基于STC89C52 構(gòu)建攝像頭的聲音定位系統(tǒng)

范華翔，李文華，趙仁凱

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州，510006）

0 引言

隨著物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們的資產(chǎn)也隨之增加。但社會(huì)上的盜竊事件頻頻發(fā)生，使人們的防范意識(shí)在不斷地加強(qiáng)，越發(fā)意識(shí)到防盜系統(tǒng)的重要性，開始安上防盜窗和防盜門，裝上防盜攝像頭。目前，攝像頭大多通過算法對(duì)圖像進(jìn)行分析從而實(shí)現(xiàn)定位[1～2]，但存在因畫面變化而產(chǎn)生誤判。如今高度智能化的社會(huì)發(fā)展，聲音定位技術(shù)成為多個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)需求，是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用的技術(shù)，因此將聲音定位技術(shù)融入防盜設(shè)備具有十分可觀的前景。

為了提高防盜攝像頭的功能性，解決攝像頭對(duì)目標(biāo)誤判問題，對(duì)防控?cái)z像頭進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了防盜攝像頭的定位功能而開發(fā)了此聲音定位系統(tǒng)加以輔助。通過聲音定位系統(tǒng)通過目標(biāo)發(fā)出的聲音確定目標(biāo)位置，再將數(shù)據(jù)傳給攝像頭，當(dāng)數(shù)據(jù)與攝像頭內(nèi)的算法相匹配時(shí)，攝像頭根據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)目標(biāo)鎖定。本系統(tǒng)采用到達(dá)時(shí)差法(Time Difference of Arriva1，TDOA)，即聲波傳播需要時(shí)間，兩個(gè)相距固定距離的傳感器接收到聲波信號(hào)存在時(shí)間差Δt 的原理。由此原理而構(gòu)建的模型為：通過4 個(gè)麥克風(fēng)進(jìn)行收音，每2 個(gè)為一組，兩組麥克風(fēng)分別收集聲音信號(hào)，將信號(hào)傳遞給以STC89C52 單片機(jī)為核心的處理器，對(duì)傳遞的聲音信號(hào)進(jìn)行處理可獲得兩個(gè)時(shí)間差，再對(duì)時(shí)間差進(jìn)行處理與計(jì)算，通過時(shí)間差構(gòu)建兩組雙曲線，再利用雙曲線的性質(zhì)進(jìn)行運(yùn)算即可得到聲源的坐標(biāo)。

1 系統(tǒng)理論分析與模型

如今通過傳感器對(duì)聲源進(jìn)行定位方式主要有三種，第一種是基于目標(biāo)信號(hào)到達(dá)時(shí)差法(Time Difference of Arriva1，TDOA)，即聲波傳播需要時(shí)間，兩個(gè)相距固定距離的傳感器接收到聲波信號(hào)存在時(shí)間差Δt 的原理，通過時(shí)間差構(gòu)建雙曲線，多個(gè)雙曲線相交的交點(diǎn)來確定聲源位置；第二種是基于目標(biāo)信號(hào)的能量來分析，通過構(gòu)建聲音能量傳播衰減模型進(jìn)行分析[3]，傳感器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行處理，分析出其距離與能量的關(guān)系，通過能量衰減模型構(gòu)建圓形，多個(gè)圓形相交的交點(diǎn)即為聲源位置；第三種則是聲源的到達(dá)方位（Directions of Arrival，DOA）[4]，即通過傳感器接收不同方向的聲源信號(hào)，對(duì)每個(gè)方向的信號(hào)進(jìn)行分析，從而確定聲源的方位，通過多個(gè)傳感器找出聲源方向，后各方向交點(diǎn)即為聲源位置。其中第二種方式通過能量衰減模型對(duì)聲源進(jìn)行定位，需要較高的硬件設(shè)備要求，聲源信號(hào)能量衰減公式較為復(fù)雜不易計(jì)算，同時(shí)環(huán)境對(duì)能量衰減影響較大；而第三種方式通過到達(dá)方位則對(duì)設(shè)備要求十分高，同時(shí)相當(dāng)于另兩者精準(zhǔn)度較低；第一種方式通過到達(dá)時(shí)差法對(duì)聲源定位，其對(duì)聲音傳感器的時(shí)間同時(shí)性要求較高，但相當(dāng)于其他兩項(xiàng)較為簡(jiǎn)單，只需簡(jiǎn)單的聲音觸發(fā)裝置與計(jì)時(shí)器即可，在當(dāng)前防盜攝像頭的應(yīng)用中，其誤差（定時(shí)器頻率所產(chǎn)生的誤差）可忽略不計(jì)，因此該裝置采用到達(dá)時(shí)差法對(duì)聲源進(jìn)行定位。

通過對(duì)到達(dá)時(shí)差法的應(yīng)用，聲波傳播需要時(shí)間，兩個(gè)相距固定距離的聲音傳感器接收到的信號(hào)會(huì)存在時(shí)間差Δt，將此時(shí)間差與聲速進(jìn)行相乘即可得到聲源到兩個(gè)傳感器的距離的差值，結(jié)合雙曲線的性質(zhì)可知此差值為雙曲線的長(zhǎng)軸2a 的大小，以此構(gòu)建二維平面，并將雙曲線方程表示出來，如圖1 所示。若存在兩組聲音傳感器，其位置一組傳感器的連線與另一組的連線垂直，則可構(gòu)建兩組雙曲線，此時(shí)出現(xiàn)4 個(gè)交點(diǎn)，最后通過傳感器觸發(fā)先后判斷方向，確定象限，即可確定聲源，如圖2[5]所示。

圖1 構(gòu)建雙曲線實(shí)驗(yàn)原理圖示

圖2 實(shí)驗(yàn)二維平面圖示

傳感器1 與傳感器2 在x 軸上，中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，相距為2c，聲音到達(dá)兩者需要時(shí)間，這時(shí)間可得到一個(gè)時(shí)間差 1tΔ，傳感器3 與傳感器4 在y 軸上，其連線剛好與傳感器1 與傳感器2 的連線垂直平分線，相距也為2c，同理可得一個(gè)時(shí)間差Δt2，兩者可求兩個(gè)雙曲線的長(zhǎng)軸長(zhǎng)2a，即：

為方便計(jì)算，原先就控制好雙曲線的焦距為2c（即一組傳感器的距離），再通過雙曲線的性質(zhì)可得到其短半軸長(zhǎng)b 的平方，即：

設(shè)所求聲源在二維平面上的位置為（x0，y0），又因?yàn)殡p曲線是基于聲源到兩傳感器的距離差所構(gòu)建，所以聲源必在雙曲線上，則兩個(gè)雙曲線表達(dá)式可為：

2 電路與程序設(shè)計(jì)

■2.1 電路設(shè)計(jì)

核心設(shè)備：?jiǎn)纹瑱C(jī)STC89C52（頻率為12MHz，周期為1μs，誤差系統(tǒng)為±0.10mm，滿足應(yīng)用需求）；4 個(gè)麥克風(fēng)（以聲強(qiáng)觸發(fā)，可通過改變麥克風(fēng)的可調(diào)電阻的阻值來調(diào)控靈敏度，從中可過濾環(huán)境中的雜音，防止環(huán)境中的噪音影響）；LCD1602 顯示屏（16*2 的網(wǎng)格，滿足數(shù)據(jù)的顯示）。

定位系統(tǒng)分3 個(gè)模塊，分別為接收模塊，處理數(shù)據(jù)模塊和顯示模塊。三者都有現(xiàn)成的模塊：麥克風(fēng)、STC89C52單片機(jī)與LCD1062 顯示屏，因此直接將三者連接起來即可，麥克風(fēng)接收到信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)處理完數(shù)據(jù)，傳遞給屏幕。將4 個(gè)麥克風(fēng)分別連接單片機(jī)STC89C52 的4 個(gè)IO 口，單片機(jī)STC89C52 又與LCD1062 顯示屏連接即可。同時(shí)4 個(gè)麥克風(fēng)呈十字?jǐn)[放，用杜邦線將麥克風(fēng)與單片機(jī)連接，同時(shí)使杜邦線都為同樣長(zhǎng)度，保證即使麥克風(fēng)傳遞信號(hào)存在延遲，也能使在處理數(shù)據(jù)時(shí)，延遲對(duì)結(jié)果無影響。同時(shí)單片機(jī)與屏幕位置不影響定位。單片機(jī)的4 個(gè)IO 口一直保持高電平，當(dāng)一個(gè)麥克風(fēng)接收到聲音信號(hào)后會(huì)傳送一個(gè)低電平信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)接收到低電平后會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)诙€(gè)IO 口出現(xiàn)低電平時(shí)停止計(jì)時(shí)，即可得時(shí)間段，再計(jì)算出雙曲線長(zhǎng)軸長(zhǎng)2a，再將結(jié)果在顯示屏上顯示。

■2.2 程序設(shè)計(jì)

若傳感器1，傳感器2，傳感器3，傳感器4，對(duì)應(yīng)STC89C52 單片機(jī)IO 為P1，P2，P3，P4。傳感器1 和傳感器2 對(duì)應(yīng)定時(shí)器T1；傳感器3 和傳感器4 對(duì)應(yīng)定時(shí)器T2。

首先STC89C52 單片機(jī)會(huì)先重置一組傳感器的電平信號(hào)為高電平，后檢測(cè)電平信號(hào)是否改變，當(dāng)改變時(shí)，會(huì)記錄哪個(gè)傳感器先發(fā)生改變，并根據(jù)該傳感器所在位置判斷方向，同時(shí)在LCD1602 顯示屏上顯示，在STC89C52 單片機(jī)在記錄傳感器的同時(shí)，會(huì)啟動(dòng)對(duì)用組的定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)，此時(shí)再次檢測(cè)是否存在信號(hào)的變化，當(dāng)檢測(cè)到另一個(gè)傳感器也傳遞了高電平信號(hào)時(shí)，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，定時(shí)器所計(jì)的時(shí)間即為到達(dá)時(shí)差法所需的時(shí)間差，得到時(shí)間差后進(jìn)行計(jì)算即可得到聲源的坐標(biāo)。

圖3 算法流程圖

如圖1 所示，傳感器1 與傳感器2 為一組，先重置P1與P2 的電平為高電平，后一直檢測(cè)電平十分發(fā)生改變，當(dāng)聲源發(fā)聲后，聲音會(huì)先傳播到傳感器2，傳感器2 接收到信號(hào)后，會(huì)給一個(gè)低電平信號(hào)到STC89C52 單片機(jī)，當(dāng)STC89C52 單片機(jī)檢測(cè)到電平的變化，會(huì)記錄P2，同時(shí)使定時(shí)器T1 開始計(jì)時(shí)，直到聲音傳遞到傳感器1 時(shí)，傳感器1 也會(huì)給一個(gè)低電平信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并由計(jì)算出2a1，由于P2 先觸發(fā)，因此在負(fù)半軸，顯示在顯示屏上。傳感器3 與傳感器4 為另一組，同理得出2a2，同時(shí)判斷所在半軸。由此得出x0與y0的值和其所在象限[6]。

在實(shí)際監(jiān)控?cái)z像頭的應(yīng)用中，可將單片機(jī)傳遞給顯示屏的數(shù)據(jù)換為傳遞給攝像頭，后攝像頭結(jié)合自身算法對(duì)圖像處理的結(jié)果與聲音定位的結(jié)果配對(duì)，當(dāng)在允許的誤差范圍內(nèi)配對(duì)成功，攝像頭再對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。

3 定位誤差與精確度

■3.1 誤差計(jì)算

由于在二維平面中測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是個(gè)二維數(shù)據(jù)，所以誤差也存在兩個(gè)維度，用測(cè)量點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)的x 軸坐標(biāo)差Δx和測(cè)量點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)的y 軸坐標(biāo)差Δy 來描述該誤差，一個(gè)點(diǎn)位，多次測(cè)量的Δx 與Δy 為：

結(jié)Δx 與Δy 的實(shí)際意義，即為多次測(cè)量后計(jì)算出來的平均測(cè)量點(diǎn)位與實(shí)際點(diǎn)位的x 軸坐標(biāo)差和y 軸坐標(biāo)差，所以為更好的反映出誤差，則把定位的誤差以定位的實(shí)際點(diǎn)位和平均測(cè)量點(diǎn)位的距離來衡量，即：

由此選取兩個(gè)點(diǎn)使用基于該定位系統(tǒng)的定位裝置進(jìn)行的多次測(cè)試得表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由表1 得，該裝置能以小于40mm 的誤差得到十分精確位置，后經(jīng)過大量不同點(diǎn)位，多次測(cè)量與計(jì)算，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到誤差為（29.65±13.87）（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）mm。對(duì)于防盜的實(shí)際應(yīng)用以小于5cm 的誤差進(jìn)行定位，基本滿足使用。

■3.2 精確度分析

（1）由于計(jì)算時(shí)規(guī)定聲速為340m/s，沒有考慮環(huán)境對(duì)聲速的影響，從而產(chǎn)生計(jì)算的誤差。影響聲速（v）的環(huán)境因素有溫度（T），濕度（Pw 是空氣中水蒸氣的分壓強(qiáng)）和大氣壓強(qiáng)（P），關(guān)系式為：

由于自然界中，大氣壓強(qiáng)幅度與濕度對(duì)速度影響因素較小，同時(shí)當(dāng)溫度升高時(shí)Pw 會(huì)增大與P 會(huì)下降，都使速度變大，因此經(jīng)過綜合的分析聲速可與溫度直接相關(guān)聯(lián)，則(12)可簡(jiǎn)化為：

由(13)可得若每增加10 開爾文，即10℃，速度變化6m/s，代入計(jì)算點(diǎn)位公式可近似得出其誤差約為10mm。由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)氣溫約為26℃，產(chǎn)生的誤差約為10mm，在誤差為（29.65±13.87）（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）mm 中，其占較大影響，但在實(shí)際應(yīng)用中可忽略不計(jì)。該點(diǎn)也為下一步改進(jìn)的方向，即增加溫度測(cè)量裝置，以減少其誤差。

（2）無法保證兩坐標(biāo)軸角度為90 o，但由于傳感器布置區(qū)域易控制，能保證其偏離不超過0.5 o，其誤差較小，在實(shí)際應(yīng)用中可忽略。

（3）由于定時(shí)器頻率的影響，經(jīng)過查閱使用的單片機(jī)相關(guān)資料得到其晶振頻率為12MHz，經(jīng)過計(jì)算12MHz 除12 為1MHz，也就是說一秒=1000000 次機(jī)器周期，所以周期為1μs，因此定時(shí)器的精確度為1μs。若定340m/s為聲速，所以其最大出現(xiàn)的誤差為一周期聲音運(yùn)動(dòng)距離為0.34mm，代入計(jì)算定位公式可近似得到誤差系統(tǒng)為±0.10mm，滿足應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)把聲音定位技術(shù)融入防盜系統(tǒng)，輔助監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)目標(biāo)的定位功能，解決攝像頭對(duì)目標(biāo)鎖定出現(xiàn)誤判的問題。以到達(dá)時(shí)間差為基礎(chǔ)，STC89C52 為核心與4 個(gè)麥克風(fēng)組成了簡(jiǎn)易的聲音定位系統(tǒng)并能基本滿足防盜系統(tǒng)所需的聲音定位精度。與此同時(shí)也存在一些可改進(jìn)的地方，如增加溫度測(cè)量裝置，減少其誤差，或是使用速度更快，造價(jià)更低的芯片。但本裝置的優(yōu)勢(shì)也十分突出：原理簡(jiǎn)單，操作方便，體積小，成本低廉，且能以誤差為（29.65±13.87）（均值±標(biāo)準(zhǔn)差）mm 精準(zhǔn)地定位。這些優(yōu)點(diǎn)為產(chǎn)品可大規(guī)模應(yīng)用提供了保障，同時(shí)也具有十分廣闊的市場(chǎng)。