0 引  言

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，人們對(duì)自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時(shí)刻留意那些不速之客。現(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報(bào)警系統(tǒng)，大大提高了小區(qū)的安全程度，有效保證了居民的人身財(cái)產(chǎn)安全。由于紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)目前使用的各類防盜、保安報(bào)警器基本都是以超聲波、主動(dòng)式紅外發(fā)射／接收以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的基于紅外的目標(biāo)跟蹤以及防盜系統(tǒng)主要有兩類：主動(dòng)紅外跟蹤系統(tǒng)和被動(dòng)紅外跟蹤報(bào)警系統(tǒng)。前者主要用于視頻會(huì)議、辦公室人員的定位跟蹤或者醫(yī)院對(duì)病人的定位跟蹤等，主動(dòng)紅外跟蹤系統(tǒng)其優(yōu)點(diǎn)在于針對(duì)性強(qiáng)、誤報(bào)率低，但是尚未應(yīng)用于防盜領(lǐng)域。后者主要應(yīng)用于一些民用或商用報(bào)警系統(tǒng)，由于人本身輻射一定波長(zhǎng)的紅外線，紅外探測(cè)器檢測(cè)到紅外變化而產(chǎn)生斬波信號(hào)從而觸發(fā)報(bào)警電路，其靈敏度較高，適用于對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的偵測(cè)。用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場(chǎng)上銷售的許多防盜報(bào)警器材相比，具有如下特點(diǎn)：不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源；靈敏度高、控制范圍大；隱蔽性好，可流動(dòng)安裝。

對(duì)于一些大型倉(cāng)庫(kù)或者保密性較高的場(chǎng)所，通常都希望工作人員進(jìn)入時(shí)對(duì)其行為進(jìn)行跟蹤而不報(bào)警；而對(duì)非系統(tǒng)內(nèi)部人員在進(jìn)行防盜報(bào)警同時(shí)，并對(duì)其進(jìn)行跟蹤錄像。針對(duì)該應(yīng)用需求，本文提出了一種兼主動(dòng)和被動(dòng)紅外報(bào)警于一體的目標(biāo)跟蹤和報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出了原理框圖，在此基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)的工作流程。特別是系統(tǒng)的被動(dòng)紅外跟蹤報(bào)警功能更是為一些突發(fā)事件的后續(xù)偵查提供了可靠證據(jù)。

1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)組成如圖1所示。其中紅外接受器IR2638、微處理器STC89C53RC、電機(jī)控制電路A3977、攝像頭等組成紅外主動(dòng)跟蹤模塊；熱釋電紅外傳感KP506B、微處理器STC89C53RC、電機(jī)控制電路A3977、攝像頭、報(bào)警器等組成被動(dòng)跟蹤報(bào)警模塊。

主動(dòng)跟蹤模塊用于跟蹤進(jìn)入檢測(cè)范圍的攜帶有紅外發(fā)射電路的已知目標(biāo)，模塊中的紅外接收器用來接收來自已知目標(biāo)的特定頻率的紅外信號(hào)，并將該紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給微處理器，微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并根據(jù)視場(chǎng)定位算法得到目標(biāo)當(dāng)前位置，再通過電機(jī)來轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)來實(shí)現(xiàn)攝像頭對(duì)目標(biāo)的跟蹤，完成主動(dòng)跟蹤目標(biāo)的功能。

被動(dòng)跟蹤報(bào)警模塊用于跟蹤進(jìn)入系統(tǒng)的未攜帶紅外發(fā)射電路的未知目標(biāo)，模塊中的熱釋電紅外傳感器用來檢測(cè)人體輻射的紅外信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給微處理器，微處理器再獲得信號(hào)及目標(biāo)位置后，分別輸出報(bào)警信號(hào)進(jìn)行報(bào)警；同時(shí)輸出跟蹤信號(hào)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)云臺(tái)實(shí)現(xiàn)攝像頭對(duì)目標(biāo)的跟蹤，完成被動(dòng)跟蹤目標(biāo)并報(bào)警功能。

2 系統(tǒng)模塊化

2.1 主動(dòng)跟蹤模塊

此模塊主要完成對(duì)目標(biāo)的主動(dòng)識(shí)別與跟蹤。主要包括紅外傳感器接受電路、紅外視覺神經(jīng)調(diào)理電路及攝像機(jī)伺服電路。模塊組成如圖2所示。

(1)目標(biāo)：這里是指能夠發(fā)出紅外接收器接收的特定頻率段紅外信號(hào)的紅外發(fā)射器。

(2)紅外接收器：主要元器件采用一體化紅外傳感器(IR2638)。紅外遙控信號(hào)是一連串的強(qiáng)度調(diào)制的二進(jìn)制脈沖，為了使其在無線傳輸過程中免受其他紅外信號(hào)的干擾，通常都是先將其調(diào)制在特定的載波頻率上，然后再經(jīng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去。因此要求紅外線接收裝置要濾除其他載波，只接收該特定頻率的信號(hào)并將其還原成二進(jìn)制脈沖碼，也就是解調(diào)。一體化紅外傳感器將紅外光電二極管、低噪音放大器、限幅器、帶通濾波器、解調(diào)器以及整形驅(qū)動(dòng)電路等集成在一起，體積小、靈敏度高。

(3)紅外視覺神經(jīng)調(diào)理電路：主要由紅外一體化傳感器和鑒頻通道組成。一體化傳感器對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行一次鑒頻，輸出即為低頻調(diào)制信號(hào)，由于一體化傳感器本身頻響特性決定輸出的低頻調(diào)制信號(hào)是是間隔的脈沖串形式，因此需要進(jìn)行再次解調(diào)。將此目標(biāo)特征信號(hào)送人第二級(jí)鑒頻電路，通過電平電路輸出端電平判斷輸入信號(hào)是否是既定目標(biāo)的特征信號(hào)。這里選用LM567鑒頻通道的主要元器件，由于其良好的噪聲抑制能力和中心頻率穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于各種通訊設(shè)備中的解碼以及AM、FM信號(hào)的解調(diào)電路中。

(4)伺服電路：主要包括微處理器及輔助電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，用于完成對(duì)攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)來跟蹤目標(biāo)。微處理器根據(jù)傳感器電路和信號(hào)調(diào)理通道的邏輯輸出來確定目標(biāo)相對(duì)于鏡頭中心軸的方位，并發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)承載攝像機(jī)的電機(jī)來調(diào)整紅外光斑至接收屏中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤和始終鎖定在視場(chǎng)中心。這里，選用單片機(jī)STC89C53RC作為中心微處理器，系統(tǒng)采用A3977最為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，A3977是一種專門用于雙極型步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路，其內(nèi)部集成了步進(jìn)和直接譯碼接口、正反轉(zhuǎn)控制電路、雙H橋驅(qū)動(dòng)，電流輸出2.5 A，最大輸出功率可接近90 W。A3977電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

2.2  被動(dòng)紅外檢測(cè)跟蹤報(bào)警模塊

此模塊主要完成對(duì)不攜帶紅外發(fā)射電路的普通發(fā)熱物體的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，主要包括熱釋電紅外感應(yīng)電路、信號(hào)檢測(cè)調(diào)節(jié)電路、報(bào)警電路和攝像機(jī)伺服電路。電路組成如圖4所示。

(1)目標(biāo)：指進(jìn)入系統(tǒng)檢測(cè)區(qū)域的外來人員等發(fā)熱物體，由于人本身體溫高于-273℃絕對(duì)溫度，所以人體本身會(huì)發(fā)出紅外線，紅外光波長(zhǎng)為3～50 μm，其中8～14 μm占46％，峰值波長(zhǎng)在9.5 μm。

(2)熱釋電紅外感應(yīng)電路：其主要原器件采用熱釋電紅外傳感器，系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器KP506B及熱釋電紅外控制電路CS9803GP。KP506B內(nèi)部電路圖見圖5。該探測(cè)元件對(duì)波長(zhǎng)為10 μm左右的紅外輻射敏感，當(dāng)人進(jìn)入系統(tǒng)檢測(cè)區(qū)域，由于人本身發(fā)熱而發(fā)射出的紅外線通過熱釋電紅外探測(cè)器內(nèi)部的菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測(cè)元上，由于內(nèi)部?jī)蓚€(gè)探測(cè)元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，傳感器將輸出電壓信號(hào)。熱釋電紅外探測(cè)器電路如圖6所示。

(3)信號(hào)調(diào)節(jié)檢測(cè)電路：主要由放大器、比較器等調(diào)理電路來對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。由于傳感器輸出的是一個(gè)微弱的電壓脈沖信號(hào)，所以先對(duì)信號(hào)做一個(gè)幅度上的放大，使其獲得足夠的增益。再通過比較器來判別是否有信號(hào)進(jìn)入?yún)^(qū)域，完成檢測(cè)。

(4)報(bào)警電路：完成系統(tǒng)報(bào)警。主要由單穩(wěn)電路HEF4538B脈沖發(fā)生電路構(gòu)成，由比較器輸出的電平作為單穩(wěn)電路的觸發(fā)信號(hào)，使電路輸出一個(gè)脈沖控制信號(hào)用來控制報(bào)警電路輸出報(bào)警信號(hào)，來驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警時(shí)間可由單穩(wěn)電路輸出的脈沖控制信號(hào)來調(diào)節(jié)。

(5)攝像機(jī)伺服電路：主要包括微處理器及輔助電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)信號(hào)檢測(cè)調(diào)節(jié)電路輸出的信號(hào)，通過比較器判斷，目標(biāo)光斑相對(duì)于鏡頭的中心軸的位置，發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)承載攝像頭的電機(jī)進(jìn)行水平和垂直方向360°的轉(zhuǎn)動(dòng)，完成目標(biāo)跟蹤，并使目標(biāo)始終處于視場(chǎng)的中心位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行初始化，然后檢測(cè)紅外傳感器IR2638的輸出信號(hào)，當(dāng)傳感器有信號(hào)輸出，則中斷熱釋電紅外傳感器，表明進(jìn)入系統(tǒng)檢測(cè)區(qū)域的是攜帶紅外發(fā)射電路的“內(nèi)部人員”，根據(jù)視場(chǎng)定位算法獲得目標(biāo)當(dāng)前位置，進(jìn)而形成攝像頭運(yùn)動(dòng)路線，完成主動(dòng)跟蹤；當(dāng)紅外接收器IR2638無信號(hào)輸出，而熱釋電紅外傳感器KP506B輸出感應(yīng)信號(hào)，則進(jìn)入系統(tǒng)區(qū)域的為“外部人士”，驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程，模塊化子程序結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)的程序接口。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)上電后，根據(jù)單個(gè)CCD攝像機(jī)視場(chǎng)測(cè)量方法，并通過實(shí)驗(yàn)證明，在6 m的范圍內(nèi)，視場(chǎng)邊界線性一致，隨著物距的增加，視場(chǎng)邊界逐漸縮小，在12 m的地方出現(xiàn)2°的偏差，可近似認(rèn)為視場(chǎng)邊界線性。在此基礎(chǔ)上分別來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)跟蹤、被動(dòng)跟蹤，并將不同距離情況下跟蹤效果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8(a)是進(jìn)入系統(tǒng)視場(chǎng)的未攜帶發(fā)射電路的目標(biāo)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)其被動(dòng)跟蹤。圖9是當(dāng)攜帶發(fā)射電路的“已知目標(biāo)”和“未知目標(biāo)”同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)視場(chǎng)，則系統(tǒng)只跟蹤“已知目標(biāo)”。同時(shí)，由圖8和圖9對(duì)照得出，在距離不同情況下，跟蹤效果差異性較小，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了一種紅外單目標(biāo)跟蹤與防盜報(bào)警系統(tǒng)原理及功能，并對(duì)各模塊給出了設(shè)計(jì)方案，尤其是選用熱釋電紅外傳感器作為對(duì)外來人員的防盜報(bào)警，不僅成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且誤報(bào)率低。經(jīng)過多次測(cè)試，該系統(tǒng)工作情況穩(wěn)定，適合在保密性高的高層建筑里作為安防設(shè)施。同時(shí)系統(tǒng)在紅外傳感領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，可以在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的識(shí)別跟蹤.