论文部分内容阅读
[摘 要]本文简要介绍了分布式网络状报警监控系统开发的原理及基础，描述了系统中各硬件组成部分，重点突出了本系统特有的传感器复合使用技术。此系统可良好地实现夜间监控功能，并及时发出报警提示。
[关键词]分布式 报警监控系统 多模探测
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）07-0029-02
0.引言
分布式网络状报警监控局域网系统是一种能在夜间工作的、对外来目标的侵入进行预警并在必要时对目标进行识别的、分布式网络状的动态的集报警及监控一体化的局域网系统，可应用于监狱、银行金库、武警枪械库等其它需要建立安全防范系统的领域。其创新性地将各网络内部各传感器节点并联以扩大覆盖面，并可根据报警的先后顺序判断罪犯的活动目的，从而为安保人员赢得更多的预警时间。
1.系统开发的核心思想
我国目前正面临从温饱型向小康型的转型时期，因此社会公共安全尤为重要。在此特殊时期，某些特定领域如监狱、金库、枪械库等其它机密部门一旦遭到犯罪危害后，后果显得尤其严重。在这个时期对预警/监控系统的需求就比别的时期更迫近，尤其是适用于犯罪高发的夜间的产品。但就目前市场产品看，报警/监控一体化系统功能并不完善。开始是由于红外传感器与红外热成像仪之间的输入/输出（I/O）接口扩展的局限性使其只能应用在小的系统上；后来PLC主机在系统上的应用解决了输入/输出（I/O）接口扩展的局限性问题，但成本高。因此开发一款适合当前形势的报警监控系统便迫在眉睫。
分布式网络监控报警系统相较其他产品具有更多优势。其一，此产品功能强大。监控系统通过返回监控目标报警，并及时准确无误地将预警信息显示在屏幕上；使用方便，不易受停电等外界不可预见的客观因素影响。其二，采用分布式多层次网络控制技术来实现终端对每一个报警/监控节点的控制，避免了完全基于门阵列技术的PLC（可编程控制），未来产品成本低，市场价格竞争力强。
2.硬件组成
系统采用多种传感器作为报警监控系统的节点，再通过相关通讯技术使得传感器与监控终端联通，最后监控信息显示于监控终端上。系统硬件构成如下图1所示。
2.1 传感器设计制造
2.1.1 BSTO薄膜传感器
近距离红外传感器与远距离红外传感器均为基于BSTO薄膜芯片技术的多元红外传感器。近距离红外传感器是分布式网络状监控与报警系统的基础节点，负责对目标的初步预警，是构成系统的基石。国内基于BST薄膜的单元热释电探测器探测率指标达到了3×107cmHz1/2W-1，配菲涅尔光学系统形成组件后其对人的作用距离可达10-15米，满足近距离传感要求。远距离红外传感器使用基于BST薄膜的单元热释电探测器并配以普通光学系统，形成组件后其对人的作用距离可增加到50-60米，满足远距离传感要求。
对预警/监控系统的设计来讲，虽然在白天可以通过人眼来完成对目标的成像探测或安装可见光的CCD摄像机来代替人眼达到这同一目的，但考虑到针对监狱、金库、枪械库、油库、弹药库等重要目标的犯罪事实上往往在夜间发生，所以對预警/监控系统的设计还需要能在夜间工作的一种传感器（红外传感器）技术及一种夜视成像技术（红外热成像技术）的支撑。红外传感器负责发现逼近的目标并发出报警信号而红外热成像负责对被发现目标的体貌特征进行提取。目前国内用于红外报警领域的红外传感器大都使用上海尼塞拉有限公司所生产的基于PZT（锆钛酸铅）陶瓷芯片的单元或二元红外传感器，探测距离在2-15米之间。由于这种陶瓷型的传感器的生产工艺复杂，要经过将近毫米级的陶瓷材料经研磨抛光等过程减薄到十微米左右，因而有成品率底及成本高的缺点；这个领域的发展趋势是：用薄膜材料代替陶瓷材料，直接在硅片上长出薄膜型的探测器芯片。这样的工艺流程由于工艺难度大大降低而使成品率增加，故成本将大大下降，而且高频响应性能好。就单元探测器来讲，必须要采用菲涅尔光学系统以对目标视场进行分割，而这是以降低探测距离为代价的；既要保证较宽的探测视场，又要采用普通的光学系统来代替菲涅尔光学系统，不对目标视场进行分割，就必须将探测器芯片做成多元的小面阵结构。对于陶瓷材料来讲，要做成多元的每一单元相互隔离（电、热绝缘）的小面阵结构是近乎不可能的，只能采取拼接的办法，而这又很麻烦；对于薄膜材料来讲，要做成多元的每一单元相互隔离（电、热绝缘）的小面阵结构是较为容易的。这就是采用以BSTO薄膜为光敏材料的长波红外传感器技术在本系统中的优越性。
2.1.2 振动传感器
振动传感器直接选用国内已商业化的压电高灵敏度微型器件，因不涉及自主创新内容，故在此不再赘述。
2.1.3 激光传感器
系统采用如下的设计原理来实现激光传感器的探测功能：利用镓铝砷半导体激光器发射近红外脉冲激光，通过扩束光学系统控制激光束发散角，使之能够覆盖一定范围；被监控目标进入激光束所控制区域内引起激光漫反射；在反射光光路上安装光电探测器对与近红外脉冲激光的频率相同的反射光进行探测后输出信号。如此设计的优点一是因近红外脉冲激光能量较强，信噪比高，从而使得传感器作用距离远，可达60米以上；二是接收探测器对准调焦容易；三是扩大了覆盖区域；四是因接收探测器只探测与近红外脉冲激光频率一致的光信号，不受其它光信号的干扰，从而降低虚警率。
2.1.4 传感器在系统中的复合使用
（1）近距离红外与振动复合的多模探测技术应用
在以往的系统中，近距离红外与振动两种探测模式是分的使用的，近距离红外传感器探测的是15米以内的发热目标，而振动传感器探测的是由于振动或声音所引起的机械波；只装近距离红外而不装振动传感器，容易使系统对夜间活动的猫及老鼠告警即系统虚警率高；而只装振动而不装近距离红外传感器，容易使系统对夜间由于刮大风所引起的振动告警，系统虚警率亦高。本项目为降低虚警率，将近距离红外与振动传感技术复合起来形成多模探测技术应用，若在系统终端只有红外信号而无振动信号，则说明信号是夜间活动的猫及老鼠；若在系统终端只有振动信号而无红外信号，则说明信号是大风所致；只有在系统终端既有振动信号而又有红外信号时，才说明罪犯已在活动。 （2）远距离红外与激光复合的多模探测技术应用
在以往的系统中，远距离红外与激光探测这两种探测亦是分开的。远距离来讲，安装一台即可覆盖绝大部分警戒区域，但容易对夜间出来活动的猫及老鼠告警；激光探测的特点是距离远，可达大于60米，但即便扩束后亦有监控区域小，容易形成死角的缺点（当然比激光拉线强），猫及老鼠等体积小的目标往往容易逃避激光的监控，人若爬行亦极有可能逃避激光的监控；对警戒区域靠单一的激光或红外都容易出错，或虚警，或监控不到位。本项目提出远距离红外与激光复合的多模探测技术，达到了既不虚警而又杜绝监控死角的目的。
2.2 传感器与系统终端的通信
对于本系统所设计的网络状多层次的实时动态监控，它的核心内容就是靠大量低成本的热释电红外传感器的安装来达到增加系统覆盖范围的目的。显然不可能采取将每一个终端都拉一根线到主机的方式来实现传感器与监控终端的通讯，因为那样的话，要拉的线就太多了。众多的监控节点事实上只能共用一根线来传输信号到主机，这就出现了一个问题，那就是一旦报警信号产生，主机将五法识别并判明它是那一个监控节点的信号？所以利用地址编码技术以使主机对每一监控节点的地理位置进行识别就是必要的，同时亦可使主机对每个监控节点的工作状态进行实时检查。本系统采用的是将地址编码技术植入到红外传感器中的方案，从结构上来讲，地址编码芯片与红外传感器是一体化的（见下图2）而与主控板（其功能相当于PLC主机）是分离的。在此将这一结构上的创新称为可寻址智能热释电红外传感器。
2.3 监控终端工作模式设计及实现
在监管指挥中心及控制终端的设计上，采用电子地图再辅以先进的动态视频图像处理技术以达到直观的效果：
（1）选用工控机辅以UPS电源，消除电脑长时间开机容易出现的故障，并在一定程度上规避停电的干扰。
（2）采用串行输入技术使各报警及监控节点的传感器/摄像头联网，所有电子信号及视频信号通过一根电缆经通信接口输入计算机。
（3）采用数字编码技术对所有报警及监控节点的传感器/摄像头的地址进行识别，地址信号的传输与控制采用同一根电缆。
（4）在计算机中嵌入各传感器/攝像头的正常工作状态参数，并采用数字反馈技术适时查询各节点的工作状态，以达到短路及某节点已损坏的报警功能。
（5）报警模式可根据用户要求采用语音、警笛或警灯提示等模式。
（6）对监区的地形地貌进行实地测绘，根据用户所提出的报警/监控节点制作电子地图，划分出各报警/监控区域，在工控机上显示，准确定位，方便观察。
（7）采用视频分割技术，在多个报警/监控节点或区域同时遭到侵入时使用。
（8）若有必要，某些重要节点的报警信号可以与监狱的夜间探照灯系统、高压警戒电网系统及监狱相关领导的手机短消息收发系统联动。
（9）编制专用控制软件，除了对各报警/监控单元的电子信号、视频信号及反馈的信号进行控制外，还对报警时报警信息报警类别、报警时间及相关信息（包含由摄像头的视频图像）进行处理，如显示、存储、查询及打印等。
（10）专用控制软件还具有与监狱的夜间探照灯系统、高压警戒电网系统及监狱相关领导的手机短消息收发系统联动的功能。
3.结束语
本系统以低成本BSTO薄膜单元热释电探测器为基本节点，研制出所需的激光探测器配合振动传感器、BSTO薄膜多元热释电探测器及近红外CCD摄像机，开发出了一套满足技术指标的夜间报警及监控系统商业化产品。此系统技术特点独特、功能强大，且成本较低、性价比高，又无同类产品竞争，市场风险小，是一款满足市场需求、功能强大的监控系统。
[关键词]分布式 报警监控系统 多模探测
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）07-0029-02
0.引言
分布式网络状报警监控局域网系统是一种能在夜间工作的、对外来目标的侵入进行预警并在必要时对目标进行识别的、分布式网络状的动态的集报警及监控一体化的局域网系统，可应用于监狱、银行金库、武警枪械库等其它需要建立安全防范系统的领域。其创新性地将各网络内部各传感器节点并联以扩大覆盖面，并可根据报警的先后顺序判断罪犯的活动目的，从而为安保人员赢得更多的预警时间。
1.系统开发的核心思想
我国目前正面临从温饱型向小康型的转型时期，因此社会公共安全尤为重要。在此特殊时期，某些特定领域如监狱、金库、枪械库等其它机密部门一旦遭到犯罪危害后，后果显得尤其严重。在这个时期对预警/监控系统的需求就比别的时期更迫近，尤其是适用于犯罪高发的夜间的产品。但就目前市场产品看，报警/监控一体化系统功能并不完善。开始是由于红外传感器与红外热成像仪之间的输入/输出（I/O）接口扩展的局限性使其只能应用在小的系统上；后来PLC主机在系统上的应用解决了输入/输出（I/O）接口扩展的局限性问题，但成本高。因此开发一款适合当前形势的报警监控系统便迫在眉睫。
分布式网络监控报警系统相较其他产品具有更多优势。其一，此产品功能强大。监控系统通过返回监控目标报警，并及时准确无误地将预警信息显示在屏幕上；使用方便，不易受停电等外界不可预见的客观因素影响。其二，采用分布式多层次网络控制技术来实现终端对每一个报警/监控节点的控制，避免了完全基于门阵列技术的PLC（可编程控制），未来产品成本低，市场价格竞争力强。
2.硬件组成
系统采用多种传感器作为报警监控系统的节点，再通过相关通讯技术使得传感器与监控终端联通，最后监控信息显示于监控终端上。系统硬件构成如下图1所示。
2.1 传感器设计制造
2.1.1 BSTO薄膜传感器
近距离红外传感器与远距离红外传感器均为基于BSTO薄膜芯片技术的多元红外传感器。近距离红外传感器是分布式网络状监控与报警系统的基础节点，负责对目标的初步预警，是构成系统的基石。国内基于BST薄膜的单元热释电探测器探测率指标达到了3×107cmHz1/2W-1，配菲涅尔光学系统形成组件后其对人的作用距离可达10-15米，满足近距离传感要求。远距离红外传感器使用基于BST薄膜的单元热释电探测器并配以普通光学系统，形成组件后其对人的作用距离可增加到50-60米，满足远距离传感要求。
对预警/监控系统的设计来讲，虽然在白天可以通过人眼来完成对目标的成像探测或安装可见光的CCD摄像机来代替人眼达到这同一目的，但考虑到针对监狱、金库、枪械库、油库、弹药库等重要目标的犯罪事实上往往在夜间发生，所以對预警/监控系统的设计还需要能在夜间工作的一种传感器（红外传感器）技术及一种夜视成像技术（红外热成像技术）的支撑。红外传感器负责发现逼近的目标并发出报警信号而红外热成像负责对被发现目标的体貌特征进行提取。目前国内用于红外报警领域的红外传感器大都使用上海尼塞拉有限公司所生产的基于PZT（锆钛酸铅）陶瓷芯片的单元或二元红外传感器，探测距离在2-15米之间。由于这种陶瓷型的传感器的生产工艺复杂，要经过将近毫米级的陶瓷材料经研磨抛光等过程减薄到十微米左右，因而有成品率底及成本高的缺点；这个领域的发展趋势是：用薄膜材料代替陶瓷材料，直接在硅片上长出薄膜型的探测器芯片。这样的工艺流程由于工艺难度大大降低而使成品率增加，故成本将大大下降，而且高频响应性能好。就单元探测器来讲，必须要采用菲涅尔光学系统以对目标视场进行分割，而这是以降低探测距离为代价的；既要保证较宽的探测视场，又要采用普通的光学系统来代替菲涅尔光学系统，不对目标视场进行分割，就必须将探测器芯片做成多元的小面阵结构。对于陶瓷材料来讲，要做成多元的每一单元相互隔离（电、热绝缘）的小面阵结构是近乎不可能的，只能采取拼接的办法，而这又很麻烦；对于薄膜材料来讲，要做成多元的每一单元相互隔离（电、热绝缘）的小面阵结构是较为容易的。这就是采用以BSTO薄膜为光敏材料的长波红外传感器技术在本系统中的优越性。
2.1.2 振动传感器
振动传感器直接选用国内已商业化的压电高灵敏度微型器件，因不涉及自主创新内容，故在此不再赘述。
2.1.3 激光传感器
系统采用如下的设计原理来实现激光传感器的探测功能：利用镓铝砷半导体激光器发射近红外脉冲激光，通过扩束光学系统控制激光束发散角，使之能够覆盖一定范围；被监控目标进入激光束所控制区域内引起激光漫反射；在反射光光路上安装光电探测器对与近红外脉冲激光的频率相同的反射光进行探测后输出信号。如此设计的优点一是因近红外脉冲激光能量较强，信噪比高，从而使得传感器作用距离远，可达60米以上；二是接收探测器对准调焦容易；三是扩大了覆盖区域；四是因接收探测器只探测与近红外脉冲激光频率一致的光信号，不受其它光信号的干扰，从而降低虚警率。
2.1.4 传感器在系统中的复合使用
（1）近距离红外与振动复合的多模探测技术应用
在以往的系统中，近距离红外与振动两种探测模式是分的使用的，近距离红外传感器探测的是15米以内的发热目标，而振动传感器探测的是由于振动或声音所引起的机械波；只装近距离红外而不装振动传感器，容易使系统对夜间活动的猫及老鼠告警即系统虚警率高；而只装振动而不装近距离红外传感器，容易使系统对夜间由于刮大风所引起的振动告警，系统虚警率亦高。本项目为降低虚警率，将近距离红外与振动传感技术复合起来形成多模探测技术应用，若在系统终端只有红外信号而无振动信号，则说明信号是夜间活动的猫及老鼠；若在系统终端只有振动信号而无红外信号，则说明信号是大风所致；只有在系统终端既有振动信号而又有红外信号时，才说明罪犯已在活动。 （2）远距离红外与激光复合的多模探测技术应用
在以往的系统中，远距离红外与激光探测这两种探测亦是分开的。远距离来讲，安装一台即可覆盖绝大部分警戒区域，但容易对夜间出来活动的猫及老鼠告警；激光探测的特点是距离远，可达大于60米，但即便扩束后亦有监控区域小，容易形成死角的缺点（当然比激光拉线强），猫及老鼠等体积小的目标往往容易逃避激光的监控，人若爬行亦极有可能逃避激光的监控；对警戒区域靠单一的激光或红外都容易出错，或虚警，或监控不到位。本项目提出远距离红外与激光复合的多模探测技术，达到了既不虚警而又杜绝监控死角的目的。
2.2 传感器与系统终端的通信
对于本系统所设计的网络状多层次的实时动态监控，它的核心内容就是靠大量低成本的热释电红外传感器的安装来达到增加系统覆盖范围的目的。显然不可能采取将每一个终端都拉一根线到主机的方式来实现传感器与监控终端的通讯，因为那样的话，要拉的线就太多了。众多的监控节点事实上只能共用一根线来传输信号到主机，这就出现了一个问题，那就是一旦报警信号产生，主机将五法识别并判明它是那一个监控节点的信号？所以利用地址编码技术以使主机对每一监控节点的地理位置进行识别就是必要的，同时亦可使主机对每个监控节点的工作状态进行实时检查。本系统采用的是将地址编码技术植入到红外传感器中的方案，从结构上来讲，地址编码芯片与红外传感器是一体化的（见下图2）而与主控板（其功能相当于PLC主机）是分离的。在此将这一结构上的创新称为可寻址智能热释电红外传感器。
2.3 监控终端工作模式设计及实现
在监管指挥中心及控制终端的设计上，采用电子地图再辅以先进的动态视频图像处理技术以达到直观的效果：
（1）选用工控机辅以UPS电源，消除电脑长时间开机容易出现的故障，并在一定程度上规避停电的干扰。
（2）采用串行输入技术使各报警及监控节点的传感器/摄像头联网，所有电子信号及视频信号通过一根电缆经通信接口输入计算机。
（3）采用数字编码技术对所有报警及监控节点的传感器/摄像头的地址进行识别，地址信号的传输与控制采用同一根电缆。
（4）在计算机中嵌入各传感器/攝像头的正常工作状态参数，并采用数字反馈技术适时查询各节点的工作状态，以达到短路及某节点已损坏的报警功能。
（5）报警模式可根据用户要求采用语音、警笛或警灯提示等模式。
（6）对监区的地形地貌进行实地测绘，根据用户所提出的报警/监控节点制作电子地图，划分出各报警/监控区域，在工控机上显示，准确定位，方便观察。
（7）采用视频分割技术，在多个报警/监控节点或区域同时遭到侵入时使用。
（8）若有必要，某些重要节点的报警信号可以与监狱的夜间探照灯系统、高压警戒电网系统及监狱相关领导的手机短消息收发系统联动。
（9）编制专用控制软件，除了对各报警/监控单元的电子信号、视频信号及反馈的信号进行控制外，还对报警时报警信息报警类别、报警时间及相关信息（包含由摄像头的视频图像）进行处理，如显示、存储、查询及打印等。
（10）专用控制软件还具有与监狱的夜间探照灯系统、高压警戒电网系统及监狱相关领导的手机短消息收发系统联动的功能。
3.结束语
本系统以低成本BSTO薄膜单元热释电探测器为基本节点，研制出所需的激光探测器配合振动传感器、BSTO薄膜多元热释电探测器及近红外CCD摄像机，开发出了一套满足技术指标的夜间报警及监控系统商业化产品。此系统技术特点独特、功能强大，且成本较低、性价比高，又无同类产品竞争，市场风险小，是一款满足市场需求、功能强大的监控系统。