一種紅外單目標跟蹤與防盜報警系統設計

摘 要:針對安防領域的目標跟蹤問題，介紹一種基于紅外技術的單目標跟蹤和防盜報警系統，該系統既能完成對已知目標的主動跟蹤，也能完成對未知目標的跟蹤報警功能。闡述了系統的工作原理及各模塊的電路設計。實驗表明，該系統工作穩定，誤報率低，適合作為保密性要求高的場所的安防系統 ，達到安全防護的目的。

關鍵詞:一體化紅外傳感器;熱釋電紅外傳感器;目標跟蹤;防盜報警

中圖分類號:TP274+.52 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-157-04

Design of Single Target Tracking and Anti-theft Alarm System Based on Infrared Wave

GUO Xiuxiu，LV Jianping

(College of Electronic Information Engineering，Soochow University，Suzhou，215006，China)

Abstract:A system to track target and anti-theft alarm based on infrared wave is presented，which can track target in real-time，but also can realize the alarm application if it is a ″strange visitor″.The working principle of the system is introduced，the circuit board of every model is how to design，and working principle of the core components is analysed.The system works stably with a low 1 alarm rate through the experiment.It can be used as security system in the buildings which require high confidentiality.

Keywords:integrated infrared sensor;pyroelectric infrared sensor;target tracking;anti-theft alarm

0 引 言

隨著時代的不斷進步，人們對自己所處環境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時刻留意那些不速之客。現在很多小區都安裝了智能報警系統，大大提高了小區的安全程度，有效保證了居民的人身財產安全。由于紅外線是不可見光，有很強的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應用。

國內目前使用的各類防盜、保安報警器基本都是以超聲波、主動式紅外發射/接收[1]以及微波[2]等技術為基礎。當前廣泛應用的基于紅外的目標跟蹤以及防盜系統主要有兩類:主動紅外跟蹤系統和被動紅外跟蹤報警系統。前者主要用于視頻會議、辦公室人員的定位跟蹤或者醫院對病人的定位跟蹤等， 主動紅外跟蹤系統其優點在于針對性強、誤報率低，但是尚未應用于防盜領域。后者主要應用于一些民用或商用報警系統，由于人本身輻射一定波長的紅外線，紅外探測器檢測到紅外變化而產生斬波信號從而觸發報警電路，其靈敏度較高，適用于對移動目標的偵測。用它制作的防盜報警器與目前市場上銷售的許多防盜報警器材相比，具有如下特點:

不需要用紅外線或電磁波等發射源;

靈敏度高、控制范圍大;

隱蔽性好，可流動安裝。

對于一些大型倉庫或者保密性較高的場所，通常都希望工作人員進入時對其行為進行跟蹤而不報警;而對非系統內部人員在進行防盜報警同時，并對其進行跟蹤錄像。針對該應用需求，本文提出了一種兼主動和被動紅外報警于一體的目標跟蹤和報警系統的設計方案，給出了原理框圖，在此基礎上分析了系統的工作流程。特別是系統的被動紅外跟蹤報警功能更是為一些突發事件的后續偵查提供了可靠證據。

1 系統結構

系統組成如圖1所示。其中紅外接受器IR2638、微處理器STC89C53RC[3]、電機控制電路A3977、攝像頭等組成紅外主動跟蹤模塊;熱釋電紅外傳感KP506B、微處理器STC89C53RC、電機控制電路A3977、攝像頭、報警器等組成被動跟蹤報警模塊。

主動跟蹤模塊用于跟蹤進入檢測范圍的攜帶有紅外發射電路的已知目標，模塊中的紅外接收器用來接收來自已知目標的特定頻率的紅外信號，并將該紅外信號轉換成電信號輸出給微處理器，微處理器對信號進行調理，并根據視場定位算法[4]得到目標當前位置， 再通過電機來轉動云臺來實現攝像頭對目標的跟蹤[5]，完成主動跟蹤目標的功能。

圖1 系統組成示意圖

被動跟蹤報警模塊用于跟蹤進入系統的未攜帶紅外發射電路的未知目標，模塊中的熱釋電紅外傳感器用來檢測人體輻射的紅外信號，并將其轉換成電信號輸出給微處理器，微處理器再獲得信號及目標位置后，分別輸出報警信號進行報警;同時輸出跟蹤信號通過電機驅動云臺實現攝像頭對目標的跟蹤，完成被動跟蹤目標并報警功能。

2 系統模塊化

2.1 主動跟蹤模塊

此模塊主要完成對目標的主動識別與跟蹤。主要包括紅外傳感器接受電路、紅外視覺神經調理電路及攝像機伺服電路。模塊組成如圖2所示。

圖2 主動跟蹤模塊組成框圖

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

(2) 紅外接收器:主要元器件采用一體化紅外傳感器(IR2638)。紅外遙控信號是一連串的強度調制的二進制脈沖，為了使其在無線傳輸過程中免受其他紅外信號的干擾，通常都是先將其調制在特定的載波頻率上，然后再經紅外發射二極管發射出去。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并將其還原成二進制脈沖碼，也就是解調。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、解調器以及整形驅動電路等集成在一起，體積小、靈敏度高。

(3) 紅外視覺神經調理電路:主要由紅外一體化傳感器和鑒頻通道組成。一體化傳感器對接受到的信號進行一次鑒頻，輸出即為低頻調制信號，由于一體化傳感器本身頻響特性決定輸出的低頻調制信號是是間隔的脈沖串形式，因此需要進行再次解調。將此目標特征信號送入第二級鑒頻電路，通過電平電路輸出端電平判斷輸入信號是否是既定目標的特征信號。這里選用LM567[6]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定性而被廣泛應用于各種通訊設備中的解碼以及AM、FM信號的解調電路中。

(4) 伺服電路:主要包括微處理器及輔助電路、電機驅動電路，用于完成對攝像頭的轉動來跟蹤目標。微處理器根據傳感器電路和信號調理通道的邏輯輸出來確定目標相對于鏡頭中心軸的方位，并發出控制信號，驅動承載攝像機的電機來調整紅外光斑至接收屏中心，實現對目標的跟蹤和始終鎖定在視場中心。這里，選用單片機STC89C53RC作為中心微處理器，系統采用A3977[7]最為步進電機的驅動電路，A3977 是一種專門用于雙極型步進電機的微步進電機[8]驅動集成電路，其內部集成了步進和直接譯碼接口、正反轉控制電路、雙H 橋驅動，電流輸出2.5 A，最大輸出功率可接近90 W。A3977電機驅動電路如圖3所示。

2.2 被動紅外檢測跟蹤報警模塊

此模塊主要完成對不攜帶紅外發射電路的普通發熱物體的目標檢測與跟蹤，主要包括熱釋電紅外感應電路、信號檢測調節電路、報警電路和攝像機伺服電路。電路組成如圖4所示。

圖3 基于A3977的電機驅動電路

(1) 目標:指進入系統檢測區域的外來人員等發熱物體，由于人本身體溫高于-273 ℃絕對溫度，所以人體本身會發出紅外線，紅外光波長為3～50 μm，其中8～14 μm占46%，峰值波長在9.5 μm。

圖4 被動跟蹤模塊組成框圖

(2) 熱釋電紅外感應電路:其主要原器件采用熱釋電紅外傳感器，系統采用熱釋電紅外傳感器KP506B及熱釋電紅外控制電路CS9803GP[9]。KP506B內部電路圖見圖5。該探測元件對波長為10 μm左右的紅外輻射敏感，當人進入系統檢測區域，由于人本身發熱而發射出的紅外線通過熱釋電紅外探測器內部的菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上，由于內部兩個探測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。熱釋電紅外探測器電路如圖6所示。

圖5 KP506B內部示意圖

圖6 熱釋電紅外感應電路

(3) 信號調節檢測電路:主要由放大器、比較器等調理電路來對傳感器輸出信號進行調理。由于傳感器輸出的是一個微弱的電壓脈沖信號，所以先對信號做一個幅度上的放大，使其獲得足夠的增益。再通過比較器來判別是否有信號進入區域，完成檢測。

(4) 報警電路:完成系統報警。主要由單穩電路HEF4538B脈沖發生電路構成，由比較器輸出的電平作為單穩電路的觸發信號，使電路輸出一個脈沖控制信號用來控制報警電路輸出報警信號，來驅動喇叭進行報警。報警時間可由單穩電路輸出的脈沖控制信號來調節。

(5) 攝像機伺服電路:主要包括微處理器及輔助電路、電機驅動電路。根據信號檢測調節電路輸出的信號，通過比較器判斷，目標光斑相對于鏡頭的中心軸的位置，發出對應的控制信號，驅動承載攝像頭的電機進行水平和垂直方向360°的轉動，完成目標跟蹤，并使目標始終處于視場的中心位置。

3 系統軟件設計

系統程序流程如圖7所示。

圖7 系統軟件流程圖

系統上電后，先進行初始化，然后檢測紅外傳感器IR2638的輸出信號，當傳感器有信號輸出，則中斷熱釋電紅外傳感器，表明進入系統檢測區域的是攜帶紅外發射電路的“內部人員”，根據視場定位算法獲得目標當前位置，進而形成攝像頭運動路線，完成主動跟蹤;當紅外接收器IR2638無信號輸出，而熱釋電紅外傳感器KP506B輸出感應信號，則進入系統區域的為“外部人士”，驅動報警器報警同時實現對目標的跟蹤。本系統采用C語言編程，模塊化子程序結構，方便系統的程序接口。

4 系統性能測試

系統上電后，根據單個CCD攝像機視場測量方法[10]，并通過實驗證明，在6 m的范圍內，視場邊界線性一致，隨著物距的增加，視場邊界逐漸縮小，在12 m的地方出現2°的偏差，可近似認為視場邊界線性。在此基礎上分別來實現主動跟蹤、被動跟蹤，并將不同距離情況下跟蹤效果進行比較，結果如圖8和圖9所示。

圖8 被動跟蹤

圖8(a)是進入系統視場的未攜帶發射電路的目標，系統實現了對其被動跟蹤。圖9是當攜帶發射電路的“已知目標”和“未知目標”同時進入系統視場，則系統只跟蹤“已知目標”。同時，由圖8和圖9對照得出，在距離不同情況下，跟蹤效果差異性較小，系統性能穩定。

圖9 主動跟蹤

5 結 語

本文詳細介紹了一種紅外單目標跟蹤與防盜報警系統原理及功能，并對各模塊給出了設計方案，尤其是選用熱釋電紅外傳感器作為對外來人員的防盜報警，不僅成本低、結構簡單，而且誤報率低。經過多次測試，該系統工作情況穩定，適合在保密性高的高層建筑里作為安防設施。同時系統在紅外傳感領域中有廣泛的應用前景，可以在此基礎上實現多目標的識別跟蹤。

參考文獻

[1]趙振剛.單目紅外目標跟蹤機器人視覺系統設計[J].光電技術應用，2008，23(6):19-23.

[2]曾濤，陳文凱，張利州，等.帶延時功能的微波自動報警系統的設計[J].現代電子技術，2006，29(12):115-117.

[3]STC.STC89C53RC應用手冊[Z].

[4]秦志軍，王廣志，駱文博，等.基于線陣CCD的大視場高精度三維實時定位系統[J].清華大學學報:自然科學版，2002，42(S1):39-48.

[5]黎寧，史以楨，周建江.一種基于自適應特征選擇的目標實時跟蹤算法[J].光電工程，2009(36):1-7.

[6]劉大健，夏哲雷.集成鎖相環解碼器LM567及其在檢測電路中的應用[J].國外電子元器件，2000(1):30-31.

[7]彭福紅，任作新.基于A3977兩相步進電機驅動器的應用[J].可編程控制器與工廠自動化，2007(7):122-124.

[8]王建，張玉峰，李磊.步進電機加減速控制技術研究[J].工礦自動化，2006(6):65-67.

[9]瞿貴榮.高性能熱釋電紅外處理電路CS9803GP[J].電子制作，2001(9):14-16.

[10]滕勇，金熠，胡紅專，等.單個CCD攝像機大視場測量方法[J].機械與電子，2006(12):20-23.