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【贝能国际】新型双条件玻璃破碎检测方案

作者:李仁庆时间:2019-07-08来源:电子产品世界收藏

已经发展一定年头,主要用来检测家庭住宅或商业楼宇门窗玻璃的破损情况。此类方案也可归类为一种监控设备,用以提高家庭或商业环境的安全性,避免非法进入。目前市面上主要分为两种,其一是检测敲击玻璃时发出的低频声音时检测玻璃破碎发出的高频声音;其二为检测玻璃破碎时发出的高频声音同时检测敲击玻璃时产生的震动。由于家庭或商业环境存在各种声音,高低频声音同时出现的概率不低,第一种方案会出现误报的问题;第二种方案则必须有传感器吸附在玻璃上。贝能国际以此需求为牵引,开发出全新双条件,同时检测敲击玻璃时发出的低频声音、玻璃破碎时发出的高频声音以及玻璃破碎时带来的压力变化,一举解决市面上现有方案的缺陷。

本文引用地址:article/201907/402405.htm

贝能国际新型玻璃破碎检测方案以气压变化检测和全频率声音检测的方式,安装方便、一对多玻璃破碎检测且玻璃破碎特征把握准确,不易为环境声音干扰。

新型玻璃破碎检测方案基于Microchip公司ATSAMG55系列MCU内部集成的PDM外设连接Infineon公司的数字硅麦芯片IM69D130及实现的气压、来做探讨。除商业、家居外,汽车安防采用这种双检测方案亦同样可行。

市场常见玻璃破碎检测方案

第一代玻璃破碎检测器:开路报警

人们最初对窗户的防范不能算严格意义的玻璃破碎防范,只是在窗口安装一个有细金属丝串成的网,这些网会形成回路,当有人破窗而入时,因回路破坏而形成开路报警。由于放了金属网,窗户十分难打开,这个检测方法稍后得到改进,玻璃边缘贴了1厘米宽的铝箔带,铝箔带形成回路,破窗达到开路警报;这种检测办法虽后续多次改进,但都可以归结为开路报警,为第一代玻璃破碎检测器:

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第一代开路报警检测器

缺点:

第一代开路报警检测器原理简单,成本低廉,但由于贴合玻璃的材料的伸缩率和玻璃不相同,往往玻璃破碎了,形成回路的材料还未破碎,不能形成开路报警,存在严重的漏报问题。

第二代玻璃破碎检测器:震动报警检测器

第二代玻璃破碎检测器在第一代基础上发展起来,这是一种放在两个金属叉之间的小钢球组成的装置,当玻璃被撞击(有震动,但不一定破碎),装置检测到震动发出报警;后来改良使用加速度传感器来检测震动,但依然属于检测玻璃被撞击时的震动,可以归结为震动报警:

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第二代震动报警检测器

缺点:

第二代震动报警检测器相较第一代检测器改善了漏报问题,但误报率极高,往往窗外有重车经过,都可能触发报警。

第三代玻璃破碎检测器:全频率声音报警

后来,人们根据玻璃破碎时发出的高频声音,研发了超声波检测高频声音的检测装置。有研发机构在对比了数以千计不同大小及型号的玻璃窗破碎声音: 薄玻璃、嵌丝玻璃、平板玻璃、钢化玻璃、镀膜玻璃等,每一次玻璃破碎声音都被记录和分析, 工程师们发现玻璃破碎时将产生两种完全不同的声频。敲击玻璃时玻璃变形并产生一个低频波形, 即变形信号, 当玻璃真正破碎时则产生一个高频波形, 此规律适用于每一次玻璃破碎而与玻璃的大小和型号无关。因此加入了玻璃被撞击时发出的超低频声音检测,最终形成第三代玻璃破碎检测器。

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第三代声音报警检测器

第三代声音报警检测器,发展到全频率声音检测阶段,误报率大幅下降,适用于大部分场合,但电路设计非常复杂,麦克风一般使用驻极体电容麦克风,模拟信号处理方面需要经过带通滤波器,门槛增益限定放大器等等,再转换成数字信号进入主控器进行处理判断,如下图:

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第三代声音报警检测器信号处理框图

缺点:

除了电路复杂,成本高居之外,在某些商业或家居环境下,环境声音很有可能同时出现类似于玻璃破碎时的低频、高频声音,例如听音乐的同时轻拍桌子产生相当概率触发报警,且日常家居中低频、高频声音发生的概率高。

第四代声音报警检测器:双条件报警检测器

由此研发人员将第三代和第二代检测器融合在一起,需要检测器同时检测到有全频声音和玻璃震动方可触发报警,由此形成第四代双条件报警检测器:

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第四代双条件报警检测器

缺点:

第四代双条件报警检测器经过改良误报率达到了比较理想的状态,但电路设计更加复杂,成本也更高,其致命缺点是:安装复杂且每一块玻璃都得装一块检测器。

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第四代双条件报警检测器信号处理框图

目前市场第三代全频声音检测器和第四代双条件检测器共存,原因就在于这两种方案都无法独立满足所有应用场合,客户只能基于产品的应用场景经常不同选择。

第五代新型双条件报警检测器

Infineon公司从玻璃破碎时发生的各种传感特征,以真实敲碎各种型号的玻璃进行数据记录和分析,结合自身公司传感器产品,推出了第五代新型双条件报警检测方案:采用全频率声音检测,同时摒弃震动检测这种安装限制性较大的方法,改为检测玻璃破碎时会同时引发的气压变化来做第二个检测条件,通过大量实验数据分析,提炼出较为合理的检测和数据分析算法,由此得到不误报和不漏报的理想效果。

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第五代新型双条件报警检测器

检测气压变化,解决了震动检测需要的安装问题;同时采用Infineon公司的数字硅麦IM69D130,PDM接口,信噪比高,集成了前端放大器,模数转换器,可以从采集到的数字数据中分解出高频数据和低频数据,无需在外围增加带通滤波器,解决了第三代全频声音检测的复杂电路问题和成本高居的问题。

采用Infineon公司的气压传感芯片DPS310,精度高,可以检测到5cm的气压变化,完全可以检测出玻璃破碎或入侵引起的气压变化,数字数据还可以判断出入侵方向,从而减少误判;贝能国际为该方案选用了Microchip公司的主控芯片ATSAMG55J19B平台,该MCU为ARM Cortex-M4内核,带浮点处理单元,可以无缝运行Infineon公司为数据分析和处理所做的算法,同时带PDM接口,无需转换芯片即可直接驱动数字硅麦,整个检测器电路非常简洁、性价比高,一举解决了目前市场第三代和第四代检测器存在的所有问题。

方案介绍

  该方案主控对采集到的音频数据和气压数据进行复杂的数字信号处理(DSP),包括气压和音频历史数据环形堆列,分频去燥去混响和自动增益控制,解决了距离问题、噪音消除问题;处理后产生的音频数据流和气压数据流放入本地音频和气压算法引擎,完成对各种事件的判断,包括低频音频提示、高频音频提示、低频高频音频同时提示、气压变化提示、玻璃破碎事件。在应用层,可以根据各种事件的提示,完成例如入侵提示,玻璃敲击提示,玻璃破碎事件报警等等,提示事件的细分,为方案融入物联网的应用提供了更多可能。

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方案硬件框图

由硬件框图和实物可以看出,硬件主要以主控MCU、数字硅麦和气压传感芯片为主,无需任何运放和其他芯片,节省了成本,且一致性超好,无需进行硬件调试。

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主控MCU ATSAMG55J19基于ARM Cortex-M4核 MCU带浮点单元,工作频率可达120 MHz;512K的Flash空间,高达176K SRAM;丰富的外设为集成化设计提供了便利,内部集成的PDM接口加外设DMA通道(PDC)可以快速采集数字硅麦数据并传到内存空间而不需要CPU参与;IIC接口加外设DMA通道(PDC)可以快速采集气压数据并传到内存空间而不需要CPU参与。

而外设驱动在Microchip公司提供的开发工具Atmel Studio中直接提供,无需进行底层软件开发,非常方便:

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数字硅麦芯片IM69D130优势性能:

输出优质音频原始数据,非常适于利用主控MCU的DSP和FPU单元以及Infineon公司提供的高级音频信号处理算法进行处理,从而可以鉴别出真正玻璃破碎时的高低频声音特征。

声压级128dB,可以实现远场和耳语音拾音性能,为产品灵敏度的分级提供硬件基础

信噪比达到69dB,极低失真率在1%以内,可以轻松滤除环境白噪音的影响。

封装为表贴,尺寸小,高度集成,外围电路简单,无需硬件调试,结构简单,有利于防潮防尘。

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气压传感芯片DPS310优势性能:

压力:300-1200hPa,温度:-40  -  85°C,检测范围宽,不受产品使用地域影响

压力传感器精度:±0.005 hPa(或±0.05 m)(高精度模式),精度高,为产品灵敏度调节提供基础,可以令产品适应各种应用场景

I2C和SPI(都带有可选中断),主控接口可以灵活处理,为低功耗处理提供基础

软件上除了无需进行底层驱动外,也为增加稳定性采用了环形数据堆列,很好地消除了安装位置的水平高度的影响,以下是实现这一功能的代码:

int cbuff_enqueue(cbuff_t *buff, unsigned char *dat, int len) {

// Assume everything will be queued

int ret = 0;

register int end = buff->end;

register int size = buff->size;

// No room at the inn

if (cbuff_isfull(buff)) {

return len;

}

// Not enough space in the buffer

if (buff->remain < len) {

ret = len - buff->remain;

len = buff->remain;

}

// Update counters before len is modified in the for-loop

buff->cnt += len;

buff->remain -= len;

// Loop to end of data or end of buffer, whichever was decided above

for (; len > 0; len--) {

// Copy byte

buff->buff[end++] = *(dat++);

// Wrap around if need be

if (end >= size) {

end = 0;

}

}

// Update buffer with new end value

buff->end = end;

return ret;

}

 方案主要参数验证

传统全频声音检测方案采用的大多是驻极体麦克风,尺寸大,且采集进来的是模拟信号,所以需要有各种信号处理电路,增加硬件的不一致性,需要进行硬件参数调节,本方案采用的是数字硅麦芯片,简化了电路,可以做到良好的一致性,有效还原原声,我们可以在实验室进行验证此项性能:利用一个音域较广的音箱播放1KHz的声波,距离音箱20cm的地方放上我们的数字硅麦,设置采样频率为16KHz,位数为16bits,每次采集满160个sample通过PDC传回缓冲区,再将缓冲区的数据通过调试串口传回PC,还原成波形,看是否能还原成1K Hz的声波,采集数据的部分代码如下:

for(num=0;num<160;num++){  //only for test

uart_printf("PDMvalue[%d]=%d\r\n",num,audio_buffer[buffer_index][num]);

}

/* Toggle which buffer to fill */

buffer_index ^= 1;

/* Configure PDC to fill next buffer */

init_pdc();

/* Re-enable interrupt */

pdm_enable_interrupt(&pdm, PDMIC_INTERRUPT_SRC_TRANSFER_END);

经过验证,如下为传回的数据波形:

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我们采集了160个sample后使用串口传回,为了简便(因为真实产品中是不需要进行专门回传数据的),在传回数据时没有开启继续采集,传完数据后再开启采集,但我们可以看到16KHz的采样率,即1KHz的波形,每个周期有16个sample,160个数据完整还原10个周期,上图所标10个波形是真实采集到的波形,很好地还原了1K Hz的波形,所以验证了数字硅麦能够很好地完成驻极体麦克风加上各种信号处理电路能实现的功能。

而数字硅麦由于高度集成,一致性好,尺寸小,还可以完成传统驻极体麦克风加各种信号处理电路无法实现的功能,譬如验证客户的结构是否对声音采集有影响,应该如何改良结构,我们可以简单验证此项功能:

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市场常见智能家居安防采用的结构件 

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我们采用如上硬件组成来测试结构件的影响,并使用免费的室内声学和音频测量软件REW来对比有无结构件的影响,如下图对比:

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从测量软件得到测试数据:

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从测量结果知道,裸板测试(红色线),性能作为标杆;完全将硅麦收音口封住,其性能变得非常差(蓝色线),这个是符合常理的;而将结构件加入时(未开孔的,其实是将原开孔处塞住,褐色线),在1K—2K处相对衰减比较大,后面高频部分也有部分衰减;当把结构件侧边开三个小孔(绿色线)(开孔位置见带结构件测试图),基本跟裸板性能一样,达到改良的目的。

同样,气压检测也可以通过类似的办法进行结构件改良,使用的是Infineon公司的Sensor Evaluation Software,参考如下:

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