DE202013000075U1

DE202013000075U1 - Alarm system with electronic fingerprint by FFT sound analysis

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Publication number: DE202013000075U1
Application number: DE202013000075U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-03
Filing date: 2013-01-03
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2023-01-04
Also published as: DE102014000017B4; DE102014000017A1

Abstract

Anordnung mit einer Alarmstation bestehend aus einer zentralen Einheit und einem oder mehreren Signalaufnehmern, welche merkmal-gesteuerten Alarm auslöst, wenn Einbruch-relevante Schall-Signale durch Signalaufnehmer aufgenommen werden, wobei die Übermittlung der Signale zwischen zentraler Station und Signalaufnehmern über eine Datenverbindung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß für die jeweiligen Schall-Ereignisse mit Hilfe einer FFT-Analyse ein Spektrum der periodischen Signalanteile des aufgenommenen Schallsignals ermittelt wird – im folgenden Fingerprint genannt – und die jeweilige Entscheidung, ob ein individuelles Schallereignis als Einbruch-Signal erkannt wird, mit Hilfe eines Abgleichs von auf einer Datenbank hinterlegten, einbruch-typischen und/oder einbruchs-untypischen Fingerprints erfolgt.Arrangement with an alarm station consisting of a central unit and one or more signal recorders, which triggers a feature-controlled alarm when intrusion-relevant sound signals are recorded by signal recorders, the signals being transmitted between the central station and signal recorders via a data connection characterized in that for the respective sound events with the help of an FFT analysis a spectrum of the periodic signal components of the recorded sound signal is determined - hereinafter referred to as fingerprint - and the respective decision as to whether an individual sound event is recognized as a break-in signal with the aid of a Comparison of intrusion-typical and / or intrusion-untypical fingerprints stored on a database is carried out.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Entwicklung eines neuen Alarmanlagensystems für Anwendungen in Häusern, Gebäuden, die privat oder öffentlich zugänglichen sind. Beim Eindringen in ein Gebäude entsteht durch das Öffnen durch Fenster, Türen, Luken usw. eine Luftdruckveränderung die akustisch im Infraschallbereich messbar ist. Aufwendige Messsysteme waren in der Vergangenheit sehr teuer und sehr voluminös und kamen somit als Alarmanlage im privaten und auch Gewerbebereich nicht in Frage. So etablierten sich einfache Systeme mit Schallaufnehmer, Tiefpassfilter erster Ordnung, Verstärker und einfacher Schwellenauswertung. Durch diese „starre” Elektronik, auch wenn die Schwelle einstellbar war, kam es zu einer durchschnittlich zu hohen Zahl von Fehlalarmen. Oft erzeugte ein vorbeifahrender LKW einen Luftdruck, der Türen und Fenster kurzzeitig soweit aufdrückte, dass es zu einem Fehlalarm führte.The present invention relates to the development of a new alarm system for applications in homes, buildings that are private or publicly accessible. When entering a building, opening it through windows, doors, hatches etc. creates an air pressure change that can be measured acoustically in the infrasound range. Elaborate measuring systems were in the past very expensive and very bulky and thus came as alarm system in the private and commercial sector out of the question. Thus, simple systems with acoustic sensors, first-order low-pass filters, amplifiers and simple threshold evaluation have become established. By this "rigid" electronics, even if the threshold was adjustable, there was an average too high number of false alarms. Often a passing truck produced an air pressure, the doors and windows momentarily aufdrückte so that it led to a false alarm.

Durch neueste moderne Mikroprozessortechnik sind schnelle Digitale Signalprozesse (DSP) einsetzbar, die sowohl Filter höherer Ordnung, eine Fast Fourier Transformation (FFT) und Korrelationen mit gespeicherten Ereignissen (Datenbank) mit der notwendigen Geschwindigkeit, wie sie in Alarmanlagen benötigt werden, ermöglichen. Dadurch entstehen völlig neuartige und fehlalarmsichere Auswertungskriterien für Infraschallereignisse.The latest state-of-the-art microprocessor technology makes it possible to use fast digital signal processing (DSP), which allows both higher-order filters, fast Fourier transform (FFT) and correlations with stored events (database) at the speed required in alarm systems. This results in completely new and false-alarm evaluation criteria for infrasound events.

Intelligente Signalgeber verbrauchen heute so viel Strom, dass sie entweder nur direkt in einer zentralen Einheit betrieben werden können, oder mit einem fest angeschlossenen Kabelwerk versorgt werden müssen, welches in dem Fall auch die Datenübertragung gewährleistete. Bisher verfügbare Alarmanlagen besitzen keine expliziten Mechanismen, um Fehlalarm auszuschließen. Fehlalarme sind nicht nur lästige Begleiterscheinungen beim Betrieb von Alarmanlagen, sondern stellen teilweise deren Sinnhaftigkeit dadurch in Frage, dass der Schaden durch ständig ausgelöste Fehlalarme höher werden kann, als der Schaden durch einen eher selten stattfindenden Einbruch.Intelligent signalers today consume so much power that they can either only be operated directly in a central unit or have to be supplied with a permanently connected cable system, which in this case also ensures the data transmission. Previously available alarm systems have no explicit mechanisms to rule out false alarms. False alarms are not only annoying side effects in the operation of alarm systems, but in part question their meaningfulness in that the damage can be higher by constantly triggered false alarms, than the damage caused by a rather rare burglary.

Die Aufgabe, die sich nun stellt ist, die Fehlalarm-Wahrscheinlichkeit nach Möglichkeit vollständig auszuschließen und – da die Signalgeber aus verschiedenen Gründen heute gemäß dem Stand der Technik immer mehr ohne feste Strom- und Datenleitung auskommen sollen – den Stromverbrauch der Signalgeber zu senken, da die Signalauswertung rechenintensiv ist und damit bisher einen hohen Stromverbrauch zur Folge hatte.The task that now arises is to completely rule out the false alarm probability as far as possible and - since the signalers for various reasons today according to the prior art are getting more and more without fixed power and data line - to reduce the power consumption of the signal generator, as The signal evaluation is computationally intensive and thus previously had a high power consumption.

Die Signalübertragung per Funk ist deshalb heutzutage wünschenswert oder in vielen Fällen notwendig, weil kabelgebundene Systeme sehr teuer in der Installation sind, die Strecken der Datenleitung immer länger werden und insbesondere dann, wenn solche Systeme in existierenden Gebäuden nachgerüstet werden und oder durch weitere Signalgeber erweitert werden sollen, eine funkgestütze Signalübertragung deutlich weniger Aufwand bedeutet. Da eine Übertragung von komplexen Messdaten, die einen unverwechselbaren „Fingerprint” eines Schallereignisses generieren sollen, per Funk jedoch ohne erheblichen Aufwand nicht möglich ist, sollte die Signalanalyse direkt im Datenerfassungsteil erfolgen, also im Signalaufnehmer, welcher die Signale aufnimmt, direkt verarbeitet und im positivem Auswertungsfall ein Signal zum Auslösen des Alarms an eine zentrale Einheit meldet.Signal transmission by radio is therefore desirable or in many cases necessary today, because wired systems are very expensive to install, data line links are getting longer and longer, and especially when such systems are retrofitted to existing buildings and extended by other signaling devices should, a radio-controlled signal transmission means significantly less effort. Since a transmission of complex measurement data, which should generate a distinctive "fingerprint" of a sound event, but by radio without considerable effort is not possible, the signal analysis should be done directly in the data acquisition part, ie directly in the signal receiver, which receives the signals and in the positive Evaluation case signals a signal to trigger the alarm to a central unit.

Die neue Idee basiert demnach auf der Tatsache, dass solche Art von Anlagen einerseits besondere Anforderungen an die Güte bzw. neuer Funktionalität der Signalauswertung in der zentralen Einheit oder gar im Signalaufnehmer selbst stellen müssen, dass diese dann unter bestimmten Umständen alternativ auch mit Funk betrieben sein sollen und deshalb einen geringen Stromverbrauch haben, um mit Batteriebetrieb auszukommen, ohne dass die Batterien ständig gewechselt werden müssen.The new idea is therefore based on the fact that such type of systems on the one hand have to make special demands on the quality or new functionality of the signal evaluation in the central unit or even in the signal sensor itself, that they may be operated under certain circumstances alternatively with radio and therefore have a low power consumption to get along with battery operation, without the batteries have to be changed constantly.

Mit Hilfe von modernen Signalprozessoren, welche mittlerweile ein so schnelles DSP (Digital Signal Processing) ermöglichen, über entsprechend großen Speicherplatz verfügen und trotzdem mit so wenig Strombedarf auskommen, dass eine schnelle FFT-Analysen im Signalgeber, möglich wird und gegebenenfalls sogar als abgesetztes batteriebetriebenes Gerät mit bidirektionaler Funkkommunikation ausgeführt werden kann.With the help of modern signal processors, which meanwhile allow such a fast DSP (Digital Signal Processing), have correspondingly large storage space and still get along with so little power consumption that a fast FFT analysis in the signal generator, possible and possibly even as a remote battery-powered device can be performed with bidirectional radio communication.

Eine Auswertung von Infraschallwellen bietet zusätzlich den Vorteil, dass sie durch die tiefen Frequenzen sich in weite Bereich des Gebäudes ausbreiten, wodurch die Lage der Signalaufnehmer weniger entscheidend für eine unverfälschte Signalaufnahme wird und die Signale nicht durch Gebäudegeometrie und Anordnung von Wänden, Türen und Fenstern zwischen Schallquelle und Signalaufnehmer behindert oder verändert werden.In addition, an evaluation of infrasonic waves has the advantage that they spread through the low frequencies in the wide area of the building, whereby the position of the signal transducers is less crucial for a pure signal recording and the signals not by building geometry and arrangement of walls, doors and windows between Sound source and signal pickup obstructed or changed.

Die bisherige Methode zur Auswertung von Einbruchsignalen erfolgte über Verstärkung, mit Hilfe von Tiefpässen und Schwellenauswertung, sowie evtl. auch einer Auswertung des Signals über den Amplituden-Zeitverlauf. Die neue Methode erzeugt mittels einer FFT-Analyse mit Hilfe von schnellen DSP (Digitale Signalprozessoren) – die ggfls. oder in manchen Fällen, in denen das Verlegen fester Signalleitungen ein Problem darstellt, vorzugsweise durch den Einsatz der schnellen DSP auch direkt im Signalaufnehmer erfolgen kann – ein Spektrum der periodischen Signalanteile eines Schallereignisses, wie in dargestellt, als unverfälschbarer „Fingerabdruck” eines Schallereignisses, wobei der Abgleich mit den in einer ebenfalls im Signalaufnehmer hinterlegten Datenbank von „Fingerabdrücken” von Einbruch-relevanten Schallereignissen, die vor Ort im aktuellen Gebäude aufgezeichnet und in der Datenbank hinterlegt werden, direkt im Signalaufnehmer erfolgt. Im Fall eines positiven Abgleichs wird der zentralen Alarmeinheit der Signalfall gemeldet, ohne dass in der zentralen Einheit irgendeine Messdatenerfassung und -analyse zu erfolgen hat. Lediglich der Abgleich mit der Datenbank kann alternativ auch in der zentralen Einheit erfolgen, zum Beispiel dann, wenn die Datenbank so komplex ist oder mit der Zeit wird, dass der Signalaufnehmer vor Ort nicht oder nicht mehr über genügend Speicherplatz verfügt. Fingerabdrücke von Einbruch-typischen Schallereignissen können somit ständig erweitert werden und/oder Updates erfahren.The previous method for evaluating break-in signals was via amplification, with the help of low-pass and threshold evaluation, and possibly also an evaluation of the signal over the amplitude-time curve. The new method generates by means of an FFT analysis with the help of fast DSP (Digital Signal Processors) - the if necessary. or in some cases where laying fixed signal lines is a problem, preferably by using the fast DSP also directly in the signal receiver - a spectrum of the periodic signal components of a sound event, as in shown as an unalterable "fingerprint" of a sound event, the comparison with the stored in a signal also stored in the database database of "fingerprints" of burglar-relevant sound events that are recorded locally in the current building and stored in the database, directly in the Signalaufnehmer , In the case of a positive adjustment, the signal is reported to the central alarm unit without the need for any data acquisition and analysis in the central unit. Alternatively, the comparison with the database can alternatively also take place in the central unit, for example if the database is so complex or over time that the signal collector does not have enough space on site or no longer has enough space. Fingerprints of burglary-typical sound events can thus be constantly expanded and / or experienced updates.

Im Unterschied zu bisherigen funkgesteuerten Signalgebern sorgt eine zusätzliche Funktion für die Einsparung von benötigtem Batteriestrom. Die Messdatenerfassung geht temporär in eine Hold-Position und wird erst dann aktiviert, wenn notwendig ist. Diese aktiv und nicht aktiv Phasen müssen dem Signalaufkommen in ausreichender Weise genügen. Die Werte dafür sind empirisch ermittelt und hinsichtlich der beiden Kriterien, ausreichende Aktivzeit, und möglichst große nicht-aktivzeit (Stromsparen) optimiert. So ist es möglich die stromintensive Signalanalyse nur periodisch durchzuführen, was erhebliche Einsparung an benötigtem Batteriestrom bedeutet.Unlike previous radio-controlled signalers, an additional function saves battery power. The measurement data acquisition temporarily goes into a hold position and is only activated when necessary. These active and non-active phases must sufficiently satisfy the signal traffic. The values for this are empirically determined and optimized with regard to the two criteria, sufficient active time, and the largest possible non-active time (power saving). So it is possible to carry out the power-intensive signal analysis only periodically, which means significant savings in battery power needed.

Die Elektronik wird schlafen gelegt (Stromverbrauch im uA-Bereich). Durch einen Timer-Interupt wird die Elektronik aufgeweckt = Aktivzeit. Durch eine Messung prüft ob Infraschall vorhanden ist. Falls dies nicht der Fall ist wird umgehend die nicht-Aktivzeit eingeleitet. Wird in der Aktivzeit Infraschall gemessen, bleibt die Elektronik solange aktiv, wie das Signal messbar ist. So ist es möglich die stromintensive Signalanalyse nur periodisch durchzuführen, was erhebliche Einsparung an benötigtem Batteriestrom bedeutet.The electronics are put to sleep (power consumption in the uA range). A timer interrupt will wake up the electronics = active time. Through a measurement checks whether infrasound is present. If this is not the case, the non-active time is initiated immediately. If infrasound is measured in the active time, the electronics remain active as long as the signal is measurable. So it is possible to carry out the power-intensive signal analysis only periodically, which means significant savings in battery power needed.

Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung gemäß beschreibt eine Anordnung mit einer zentralen Alarmstation (1), die mit mehreren jeweils unabhängig voneinander arbeitenden Signalgebern (2) über eine Funkstecke (3) in Verbindung stehen. Die Funksignale melden entweder direkt einen Alarmfall, oder übermitteln Fingerabdrücke von Schallereignissen, die mit Hilfe einer auf dem Signalgeber lokal durchgeführten FFT-Analyse eines Infraschallsignals zur Ermittlung eines Spektrums der periodischen Signalanteile ( ), die eine unverwechselbare Struktur des Spektrums eines Schallereignisses erzeugt. Dieses wird entweder direkt im Signalaufnehmer mit einer Datenbank gestützten Bibliothek von typischen einbruchsrelevanten Schallereignissen verglichen, oder alternativ der FFT-basiert ermittelte Fingerprint der zentralen Einheit für den Vergleich mit der Datenbank übermittelt. Jeder Signalaufnehmer (2) beherbergt einen Infraschallaufnehmer (4), der ein Infraschallereignis (9) aufnimmt und einen Microprozessor (5) für die FFT-Messwertanalyse – im Speziellen mit Hilfe der Verwendung von schnellen DSP-Prozessoren – vor Ort, sowie ein Funkmodul (6) für die Übermittlung der Meldung an die zentrale Rechen-Einheit (1), die ebenfalls mit einem Funkmodul (7) für die Aufnahme von Meldungen der Signalaufnehmer ausgestattet ist.One of the many possible embodiments of the invention according to describes an arrangement with a central alarm station ( 1 ) with several independent signalers ( 2 ) via a radio link ( 3 ) keep in touch. The radio signals either directly signal an alarm case or transmit fingerprints of sound events which are detected by means of an FFT analysis of an infrasonic signal carried out locally on the signal generator for determining a spectrum of the periodic signal components ( ), which produces a distinctive structure of the spectrum of a sound event. This is either compared directly in the Signalaufnehmer with a database-based library of typical burglar-relevant sound events, or alternatively transmitted the FFT-based fingerprint of the central unit for comparison with the database. Each signal sensor ( 2 ) houses an infrasound sensor ( 4 ), which is an infrasound event ( 9 ) and a microprocessor ( 5 ) for the FFT measured value analysis - in particular with the help of the use of fast DSP processors - on site, as well as a radio module ( 6 ) for the transmission of the message to the central processing unit ( 1 ), which is also equipped with a radio module ( 7 ) is equipped to receive messages from the signal transducers.

Die zentrale Recheneinheit ist ein spezielles Embedded-System, welches mit entsprechender Peripherie (7) für die Erfassung der Funksignale und das Auslösen eines Alarmsystems (8) ausgestattet ist. Alternativ findet der Fingerprintvergleich auch auf der zentralen Recheneinheit statt, der mit einer entsprechenden auf dem System hinterlegten Bibliothek ausgestattet ist.The central processing unit is a special embedded system, which is equipped with appropriate peripherals ( 7 ) for the detection of the radio signals and the triggering of an alarm system ( 8th ) Is provided. Alternatively, the fingerprint comparison also takes place on the central processing unit, which is equipped with a corresponding library stored on the system.

In wird eine Mehrfachausführung der Infraschallsensorik geschrieben, die in diesem Fall mit 3 identischen Systemen A1 bis A3 im Signalaufnehmer arbeitet, wobei mit Hilfe einer Mehrfachauswertung – in diesem Fall einer 2 aus 3 Auswertung – redundante identische Melder ausgewertet werden. Die Melder müssen jedoch nicht identisch sein, sondern können sich auch in Ihrem Signalerkennungsverhalten unterscheiden. Die Fehl-Signalwahrscheinlichkeit wird durch die Mehrfachauswertung verringert.In In this case, a multiple version of the infrasonic sensor system is written, which in this case works with 3 identical systems A1 to A3 in the signal sensor, with the help of a multiple evaluation - in this case a 2 out of 3 evaluation - redundant identical detectors are evaluated. However, the detectors do not have to be identical, but can also differ in their signal recognition behavior. The false signal probability is reduced by the multiple evaluation.

Claims

Arrangement with an alarm station consisting of a central unit and one or more signal sensors, which triggers feature-triggered alarm when burglar-relevant sound signals are picked up by signal transducers, the transmission of signals between the central station and signal transducers via a data connection, characterized characterized in that for the respective sound events by means of an FFT analysis, a spectrum of the periodic signal components of the recorded sound signal is determined - in the following fingerprint - and the respective decision whether an individual sound event is detected as a burglary signal, using a Matching stored on a database, burglary-typical and / or burglary-atypical fingerprints done.

Arrangement according to claim 1, characterized in that fast DSP processors are used for the signal analysis.

Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the data comparison of the fingerprint of an individual sound event with the database and the decision whether an event is considered burglary or not, is done directly on the Signalaufnehmer or the data file of the fingerprint to the central Unit is sent, which performs the fingerprint comparison and triggers an alarm in the positive case.

Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the signal sensor are battery operated.

Arrangement according to claim 1 to 4, characterized in that the signal sensor have an infrasonic sensor, which record infrasound signals to be evaluated.

Arrangement according to claim 1 to 5, characterized in that the signal sensor only awakened periodically and become active.

Arrangement according to claim 1 to 6, characterized in that the central control unit is in radio communication with the signal sensor or a plurality of individual signal sensors and the signals are transmitted via the radio connection.

Arrangement according to claim 1 to 7, characterized in that the central control unit is freely programmable, so that the library of fingerprints of typical intrusion signals can be constantly expanded and is capable of learning, or fingerprints of typically uncritical signals can be applied to the probability of Minimize false alarms constantly.

Arrangement according to claim 1 to 8, characterized in that the infrasound is evaluated by using filters of higher order.

Arrangement according to claim 1 to 9, characterized in that wireless signal transducers send their information to a plurality of redundant central stations.

Arrangement according to claim 1 to 10, characterized in that the measuring electronics of the signal pickup is executed several times and a multiple evaluation is performed.