摘要：近年來，我國建筑在規(guī)模和層次上都發(fā)展到了一個新的高度，同時建筑施工安全管理也越發(fā)受到人們重視。為更經(jīng)濟有效地為各類場所提供安防保護，提出一種無線防盜裝置，該裝置包括信號收發(fā)模塊、微處理器、無線傳輸模塊、電源模塊、報警模塊。分析了一種基于深度學(xué)習(xí)和低頻通信陣列的無線面隔離裝置設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該裝置能夠很好地實現(xiàn)障礙物體檢測，實現(xiàn)準(zhǔn)確而及時的報警。

1 引言

近年來，一些施工場地內(nèi)部多存在危險區(qū)域，急需安全防范措施阻止非工作人員的進入。然而，據(jù)非正式統(tǒng)計，我國發(fā)生工程誤闖造成人身傷害的工程超過了半數(shù)，其中大型工程、偏僻地區(qū)工程和工期長的工程幾乎是必然發(fā)生的事件。傳統(tǒng)的防盜防闖入措施主要包括人力看護、監(jiān)控攝像兩大方面。此類措施多存在信賴度低，人工看護成本高，安裝要求復(fù)雜等問題。鑒于此，為設(shè)計一種優(yōu)越于現(xiàn)市面上其他安全防護系統(tǒng)，利用 MIMO 低頻通信系統(tǒng)構(gòu)建無線安全防護面，設(shè)計非法闖入施工現(xiàn)場的人或物體實時快速檢測系統(tǒng)具有極高的現(xiàn)實意義和廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。

針對電力施工現(xiàn)場安全要求，采用 MIMO 低頻通信系統(tǒng)構(gòu)建無線安全防護面，設(shè)計非法闖入施工現(xiàn)場的人或物體實時快速檢測系統(tǒng)；采用多維時頻混合特征提取由于闖入引起的無線信號變化特征；采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練和識別。該裝置包括信號收發(fā)模塊、微處理器、無線傳輸模塊、電源模塊、報警模塊。主要針對低頻信號的發(fā)生以及信號采集進行基于 A/D 芯片及單片機構(gòu)成的低頻信號發(fā)生器的設(shè)計、信號接收以及后期信號發(fā)生改變的特征提取及識別。在構(gòu)建相對齊全的儀器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，提出構(gòu)造一種通過低頻信號生成及接收器件分開放置、信號進行點對點傳輸構(gòu)造相對安全的無線安全防護面。

2 設(shè)計方案

無線面隔離裝置設(shè)計總體方案圖如圖 1 所示。

將信號發(fā)生端以及信號接收端保持分開放置狀態(tài)。DDS 調(diào)制芯片是整個系統(tǒng)的核心部件。系統(tǒng)上電后，在程序被燒進單片機 STM32F103C8T6 的基礎(chǔ)上，信號發(fā)生端開始產(chǎn)生低頻的正弦信號，接收端啟動后，信號采集開始，此時可在信號接收端的電路板信號觀察接口檢測出接收信號，當(dāng)信號發(fā)生器與信號接收器之間存在障礙物遮擋時，接收端上的報警器即實現(xiàn)報警。

2.1 硬件的設(shè)計

該裝置包括信號收發(fā)模塊、報警模塊、微處理器、無線傳輸模塊、電源模塊。其中無線傳輸模塊用以傳輸微處理器與報警模塊的信號。電源模塊用以為整個裝置供電。

2.1.1 信號收發(fā)模塊

信號收發(fā)模塊由單片機 STM32F103C8T6、信號發(fā)生器、信號接收器、濾波器、定向天線，D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。

單片機將頻率控制字發(fā)送給信號接收器，在信號發(fā)生器的輸出端口得到所需的正弦信號，將輸出信號通過濾波器進行濾波處理。信號發(fā)生器設(shè)置為多組且同時設(shè)置與之對應(yīng)的多組信號接收器形成低頻信號通信陣列。所述信號接收器將接收到的信號發(fā)送給微處理器進行信號特征提取與識別，其中微處理器利用多維時頻混合特征提取信號變化特征并采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練和識別，當(dāng)?shù)皖l信號在傳輸過程中通過障礙物遮擋時信號傳輸功率發(fā)生改變，通過微處理器將其轉(zhuǎn)化為波形方差作為參考信息，若超過預(yù)設(shè)閾值，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并通過無線傳輸模塊將波形方差傳輸給報警模塊進行報警。

2.1.2 報警模塊

報警模塊由單片機 STM32F103C8T6、窗口電壓比較器、延時控制電路、多諧振蕩器電路、電源，報警元件組成。

窗口電壓比較器包括 RP1、R4、R5、R6、R7、RP2、D1、D2、IC3、IC4；延時控制電路由IC5、R8、R9、R10、C4、C5、C6、BG，SCR 組成；多諧振蕩器電路由芯片 IC4、R11、R12，C8 和 C9 構(gòu)成；報警元件由 R13、D3、D4、N/O，LED 燈和無繩電話機組成。IC3、IC4、IC5 為帶有真差動輸入的四運算放大器。SCR 為可控硅整流器，型號為 SN101。

當(dāng)剛接通 15 V 電源時，IC5 的正負(fù)極電壓分別為 V-＝R9／(R9＋R8) ，V+＝0 V 隨著時間的推移，V+ 的值逐漸升高，當(dāng) t 約為 1 μs 時，V+ 達到 10 V，所以當(dāng)接通電源時間約小于 1 μs 內(nèi)，IC5 輸出低電平 BG 不導(dǎo)通，SCR 的 A 極為低電平，當(dāng)接通電源時間約大于 1 μs 時，IC5 輸出高電平，使 BG 導(dǎo)通，SCR 的 A 極為高電平。

這樣在接通電源約小于 1μs 的時間內(nèi)，無論監(jiān)視區(qū)內(nèi)是否有活動的人體或物體，由于沒有給多諧振蕩器供電而處于不工作的狀態(tài)，不產(chǎn)生報警信號。接通電源約 1μs 后，IC5 輸出高電平，BG 導(dǎo)通，SCR 的 A 極為高電平，如果沒有人體或物體經(jīng)過兩個信號源之間移動，IC3、IC4 都輸出低電平，SCR 不導(dǎo)通，多諧振蕩器處于不工作的狀態(tài)，不產(chǎn)生報警信號；當(dāng)有人或物體經(jīng)過無線面隔離區(qū)域之間移動時，反射回來的信號與原信號產(chǎn)生頻移，微處理器把微弱的頻移信號進行放大、限幅等措施，通過單片機 B 取得和物體移動相關(guān)的直流電平。此電平與窗口電壓比較器的基準(zhǔn)電壓相比較輸出高電平，SCR 導(dǎo)通，多諧振蕩器的 IC6 投入工作，IC6 的 4 腳所接的 N/O 接至無繩電話機報警。

具體電路圖如圖 2 所示。

2.1.3 微處理器

本實驗裝置主要采用 STM32F103C8T6 單片機，是一款基于 ARM Cortex-M 內(nèi)核 STM32 系列的 32 bit 的微控制器，程序存儲器容量是 64 kB，工作頻率為 72 MHz。所有型號的器件都包含 3 個 12 bit的 ADC、4 個通用 16 bit 定時器和 2 個 PWM 定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口：多達 2 個 I2C、3 個 SPI、2 個 I2S、1 個 SDIO、5 個 USART、一個 USB 和 1 個 CAN。

2.1.4 無線傳輸模塊

采用靈活數(shù)據(jù)報文自定義，自定義本地串口采集指令，自動采集傳感器數(shù)據(jù)，自動打包上傳的 4G 通信模塊與單片機通過串口連接，完成硬件配置與軟件設(shè)計。天線收到信號后采用兩種處理，其一是初步判斷信號狀況是否異常，通過無線報警裝置即時報警；其二，針對誤報現(xiàn)象，采用 4G 無線傳輸將接收到的信號數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析進一步精確判斷信號受阻程度，若判定有人通過則自動撥打特定號碼進行報警。

2.1.5 硬件的整體思路

信號發(fā)生器實驗平臺環(huán)境如圖 3 所示，首先單片機將頻率控制字發(fā)送給信號接收器，在信號發(fā)生器的輸出端口得到所需的正弦信號，將輸出信號通過濾波器進行濾波處理。濾波器的中心頻率通過單片機 A 按照信號發(fā)生器的輸出頻率進行設(shè)置，D/A 轉(zhuǎn)換器控制輸出低頻信號的幅度，由定向天線加大信號傳輸距離并與對應(yīng)的多組信號接收器形成低頻信號通信陣列，構(gòu)成無線面隔離區(qū)域。

信號接收器將接收到的信號發(fā)送給微處理器進行信號特征提取與識別，其中微處理器利用多維時頻混合特征提取信號變化特征并采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練和識別，當(dāng)?shù)皖l信號在傳輸過程中通過障礙物遮擋時信號傳輸功率發(fā)生改變，通過微處理器將其轉(zhuǎn)化為波形方差作為參考信息，若超過預(yù)設(shè)閾值，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并通過無線傳輸模塊將波形方差傳輸給報警模塊進行報警。

2.2 軟件的設(shè)計

本裝置采用 ADI 公司的 DDS 芯片 AD9959 配以單片機 STM32F103C8T6 實現(xiàn)高穩(wěn)定度的低頻信號發(fā)生器。單片機的控制程序包括按鏈程序、輸出頻率顯示程序、AD9959 初始設(shè)置程序以及按鍵指令與 AD9959 控制指令間的轉(zhuǎn)換程序。流程如圖 4 所示，開始單片機會對 AD9959 進行一些初始設(shè)置，包括時鐘選擇, 串口傳輸模式設(shè)置，初始頻率輸出設(shè)置等,初始輸出頻率為 1 MHz，不調(diào)制。同時在顯示屏上顯示頻率和相應(yīng)的調(diào)制模式，等查詢到有按鍵按下時，首先在顯示屏上顯示相應(yīng)按鍵指令,然后等到確認(rèn)按鍵按 F 后，才進行相應(yīng)的指令處理，對 AD9959 進行改變輸出信號的控制。所以，當(dāng)確認(rèn)鍵不按下時，單片機不會改變向 AD9959 傳輸?shù)目刂浦噶睢?/p>

3 裝置使用結(jié)果分析

一對低頻通信陣列無線隔面的使用結(jié)果：當(dāng)有任何物體出現(xiàn)在此裝置的信號收發(fā)裝置之間時（信號收發(fā)裝置的最大距離為 50 m），值將信號接收裝置發(fā)出的信號將超過預(yù)設(shè)閾值，最終將波形方差通過無線傳輸模塊傳輸給報警模塊，報警模塊發(fā)出報警聲響。

多對低頻通信陣列無線隔面的使用結(jié)果：當(dāng)物體通過該隔離面時，信號接收器將接收到的信號發(fā)送給微處理器對多組信號進行信號的特征識別與提取，通過數(shù)據(jù)庫來判斷該入侵生物是否為人類以及其移動速度。若識別結(jié)果為人類則觸發(fā)警報；若不是則不做報警處理。

4 結(jié)語

隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展，以及人們對建筑施工安全管理的日益重視。使得無線防盜裝置在施工場地的需求愈發(fā)的強烈。為更經(jīng)濟有效地為各類場所提供安防保護，本文章提出了一種低頻通信陣列的無線隔面。該低頻通信陣列的無線隔面中采用了單片機低頻信號發(fā)生器，這種信號發(fā)生器有如下特點：數(shù)值精確、性能穩(wěn)定、操作方便，并且合成發(fā)生器產(chǎn)生高精度、低失真的正弦波或方波電壓。是一個很有應(yīng)用前景的信號收發(fā)裝置。

在信號通過上述信號接收器之后，通過微處理器對所傳輸?shù)倪M行預(yù)處理，并對其特征進行相關(guān)提取的過程，對信號進行取樣分組。最后，使用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)訓(xùn)練，分析是否有入侵者，若有則警報器發(fā)生警報。最終經(jīng)過一系列的檢測，證明該設(shè)計是可用于建筑場地安全防護的低頻、高精度、高速率、穩(wěn)定的報警設(shè)施。并且，可以看出該設(shè)計有很廣的應(yīng)用前景，值得繼續(xù)開發(fā)研究并豐富其功能。