发生任何变化生成告警，同时同步侦测加速度，监控展柜的移动状态，防止在不触动展柜内空间的条件下直接搬走展柜情况的发生，无需再添加其他监控类型，就能够完全实现博物馆展柜的破坏和盗走的监控和报警，功能实用，减少接线，且采用非触发式的防盗技术，能够避免盗贼绕开触发点，实现对展柜状况的全面监控；
本发明的博物馆展柜复合报警探测器内置充电电池，采用低电压低功耗直流电路，能量消耗低，降低电流干扰，在博物馆断电的情况能够下保证探测器在断电状态下长时间维持工作，能够实现对展柜内部空间的监控和搬动的监控并报警，能在仅使用超声波发生模块、超声波接收模块和移动检测模块进行展柜状态的监控即可实现覆盖绝大部分展柜的受损情况，减少元件和减少接线，回波检测信号和加速度变化数值逻辑运算较为简单，对CPU的要求低，能极大的降低设备成本，经济实用；
本发明的博物馆展柜防盗报警方法覆盖了展柜破坏和搬运盗走的情形，能够满足博物馆展柜全面的破坏盗走监控的要求，展柜内部空间的超声波监控和加速度监控不会受到外界环境的影响，检测准确、可靠、抗干扰性强，回波检测信号和加速度变化数值无需复杂的运算，提高了报警触发的响应速度。
附图说明
图1为本发明博物馆展柜复合报警探测器的方框图。
图2为本发明博物馆展柜复合报警探测器的主控模块的电路原理图。
图3为本发明博物馆展柜复合报警探测器的电源模块的电路原理图。
图4为本发明博物馆展柜复合报警探测器的脉冲驱动电路的电路原理图。
图5为本发明博物馆展柜复合报警探测器的解波电路的电路原理图。
图6为本发明博物馆展柜复合报警探测器的外形示意图。
图中，超声波发射探头1、超声波接收探头2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图5所示，本发明提出了一种博物馆展柜复合报警探测器，用于安装在展柜的封闭空间内，包括用于为各个元器件供电且内置充电电池的电源模块、用于发出初始超声波的超声波发生模块、用于接收超声波和将超声波转换为电信号的超声波接收模块、基于加速度传感器的移动检测模块、主控模块、无线通讯模块和与无线通讯模块通信连接的报警主机，所述超声波接收模块、移动检测模块和无线通讯模块分别与主控模块电连接；充电电池可提供设备在断电状态下至少24个小时连续工作；超声波接收模块内产生与初始超声波同频的本地振荡；
超声波发生模块发出的超声波被超声波接收模块接收、解调后，如果展柜内部空间发生变化，超声波发生探头发出的原始脉冲信号的属性会发生变化，解调后输出一个信号给主控模块，若超声波接收模块解调输出数据，则主控模块向无线通讯模块发出第一报警信号；
加速度传感器实时采集展柜的运动状态得到运动检测数据并输出给主控模块，计算单元比较若运动检测数据变化超过设定的阈值范围，则向无线通讯模块发出第二报警信号；
报警主机根据第一报警信号和第二报警信号响应预设的报警提醒和报警消息。
所述超声波发射探头1和超声波接收探头2间隔焊接在电路板正面，且超声波发射探头1和超声波接收探头2的朝向不同；具体的，超声发射探头与超声波接收探头2的仰角为30-60度，使发出的超声波经展柜的周壁多次反射后接收，实现展柜内部空间的全覆盖；
由于设备硬件电路是可以检测到空间内超声波变化的，但是电子元器件毕竟不是完完全全相当稳定的状态，存在诸如电磁扰动、电压波动、或在无线电信号传输过程中，会有一个比较小的概率，检测芯片送出来一个检波信号；这些情况下就需要CPU进行过滤，可根据环境允许客户设置时间和频次的组合滤波方式，比如说100ms内1次检波信号出现，认为是误扰动，因为当空间内超声波状态发生变化时，一定不会只有一次干扰信号的检波信号，主控模块还必然会接收到异常超声波的产生的信号，这个异常超声波产生的信号来自展柜的封闭空间变形或破坏的影响而波动后的超声波解调后产生；
基于上述原理，所述主控模块还包括防干扰单元，所述防干扰单元内存储有干扰信号，所述防干扰单元用于滤除由硬件电路自身上电运行过程中产生的干扰信号，以降低误报率；在超声波发生模块上电待机时，所述防干扰单元采集超声波接收模块接收的检波信号，将所述检波信号与干扰信号进行比较，检波数据在干扰信号阈值范围，则记为干扰信号，表明为误扰动，不触发报警；若连续数次检波数据超过干扰信号阈值范围，则向无线通讯模块发出第三报警信号，提醒人员前来检修校正。
进一步的，所述主控模块根据干扰信号的频率设定超声波发生模块的超声波脉冲发射周期，使得在一个超声波脉冲发射周期内，干扰信号的发生次数最多为一次；即为一次或零次，当展柜空间内的超声波状态发生变化时，一定不会只有一次检波信号，经验频率通过在工厂测试或现场测试得到。
进一步的，如图3所示，所述电源模块包括充电电池、提供充电管理的充电电路、输出5V和3V3电压的供电电路和可输出9V-28V电压的升压电路，所述充电电路、供电电路和升压电路均与充电电池电连接，电源模块内部结构和型号详见图3；充电电力支持宽电压供电，支持展柜内直流照明电直接接入设备；充电电池与电路板通过接头J4连接后放置在电路板的背面，接头J10为充电插口。
如图4所示，超声波发生模块包括用于产生驱动脉冲的脉冲驱动电路和与所述脉冲驱动电路电连接的超声波发射探头1，J5连接超声波发射探头1；所述脉冲驱动电路内部包括并联的两个CD4049六反相缓冲器，所述升压电路的电压输出端与所述脉冲驱动电路电连接。
进一步的，如图5所示，所述超声波接收模块包括超声波接收探头2和解波电路，IRIN连接超声波接收探头2；所述解波电路包括CX20106A芯片、电容C4、电容C7和电阻R3，所述超声波探头和电容C7连接在CX20106A芯片的引脚1上，且电容C7的另一端接地，所述CX20106A芯片的引脚7电连接主控模块和电阻R3，且电阻R3的另一端连接3V3电压源，所述CX20106A芯片的引脚8连接5V电压源和电容C4，且电容C4的另一端接地；CX20106A芯片是接收芯片，简单易用，调整CX20106A芯片的中心频率与超声波发射探头1发射的原始超声波的频率相同，接收到的超声波微弱变动会作为解调信号从IROUT端口输出给CPU。
进一步的，所述主控模块内部采用型号为HK32F030MF4P6的CPU，所述移动检测模块内部采用三轴加速度传感器，加速度传感器16档可调，同步监控展柜遭到破坏或者被搬动，避免盗贼在不触动展柜内空间得条件下直接搬走展柜，加速度传感器可以采用型号为QMA7981的加速度传感器；所述无线通讯模块内部采用型号为ASR6500S的LoRa芯片，loRa无线报警输出，通过Lora通讯告知报警主机；基于加速度传感器的移动检测模块和基于LoRa芯片的无线通讯模块的电路为本领域常用技术，采用常规的电路即可。
进一步的，所述博物馆展柜复合报警探测器还包括与受控于主控模块的继电器电路，所述继电器电路包括继电器U21和与继电器U21电连接的外接插口，继电器U21可采用G6S-2-3V型号的继电器，所述继电器电路可通过外接插口电连接用于进行现场声光报警的现场报警模块，从而能够进行本地报警，对盗贼起到威慑作用。
本发明的博物馆展柜复合报警探测器在安装使用时，由于移动检测模块对安装位置没有要求，但为了使博物馆展柜复合报警探测器监控的面积覆盖整个展柜，博物馆展柜复合报警探测器需安装在靠近展柜的角落、且不能不卡在角落的位置，需要为探头预留出超声波反射的空间，这样就多路径反射不论那个柜面发生动静，都会产生告警信号。同时避免遮挡展品，影响观众观感。实际使用时，博物馆展柜复合报警探测器制作有外壳，各个电路模块设置在电路板上并和充电电池一通安装在外壳中，充电电池按照常规的放在电路板的背面，超声波发射探头1和超声波接收探头2分别设置在外壳的左部和右部，如图6所示。在展柜中安装时，可以采用图6的方式平放安装，两个探头斜向上，靠近侧壁的探头距离最近的侧壁预留空间；也可以将复合探测器竖立起来安装，两个探头朝向最近的内壁，具体的可通过胶粘如发泡胶带、双面胶或玻璃胶等将博物馆展柜复合报警探测器粘在展柜的底面或侧壁实现。
本发明还提出了一种博物馆展柜防盗报警方法，包括以下步骤：
周期性的向展柜的封闭空间内发射已知属性的初始超声波；
通过超声波接收探头2实时采集展柜内的超声波；
检测展柜空间变化：解调每次采集到的超声波，若解调后的超声波与初始超声波属性不一致，则触发报警；
检测展柜运动变化：通过加速度传感器实时采集展柜的运动状态，若判断展柜的加速度变化超过设置的阈值范围，则触发报警。
进一步的，所述博物馆展柜防盗报警方法还包括预设干扰信号，若在检测展柜空间变化步骤中，若解调后的超声波与初始超声波属性不一致，但与预设的干扰信号相同，则不触发报警。
进一步的，报警信号通过无线网络传送给送不在现场的工作人员处，向工作人员发出警报，具体的还可以根据警报触发的类型来对警报的内容进行设置，使得工作人员可以对应的场景携带不同的设备或工具来进行的对盗窃行为进行制止或及时的对暴露在展柜外部环境中的文物进行保护。
博物馆展柜防盗报警方法也可以采用比较历次超声波回波异同的方式进行判定，具体的，包括以下步骤：
周期性的向展柜的封闭空间内发射超声波；
实时采集反射的超声波，对每次接收到的超声波回波处理得到回波检测信号并暂存；
检测展柜空间变化：比较本周期回波检测信号与上一周期回波检测信号的变化，若本周期回波检测信号与上一周期回波检测信号的变化超过设定的阈值范围，则触发报警；当展柜遭到打开和破坏的时候，展柜内封闭空间发生变化，超声波的回波会发生变化，由此可以判断展柜遭到了破坏或打开；
检测展柜运动变化：通过加速度传感器实时采集展柜的运动状态，若判断展柜的加速度变化超过设置的阈值范围，则触发报警；若在没有开启或暴力破开展柜的情况下进行展柜的搬运，展柜的加速度一定会变化，据此原理来触发警报。
进一步的，在检测展柜空间变化步骤中，根据回波检测信号分析得到回波图像，比较本周期与上一周期的回波图像，若两者的做差后的波图振幅超过阈值范围，则触发报警；可以设置不同的敏感等级，现场工作人员可以根据实际情况进行设置。
相比于上一个利用解波发射的超声波载波的防盗报警方法，第二个比较历次回波异同的方式偏向于软件判断，需要更多的运算，因而，优选的采用第一种硬件解波同时对比载波的方式来进行判断。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.博物馆展柜复合报警探测器，用于安装在展柜的封闭空间内，其特征在于：包括用于为各个元器件供电且内置充电电池的电源模块、用于发出初始超声波的超声波发生模块、用于接收超声波和将超声波转换为电信号的超声波接收模块、基于加速度传感器的移动检测模块、主控模块、无线通讯模块和与无线通讯模块通信连接的报警主机，所述超声波接收模块、移动检测模块和无线通讯模块分别与主控模块电连接；
超声波发生模块发出的超声波被超声波接收模块接收、解调后，输出给主控模块，若超声波接收模块解调输出数据，则主控模块向无线通讯模块发出第一报警信号；
加速度传感器实时采集展柜的运动状态得到运动检测数据并输出给主控模块，计算单元比较若运动检测数据变化超过设定的阈值范围，则向无线通讯模块发出第二报警信号；
报警主机根据第一报警信号和第二报警信号响应预设的报警提醒和报警消息；
所述主控模块还包括防干扰单元，所述防干扰单元内存储有干扰信号，所述防干扰单元用于滤除由硬件电路自身上电运行过程中产生的干扰信号，以降低误报率；
所述主控模块根据干扰信号的频率设定超声波发生模块的超声波脉冲发射周期，使得在一个超声波脉冲发射周期内，干扰信号的发生次数最多为一次；
在超声波发生模块上电待机时，所述防干扰单元采集超声波接收模块接收的检波信号，将所述检波信号与干扰信号进行比较，检波数据在干扰信号阈值范围，则记为干扰信号，表明为误扰动，不触发报警；若连续数次检波数据超过干扰信号阈值范围，则向无线通讯模块发出第三报警信号，提醒人员前来检修校正。
2.根据权利要求1所述的博物馆展柜复合报警探测器，其特征在于：所述电源模块包括充电电池、提供充电管理的充电电路、输出5V和3V3电压的供电电路和可输出9V-28V电压的升压电路，所述充电电路、供电电路和升压电路均与充电电池电连接；
超声波发生模块包括用于产生驱动脉冲的脉冲驱动电路和与所述脉冲驱动电路电连接的超声波发射探头（1），所述脉冲驱动电路内部包括并联的两个CD4049六反相缓冲器，所述升压电路的电压输出端与所述脉冲驱动电路电连接。
3.根据权利要求1所述的博物馆展柜复合报警探测器，其特征在于：所述超声波接收模块包括超声波接收探头（2）和解波电路；所述解波电路内部采用CX20106A芯片进行解调。
4.根据权利要求3所述的博物馆展柜复合报警探测器，其特征在于：所述主控模块内部采用型号为HK32F030MF4P6的CPU，所述移动检测模块内部采用三轴加速度传感器，所述无线通讯模块内部采用LoRa芯片。
5.根据权利要求1所述的博物馆展柜复合报警探测器，其特征在于：还包括与受控于主控模块的继电器电路，所述继电器电路可通过外接插口电连接用于进行现场声光报警的现场报警模块。
6.博物馆展柜防盗报警方法，使用如权利要求1-5所述的博物馆展柜复合报警探测器，其特征在于，包括以下步骤：
周期性的向展柜的封闭空间内发射已知属性的初始超声波；
通过超声波接收探头（2）实时采集展柜内的超声波；
检测展柜空间变化：解调每次采集到的超声波，若解调后的超声波与初始超声波属性不一致，则触发报警；
检测展柜运动变化：通过加速度传感器实时采集展柜的运动状态，若判断展柜的加速度变化超过设置的阈值范围，则触发报警。
7.根据权利要求6所述的博物馆展柜防盗报警方法，其特征在于：还包括预设干扰信号，若在检测展柜空间变化步骤中，若解调后的超声波与初始超声波属性不一致，但与预设的干扰信号相同，则不触发报警。
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