基于MEMS芯片实现周界入侵报警系统

    摘要：近些年随着安防报警技术的不断进步，各种依附于固体防护结构上的电子周界探测系统不断推陈出新，从最开始的主动红外探测技术、电子脉冲放电探测技术，一直发展到现在有各种各样针对不同应用需求的特定周界防护系统，这其中就包含依附于金属编花或者焊丝围网上的振动探测系统。基于振动检测的周界入侵系统有很多种：震动电缆、光纤干涉、惯性振动等等，本文重点阐述利用MEMS芯片传感技术实现的振动探测周界入侵报警系统。

　　微电子机械系统(Micro-Electro Mechanical Systems，MEMS)是解决传感器微型化的关键技术，简单来说，其工作原理是外部环境物理、化学和生物等信号输入，通过微传感器转换成电信号，经过信号处理(模拟信号或数字信号)后，由微执行器执行动作，达到与外部环境“互动”的功能，它是物联网核心技术所在。

　　周界入侵报警系统通常指对某一线状边界(如重要区域的围墙)进行监测，当发现有非法通过该边界的行为时产生报警，以实现对目标区域的监测保护。周界入侵报警系统会使用户的安全防范管理变的非常简单，它在栅栏上形成一道电子防线，一天24小时不间断工作，一旦有入侵行为发生，系统会立刻给出报警信号，通知值班人员。这样可以节省人力、物力和财力，最关键的是系统可以降低值班人员的劳动强度，使安保人员时刻保持高度注意力，有效屏蔽巡逻值班人员因为疏忽疲惫造成的周界漏洞。近些年随着安防报警技术的不断进步，各种依附于固体防护结构上的电子周界探测系统不断推陈出新，从最开始的主动红外探测技术、电子脉冲放电探测技术，一直发展到现在有各种各样针对不同应用需求的特定周界防护系统，这其中就包含依附于金属编花或者焊丝围网上的振动探测系统。基于振动检测的周界入侵系统有很多种：震动电缆、光纤干涉、惯性振动等等，本文重点阐述利用MEMS芯片传感技术实现的振动探测周界入侵报警系统。

　　基于MEMS芯片的周界探测系统构成

　　一般的周界探测系统和物联网系统的基本构成是相似的：传感、网络以及控制管理。

　　基于MEMS芯片的振动传感器-ViSEN

　　振动传感器ViSEN基于一个3轴加速度传感器芯片，外部环境输入(振动)导致MEMS芯片XYZ轴加速度值发生变化，振动传感器ViSEN上的传感处理器芯片采集到加速度变化信息，经过多重算法过滤掉干扰，将告警信息通过数字通信组件传递出去。由于MEMS芯片能提供3轴持续稳定可靠的振动数据，我们可以实现多维度算法综合分析，确保系统稳定准确工作，值班人员不会为“狼来了”这样的误报疲于应付。

　　传感器的原理结构如图1所示，传感处理器是核心组件，它负责采集加速度变化状态信息，经过5D算法，形成对入侵告警的初步判断，然后将告警信息通过数字通信组件发送出去。传感处理器也可以通过数字通信组件接收后台软件的配置信息，针对不同硬度特性的围网设置不同参数，提高传感器的适应性。

　　这样，传感器会对其所依附的围网进行感知，有效检测攀爬产生的持续振动、剪断围网产生的高频振动、破坏围网产生的强烈振动、围网被推倒以及传感器被拆除。

　　建立系统形成传感器网络

　　完成了能有效感知围网振动的传感器，我们需要形成一个系统将众多传感器上的告警信息收集起来，这个系统可以是基于ZigBee的无线传输网络也可以是电缆连接的有线传输网络。

　　在ZigBee无线传输网络中，振动传感器ViSEN使用电池供电。只有在振动发生的时候传感器才进入工作状态，平时一直处于休眠状态，这样可以保证传感器不换电池工作一年以上。在这个网络中，所有的传感器都是终端(End Point)设备，系统会在适当的地点设置路由(Router)设备，最终都连接到协调处理设备VGM(Coordinator)上。

　　对于周界探测系统经常应用的线状边界来说，用电缆连接的有线传输网络更加适合。系统通过感应电缆将振动传感器ViSEN串联起来连接到现场控制主机VGM上，而后者通过电缆给传感器供电和提供通信媒介。传感器与现场控制主机间形成CAN总线连接，保证传感器上的报警能够及时主动上报到主机，几乎可以实现零延迟报警。如果VGM主机采用RS485方式轮询传感器，一旦总线上连接的传感器数量偏多，则可能产生的报警延迟会非常难以让人接受。

图1、传感器原理结构图

    传感器的控制和管理

　　系统通过综合管理平台软件和现场控制主机来实现对传感器的控制和管理。首先，不管是无线网络还是有线网络，传感器ViSEN都连接到现场控制主机VGM上，现场控制主机实现传感器配置、参数更改和告警信息收集等底层通信协议;其次，综合管理平台软件通过读写现场控制主机实现对振动传感器管理;最后，将告警以事件的方式呈现到界面上。

图2、ZigBee无线传输网络图

　　基于MEMS芯片的周界探测系统特点

　　经过以上对基于MEMS振动传感器周界报警系统的介绍，对比现有振动探测周界报警系统，我们发现了基于MEMS芯片的周界报警系统的一些特点。

　　全数字系统

　　微电子机械系统直接在芯片内部实现外界激励到输出的转换，而芯片正常工作时对外部条件的要求并不高，所以用MEMS芯片实现振动传感要比光缆振动等传统探测系统更容易控制和实现。

　　3轴加速度传感芯片对外接口是IIC，传感器上的处理器直接得到数字信号，所以整个传感器对电源、通信和算法冗余性要求都不高，传感器抗干扰能力强。传统的振动电缆和光缆振动探测系统则需要经过小信号放大、模拟信号采集等步骤之后才能实施探测算法，而这些过程必须对噪声进行严格控制，否则直接导致算法准确率下降，影响周界系统最重要的指标：误报率和漏报率。

图3、电缆连接的有线传输网络图

　　实现精准定位

　　传感器是基于MEMS芯片的全数字系统，我们就可以赋予每个传感器一个ID，如果某一个传感器检测的入侵报警，这个ID就可以随着告警信息一起上传到管理平台，于是整个系统就有能力将报警定位到每一台传感器。

　　一般情况下，一个网片安装一台传感器，那么系统就可以将报警定位在每一片围网上，精准的告警定位非常有利于多系统融合的精准联动。比如说在做周界报警的视频联动时，我们可以将每一片围网的位置与摄像机预置位对应，当有告警时，直接根据告警传感器地址调取摄像机预置位，快速将摄像机调整到告警发生位置。

　　传统的光缆振动探测系统一般的定位精度都在100米左右，振动电缆的定位精度也在10米左右，摄像机只能联动看整体图像，真正发生入侵的点可能会因此而错过，没有及时看清楚入侵现场实际情况。

    实现多角度传感

　　传感器基于3轴加速度MEMS芯片实现，剪切围网造成的振动和攀爬围网造成的振动很容易就能通过强度和频率分布算法分辨出来，除此之外，传感器还能通过MEMS芯片的方位检测功能实现围网倾覆探测。

　　传统的震动电缆和光缆振动探测系统分辨剪切还是攀爬的准确率非常低，并且不能判断围网是否倾覆。

　　综合多种算法

　　F.I.R.S.T. 5D算法是从5个不同的域来综合分析振动的算法。

　　F-Frequency Domain，从频率域分析振动

　　不同振动的频率分布不同，风吹围网产生的振动大部分是低频振动;剪切围网产生的振动大部分集中体现在高频;攀爬产生的持续振动则正好处于前两者之间。请看图4-1、4-2、4-3示例。

　　I-Intensity Domain，从强度域分析振动

　　冰雹和雨滴打在围网上产生的振动频率分布和剪切类似，也体现为高频变化明显。要屏蔽这些因为天气原因产生的干扰就必须引入另一个维度来分析，那就是振动强度。合理选择强度门限或者在算法中加入强度元素就能有效屏蔽掉冰雹和雨滴的干扰。

　　R-Relationship Domain，分析振动的相关性

　　将频域率、强度域、空间域和时间域分析出来的振动特征做相关分析，进而实现全网级的融合感知与探测，由此提高整个系统的稳定性和可靠性。

　　S-Space Domain，从空间域分析振动发生的空间相关性

　　传感器沿线状周界分布，现场控制主机利用分布在围界不同位置的多种传感器信息进行联合分析，实现空间域的融合。

　　T-Time Domain，从时间域分析振动发生的时间相关性

　　利用感知信息的时间关系，建立时间域的融合，在时间窗口内计算振动特性。

　　高度敏感准确

　　对于使用微电子机械系统芯片的传感器来说，感知输入的稳定性被MEMS芯片牢牢把握，芯片即能实现灵敏感知又可得到准确的低噪声数据，再加上后续5D算法加以筛选控制，可以轻松实现传感器极低误报率和漏报率。

　　基于MEMS芯片的BG-VGS围栏振动探测系统

　　BG-VGS 围栏振动探测系统是由北京深蓝同创科技有限公司生产的BG系列周界探测系统中的一款，它由MEMS 振动传感器ViSEN、现场控制主机VGM、干接点扩展模块RPM(可选)以及报警控制软件所组成。BG - VGS 围栏振动探测系统适合于安装在各种金属丝焊接或编花围网、铁栅栏、围墙等等载体之上，并检测入侵者攀爬、破坏载体的入侵行为。探测电缆可以根据现场设计制作成防护盒传感器型或隐蔽缆型布防形式。报警定位精度最小可以达到1 米(取决于传感器布防间距)。 振动探测传感器ViSEN 可以布设在防区物理围网的中间、立柱或墙体内侧，平均每1 到6 米一个，用于检测各种入侵行为所引起的振动。每个现场控制器VGM 可以控制左右各最多不超过126个振动探测传感器，既每个VGM在理论上可以控制最长756米周界(标准3 米间距)。

图4-1、剪切频率分布

图4-2、攀爬频率分布

图4-3、风吹干扰频率分布

　　通过软件设置，在每个现场控制器VGM上可以任意组合、划分所有的探测传感器以形成任意不同长度的干接点子防区，最小防区可以设定为每个探测传感器。

　　BG -VGS围栏振动探测系统环境适应性强、低误报，可以在风霜、雨雪、浓雾、沙尘、高低温等严酷环境下全天候稳定可靠的工作。

　　BG - VGS 围栏振动探测系统非常适用于有围网载体的基础设施的防护，比如机场、军事基地、能源设施、核电设施、重点文物保护，以及企事业单位、工厂、仓库、变电站、水厂、电厂、 学校、看守所、监狱等等重要场所，并且系统非常适用于比较恶劣的环境条件。系统同时也可适用于普通住宅小区、 别墅住宅区的周界安全防范。

　　BG - VGS 围栏振动探测系统拥有如下核心特点：

　　独创F.I.R.S.T 5D 算法;

　　有效探测攀爬、拉扯、踩踏和剪断围网所产生的持续振动;

　　用户可设定探测参数，能适应不同类型、不同硬度的围网、栅栏和围墙;

　　连接到控制主机VGM 上的所有ViSEN可以由软件划分成小防区，如果每个小防区单独干接点输出，那么最多可划分为12 个小防区;如果不要求干接点输出，那么软件可以不受限制的任意划分小防区;

　　告警可以定位到每一个探测传感器，每一片围网;

　　防区控制主机VGM 具有防拆报警、低电压报警和传感电缆中断告警功能;

　　传感器ViSEN 可输出4 种告警：剪切、攀爬、倾斜和防拆;

　　系统提供串口和干接点对外通信方式，易于与第三方系统集成;

　　低功耗、低维护成本。

　　BG - VGS 围栏振动探测系统能很好地过滤环境变化产生的干扰，对剪切、攀爬和围网倾覆判断可靠准确，真正让用户体验到敏感、准确、尽在掌握的感觉。