基于光电传感的校园围界入侵检测系统

路明浩

摘 要： 本文针对校园围界安全和入侵检测需求，采用激光光电感应原理，设计并开发了基于激光光路隔断感应的入侵检测系统，包括激光发射器、光敏二极管、滤波和放大电路，并采用单片机嵌入式系统编程实现了光电信号处理和校园围界入侵报警识别。实验结果验证了系统的有效性。

关键词： 入侵检测；光电感应；单片机

一、校园围界入侵检测技术概述

校园安全是和谐社会中不可缺少的重要环节，对校园围界进行异常入侵检测是校园安防的一个必要手段。目前，针对家庭住宅、工商建筑和军事、机场等特种场所都已具备了各种入侵检测或防范技术，如电子围栏、红外、电磁、光电等多种传感探测技术。校园围界安全相比其他场所，具有一些特定要求，如：探测范围中等、造價预算较低、无伤害性、低维护性等特点。针对校园围界安全的这些要求，本文设计和开发基于激光光电传感的嵌入式入侵检测系统。

目前，入侵检测报警系统的前端探测技术主要有三类。第一类是物理条件触动传感器报警；第二类前端探测技术采用波束打断型传感器，当物体经过发射器发射出的光束时，由于光束的阻挡触动报警[1]；第三类前端探测器采用区域覆盖型传感器，采用这种类型的传感器可以监控一定体积的空间，如果有目标进入此空间，就会被系统探测到并触发报警。

常见的前端探测技术有震动光缆，电子围栏，红外探测，主动激光探测等。震动光缆探测系统通过对光折射的变化以及脉冲波形的检测来判断入侵物接触所产生的震动，这包括音频上、震动上以及光纤上的感知，从而触发报警系统报警。这类系统由于在安装过程中的问题以及围栏四周植物的干扰，系统的质量差别很大[2]。当系统的光缆受到破坏，这个系统将瘫痪。所以在安全方面有严格要求的地区，不能够使用这类探测报警系统。

地埋震动式和地埋压力式探测报警系统的探测器被埋入地下，通过检测对外来者的侵入所引起的土壤震动以及压力变化进行报警。但这类报警系统对土壤密度有一定的要求，否则就会产生较多误报。

脉冲电网探测报警系统在工作中，当入侵物体接触电网时，会触发放电并产生报警。这类系统的威慑作用很强，但有可能会对入侵者造成伤害。

红外探测报警系统通过对入侵物体引起的红外变化进行检测判断报警[3]。系统沿直线架设，能够监测一定范围的区域，但不适合大范围区域的他测，适用场合有限。

激光主动入侵探测报警系统通过对入侵物体对激光光线的遮挡进行检测判断报警[4-5]。激光主动入侵探测报警系统的安装简易，与被动红外探测报警系统相比，受温度气候变化影响小，设备误报率小，比较稳定，安装造价相对适中。

本文以激光对射原理为基础形成的光电感应入侵系统能够对入侵的事物进行及时的报警，一旦有物体阻断激光光路，报警系统通过识别判断是否为恶意入侵者，并进行报警。为防止外界光源干扰激光光路屏蔽入侵事件，对激光发射信号进行频率调制，接收端进行信号解调。该方案可以大大降低传统的物理围栏防护的建设成本，并具有高度的灵敏性和一定的智能性，适合校园围界安全使用。

二、检测原理与整体方案设计

2.1 光电入侵检测原理

激光具定向发光、亮度极高、单色性等特点。这些特点可以保证激光可以在较长的范围传递信号。本文以激光传递光路为探测点，以激光光路的遮断性来判断是否在检测点上出现入侵事件。

激光入侵系统应用激光发射器和感光器件实现光电感应[6]。该激光入侵报警系统通过将激光发射器布置在校园围界安防区域，与激光发射器对应的光电感应器件必须保证能够接受到激光发射机直射出的激光束。接受机把接收到的光束通过光电转换为信号，经过单片机对信号处理控制系统报警。

2.2 整体方案设计

激光入侵系统的整体设计按照一般报警系统要求，由激光发射器、光电转换电路、滤波电路、信号放大电路和信号处理与识别模块组成。激光发射器经单片机控制发射出一定频率的激光束，激光束直接照射在光敏二极管上，光敏二极管将激光光束的光强信号转换为导通和截止状态，从而使得光电转换电路得到高低电平。电平信号经过滤波电路处理，并通过放大电路输出电信号，这样就完成了光信号到电信号的转换。输出的电信号接入STC89C52单片机管脚，单片机通过对这些信号采集判断识别是否启动报警程序驱动报警。系统的性能指标如下。

灵敏度：能够在0.3m/s-3m/s的速度内实现探测；

工作电压：系统在直流3-5V电压能够正常工作；

探测距离：实现10米内的探测距离；

报警时间：识别报警持续时间应达到1s；

恢复时间：报警结束后系统立即返回工作状态；

调制频率：激光频率1000Hz。

三、系统硬件设计与实现

基于光电二极管感应电路设计单片机系统，实现对激光信号的采集和光电转换，并通过AD转化为数字信号进行处理。系统的硬件模块组成如图2所示。

激光调制电路：对于激光直流电源，采用定时器电路实现平频率为100至1000的固定方波，用该方波作为触发信号，启动激光电源，使其产生相应频率的激光闪烁信号。

光电转换电路：采用光电二极管作为光敏元件，与三极管组成光电转换电路、其常态为关闭状态；当有外部激光照射到光电二极管的感光区域时，二极管导通，光电转换电路为激发状态。

滤波电路：滤波电路的作用是滤除信号中的高频噪声干扰。考虑到本文中激光的调制频率不大于1000Hz，采用低通滤波电路过滤干扰，其截止频率为2K

放大电路：采用两个运算放大器组成信号放大电路，使得激光激发的信号进一步转换为高电平和低电平开关信号。

四、系统软件设计

4.1 信号处理算法

信号的解调算法设计，对采集的时间序列信号进行滤波和通断两种状态的时间统计，根据接收信号的有效性判别当前激光光路的通断，有效防止人为干扰激光光路的漏识别情况。信号处理算法的基本原理是对信号进行频域变换，然后用一个预置带通滤波器来判断信号中是否存在有效频率。在特定的时间窗口中，当判别当前信号存在有效调制频率时，输出为有效状态；判别当前信号中的频率成分异常时，输出无效状态。通过信号处理，可以分辨是否存在遮挡信号中断和外界干扰等情况，确保系统检测的抗干扰性。

4.2 报警识别程序设计

根据信号有效性的通断时间对是否发生入侵时间进行判断，通过单片机系统的接口产生报警。根据相关标准，激光光路中断判别是否有入侵事件发生，由一个时间阈值来判断。在本文中，假设人体的运移动速度不大于10米/秒，人体的截面尺度约为0.3米，这样估算的信号中断阈值为30毫秒，即检测系统中激光光电信号中断30毫秒即产生入侵报警输出，通知安防系统进一步查看。

经过样机实验，本文设计的光电探测系统可以实现200米距离上的激光光电信号的有效接收，可以满足以校园为对象的围界安全探测。

五、结论和展望

本文设计的基于激光光电传感的嵌入式检测系统，能够有效检测校园围界探测点之间的异物隔断光路情况，实现了校园围界的入侵检测。本文开发的入侵检测系统除了应用于校园围界安防以外，由于所设计的光电传感检测方法具有无接触远距离光路中断探测功能，还可应用于更多的检测场所。例如，对高层建筑窗口附近的异物检测等。该系统不仅可以检测异常入侵事件，还可以探测异物存在，帮助消除危险隐患。

本文设计的系统目前还处于实验样机状态，未来面向实用系统要求将在系统的安装防护、激光器和感应器件的初始对中安装调试等工程问题方面进行研究。

参考文献

[1]邱亮南. 试论主动红外和激光入侵探测器[J]. 中国安防，2008，03：58-62.

[2]罗巧梅. 分布式光纤振动传感器及其在安防领域的应用[J].中国安防， 2014， 08： 93-95.

[3]邱亮南. 试论主动红外和激光入侵探测器[J]. 中国安防，2008，03：58-62.

[4]王维. 激光对射系统在机场周界安防系统中的应用研究[J]. 智能建筑与城市信息，2010，03：79-85.

[5]迟崇巍，乔毅，姚晓峰. 机场围界入侵报警系统的设计[J]. 工业安全与环保，2011，08：21-23.

[6]乔勇惠.光电传感器原理及应用[J].可编程控制器与工厂自动化，2008，05：103-106+123.