基于ARM的機(jī)場(chǎng)圍界激光報(bào)警系統(tǒng)的研究

王増彩，趙 彥

（大連理工大學(xué) 城市學(xué)院 工程實(shí)踐中心，遼寧 大連 116600）

1 激光圍界的現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

1.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的周界安防前端探測(cè)技術(shù)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的周界安防探測(cè)技術(shù)主要有以下5類：①以圍欄震動(dòng)、震動(dòng)光纜、地埋震動(dòng)以及地埋壓力為代表的震動(dòng)探測(cè)技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)電脈沖波型或光折射變化量感受入侵引起的圍欄震動(dòng)，或探測(cè)器埋入地下探測(cè)由入侵者造成的土壤壓力變化或震動(dòng)，從而觸發(fā)報(bào)警，此探測(cè)技術(shù)探測(cè)距離短，誤報(bào)率高，不適用于安全防范要求高的場(chǎng)合；②泄漏電纜探測(cè)和微波探測(cè)，觸發(fā)報(bào)警的條件是入侵者引起的電磁場(chǎng)的變化，該探測(cè)技術(shù)需要在特定的場(chǎng)合使用，造價(jià)較高、安裝工程量較大；③以戶外視頻移動(dòng)探測(cè)為代表的探測(cè)技術(shù)，戶外視頻移動(dòng)探測(cè)器整理CCTV攝像機(jī)搜集的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，通過(guò)每個(gè)區(qū)域圖像的變化來(lái)判斷有無(wú)異物入侵，此探測(cè)器探測(cè)的距離不超過(guò)80m，對(duì)工作時(shí)間和場(chǎng)合有嚴(yán)格的要求，探測(cè)效果受光線、天氣影響嚴(yán)重；④以張力圍欄探測(cè)及高壓脈沖電網(wǎng)探測(cè)為代表的探測(cè)技術(shù)，是由入侵者攀爬圍欄引起的鋼絲張力變化而觸發(fā)壓電探測(cè)器報(bào)警或者觸碰電網(wǎng)引起高壓放電而觸發(fā)報(bào)警，張力圍欄探測(cè)設(shè)備造價(jià)極高，安裝調(diào)試工程量巨大，受環(huán)境、溫度影響大，對(duì)環(huán)境要求高；⑤以被動(dòng)紅外、激光對(duì)射為代表的探測(cè)技術(shù)，探測(cè)由入侵者造成的光線被遮斷的情況觸發(fā)報(bào)警，紅外探測(cè)技術(shù)具有3m左右的防御距離，受環(huán)境影響大。

1.2 激光對(duì)射技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

激光束主要有4大特點(diǎn)：①亮度高，因激光的發(fā)射能力強(qiáng)，并且能量的集中度高，所以亮度比較高，比普通光源能高出億萬(wàn)倍，甚至比太陽(yáng)表面的亮度高出幾百億倍；②方向性強(qiáng)，激光的發(fā)散角很小，射出距離達(dá)20km，光斑直徑僅有20cm～30cm；③單色性好，光的波長(zhǎng)決定了光的顏色，顏色不同，波長(zhǎng)不同；④相干性好，激光與普通光源不同，它是受激輻射光，有極強(qiáng)的相干性，被稱為相干光。激光對(duì)射技術(shù)正是利用了激光的這些優(yōu)點(diǎn)，具有了探測(cè)距離遠(yuǎn)、受環(huán)境溫度影響小、安裝簡(jiǎn)單、易于移動(dòng)、便于隱蔽、誤報(bào)率低等優(yōu)勢(shì)，很好地克服了以上幾類探測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)。

2 機(jī)場(chǎng)圍界內(nèi)激光的組網(wǎng)形式

圖1為機(jī)場(chǎng)圍界激光組網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖。本系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)裝置模塊、通信網(wǎng)絡(luò)模塊和監(jiān)控模塊3部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)裝置模塊包括激光收發(fā)單元和單片機(jī)。激光收發(fā)單元采用3組激光對(duì)射裝置，屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)射方式，分別放置于離地高度40cm、80cm和120cm處（大致對(duì)應(yīng)了人的小腿、腰和胸3個(gè)部位，具體高度可以調(diào)節(jié)），若無(wú)異物擋住時(shí)，接收端產(chǎn)生高電平，一旦有異物擋住激光，則接收端出現(xiàn)下降沿。單片機(jī)控制單元又可以分為信號(hào)接收單元、信號(hào)處理單元和報(bào)警指示單元，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸、處理和電路的報(bào)警控制。單片機(jī)通過(guò)不斷地對(duì)上述3路激光信號(hào)從低到高進(jìn)行循環(huán)掃描，發(fā)現(xiàn)下降沿信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣及處理，確定是否為人為入侵，控制報(bào)警指示單元的報(bào)警類型，并通過(guò)CAN總線上傳至PC機(jī)，PC機(jī)通過(guò)CAN總線上傳信號(hào)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖1 機(jī)場(chǎng)圍界激光組網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖

3 探測(cè)節(jié)點(diǎn)控制器的選擇

探測(cè)節(jié)點(diǎn)控制器要求對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并及時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳，且采樣周期短，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，具有較大的內(nèi)存空間存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)為便于調(diào)試和擴(kuò)展需要具備豐富的外圍接口，ARM芯片作為當(dāng)前主流的微控制器芯片，能夠滿足上述要求。本設(shè)計(jì)選用LM3S8962微控制器，其具備實(shí)時(shí)性高、內(nèi)存空間充足、外圍接口豐富、體積小、功耗低和開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。所以，LM3S8962微控制器非常適用于作為探測(cè)節(jié)點(diǎn)控制器，能夠充分滿足設(shè)計(jì)需要。

4 激光對(duì)射在機(jī)場(chǎng)圍界內(nèi)的抗干擾性能與改進(jìn)

抗干擾能力的高低是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，激光對(duì)射裝置位于報(bào)警系統(tǒng)的最前端，是引起報(bào)警的信號(hào)源，因此激光對(duì)射裝置的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的抗干擾性能起著決定性的作用。下面主要針對(duì)激光對(duì)射中常出現(xiàn)的3種典型的干擾因素進(jìn)行研究，并提出改進(jìn)方案。

4.1 激光對(duì)射裝置高度不一致引起的誤報(bào)

安裝時(shí)，激光對(duì)射裝置很難保證高度統(tǒng)一，一旦高度不一致就會(huì)引起激光接收器接收不到激光，因而判斷為有異物入侵，從而產(chǎn)生誤報(bào)。激光校準(zhǔn)技術(shù)可以對(duì)激光對(duì)射角度進(jìn)行校準(zhǔn)，促使發(fā)射裝置與接收裝置能最大程度地處在同一水平線上，因此可以降低傳輸問(wèn)題所引起的誤報(bào)，從而使誤報(bào)率大大降低。同時(shí)激光校準(zhǔn)技術(shù)還可以提升激光發(fā)射功率的利用率，使其傳輸距離更遠(yuǎn)，進(jìn)而減少激光收發(fā)裝置的數(shù)目，使其成本得到很好的控制。

4.2 其他發(fā)射裝置引起的干擾

當(dāng)前我國(guó)大部分機(jī)場(chǎng)周界長(zhǎng)度都在25km以上，因此需要安裝激光發(fā)射裝置的數(shù)目非常大。但激光的方向性極好，因此其傳輸距離很遠(yuǎn)，并且其發(fā)射角會(huì)因傳輸距離增長(zhǎng)而呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這就使本對(duì)激光束被遮擋時(shí)，還可以接收到相鄰激光束甚至更遠(yuǎn)距離的激光束，如此便會(huì)造成漏報(bào)。其他發(fā)射裝置的干擾產(chǎn)生的漏報(bào)示意圖如圖2所示。為解決上述問(wèn)題，可以對(duì)接收信號(hào)的強(qiáng)度設(shè)定一定的閾值，超過(guò)該閾值則認(rèn)為激光對(duì)射正常，低于該閾值則認(rèn)為激光被遮擋，以此來(lái)避免相鄰激光束的干擾。并且通過(guò)對(duì)相鄰激光束設(shè)置不同的發(fā)射頻率，將接收的激光束發(fā)到微處理器中檢測(cè)其頻率，對(duì)比其頻率值是否與對(duì)應(yīng)的發(fā)射裝置的頻率值一致。通過(guò)激光強(qiáng)度的閾值設(shè)定和激光頻率的匹配檢測(cè)，基本可以排除相鄰激光束和較遠(yuǎn)處激光束的干擾與影響。改進(jìn)后的對(duì)射裝置識(shí)別示意圖如圖3所示。

4.3 鳥(niǎo)獸等引起的誤報(bào)問(wèn)題

一般機(jī)場(chǎng)位置偏遠(yuǎn)，飛禽會(huì)經(jīng)常出沒(méi)，甚至有小動(dòng)物出現(xiàn)也不足為奇，因此不能避免鳥(niǎo)獸闖入或者跳出機(jī)場(chǎng)圍界的現(xiàn)象，這就對(duì)機(jī)場(chǎng)圍界報(bào)警系統(tǒng)提出了更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。一般小型鳥(niǎo)類的飛行速度比較快，所以通過(guò)計(jì)算激光束的遮擋時(shí)間和遮擋個(gè)數(shù)可以排除小型飛鳥(niǎo)類入侵時(shí)的誤報(bào)。鳥(niǎo)類展開(kāi)翅膀時(shí)，寬度大約為10cm左右，身體的長(zhǎng)度一般是50cm左右，因此可以得出其飛行時(shí)間約為100km/h，經(jīng)計(jì)算可以得出其遮擋激光束的時(shí)間大約為18ms，一般遮擋激光的個(gè)數(shù)為1個(gè)。對(duì)于人類而言，身體厚度一般為20cm，設(shè)機(jī)場(chǎng)圍界的設(shè)計(jì)令入侵者無(wú)法助跑的情況下，人的移動(dòng)速度約為1m/s，那么人穿過(guò)激光所需要的時(shí)間約為200ms，并且人一般能遮擋2個(gè)～3個(gè)激光束，通過(guò)設(shè)定這些參數(shù)就可以辨別出鳥(niǎo)類和人類的入侵。對(duì)于小動(dòng)物而言，其奔跑速度大約為20km/h，身體長(zhǎng)約60cm，得出遮擋時(shí)間大約為108ms，但激光的遮擋個(gè)數(shù)會(huì)因動(dòng)物的大小而不同，一般為1個(gè)或2個(gè)，因此通過(guò)設(shè)定參數(shù)也可以區(qū)別動(dòng)物和人類的入侵。

圖2 其他發(fā)射裝置的干擾產(chǎn)生的漏報(bào)示意圖

圖3 改進(jìn)后的對(duì)射裝置識(shí)別示意圖

經(jīng)過(guò)以上分析，將遮擋時(shí)間閾值設(shè)為150ms，遮擋個(gè)數(shù)閾值設(shè)為2，可區(qū)分人類、動(dòng)物以及飛禽的入侵。

5 總結(jié)

本文對(duì)機(jī)場(chǎng)圍界報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究。充分利用了ARM芯片的優(yōu)勢(shì)，將ARM芯片應(yīng)用到探測(cè)節(jié)點(diǎn)的主機(jī)上，設(shè)計(jì)了基于激光的機(jī)場(chǎng)圍界報(bào)警系統(tǒng)，并對(duì)影響報(bào)警系統(tǒng)的幾種典型問(wèn)題進(jìn)行了分析和探究，提出解決方案。

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