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基于MEMS探测器检测原理的周界报警系统及其技术
2017/1/6 16:59:00   airportse.cn      关键字:周界,系统,振动,传感器,机场,探测,芯片      浏览量:
基于MEMS探测器的周界报警防范系统是一套具有物联网核心技术的典型应用。其既有极高的探测概率,又有低到可以忽略不计的误报率,安装便捷、成本可控,并实现了在风霜雪雨、浓雾沙尘、高低温等严酷环境下的全天候稳定可靠工作,非常适合于机场漫长周界的防护需求。

基于MEMS探测器的周界报警防范系统是一套具有物联网核心技术的典型应用。其既有极高的探测概率,又有低到可以忽略不计的误报率,安装便捷、成本可控,并实现了在风霜雪雨、浓雾沙尘、高低温等严酷环境下的全天候稳定可靠工作,非常适合于机场漫长周界的防护需求。

为了让广大机场安防同仁更加了解该项技术核心、原理及其应用,近日,中国机场安防网就该技术详情联系了国内相关生产厂商,以达到共同分享。

微电子机械系统(Micro-Electro Mechanical Systems,MEMS)是解决传感器微型化的关键手段,简单来说,其工作原理是外部环境物理、化学和生物等信号输入,通过微传感器转换成电信号,经过信号处理(模拟信号或数字信号)后,由微执行器执行动作,达到与外部环境“互动”的功能,它是物联网核心技术所在。

一、 基于MEMS芯片的周界探测系统特点

1. 全数字系统

微电子机械系统直接在芯片内部实现外界激励到输出的转换,而芯片正常工作时对外部条件的要求并不高,所以用MEMS芯片实现振动传感要比光缆振动等传统探测系统更容易控制和实现。

传感器基于3轴加速度MEMS芯片实现,3轴加速度传感芯片对外接口是IIC,传感器上的处理器直接得到数字信号,所以整个传感器对电源、通信和算法冗余性要求都不高,传感器抗干扰能力强。传统的振动电缆和光缆振动探测系统则需要经过小信号放大、模拟信号采集等步骤之后才能实施探测算法,而这些过程必须对噪声进行严格控制,否则直接导致算法准确率下降,影响周界系统最重要的指标:误报率和漏报率。

2. 实现精准定位

传感器是基于MEMS芯片的全数字系统,我们就可以赋予每个传感器一个ID,如果某一个传感器检测的入侵报警,这个ID就可以随着告警信息一起上传到管理平台,于是整个系统就有能力将报警定位到每一台传感器。

一般情况下,一个网片安装一台传感器,那么系统就可以将报警定位在每一片围网上,精准的告警定位非常有利于多系统融合的精准联动。比如说在做周界报警的视频联动时,我们可以将每一片围网的位置与摄像机预置位对应,当有告警时,直接根据告警传感器地址调取摄像机预置位,快速将摄像机调整到告警发生位置。

传统的光缆振动探测系统一般的定位精度都在100米左右,振动电缆的定位精度也在10米左右,摄像机只能联动看整体图像,真正发生入侵的点可能会因此而错过,没有及时看清楚入侵现场实际情况。

3. 实现多角度传感

传感器基于3轴加速度MEMS芯片实现,剪切围网造成的振动和攀爬围网造成的振动很容易就能通过强度和频率分布算法分辨出来,除此之外,传感器还能通过MEMS芯片的方位检测功能实现围网倾覆探测。

传统的震动电缆和光缆振动探测系统分辨剪切还是攀爬的准确率非常低,并且不能判断围网是否倾覆。

4. 综合多种算法

F.I.R.S.T. 5D(北京蛙视通信技术股份有限公司自主研发)算法从5个不同域来综合分析振动的算法:

F-Frequency Domain,从频率域分析振动

不同振动的频率分布不同,风吹围网产生的振动大部分是低频振动;剪切围网产生的振动大部分集中体现在高频;攀爬产生的持续振动则正好处于前两者之间。请看下图示例:

    I-Intensity Domain,从强度域分析振动

冰雹和雨滴打在围网上产生的振动频率分布和剪切类似,也体现为高频变化明显。要屏蔽这些因为天气原因产生的干扰就必须引入另一个维度来分析,那就是振动强度。合理选择强度门限或者在算法中加入强度元素能有效屏蔽掉冰雹和雨滴干扰。

R-Relationship Domain,分析振动的相关性

将频率域、强度域、空间域和时间域分析出来的振动特征做相关分析,进而实现全网级的融合感知与探测提高了整个系统的稳定性和可靠性。

S-Space Domain,从空间域分析振动发生的空间相关性

传感器沿线状周界分布,现场控制主机利用分布在围界不同位置的多种传感器信息进行联合分析,实现空间域的融合。

T-Time Domain,从时间域分析振动发生的时间相关性

利用感知信息的时间关系,建立时间域的融合,在时间窗口内计算振动特性。

1. 高度敏感准确

对于使用微电子机械系统芯片的传感器来说,感知输入的稳定性被MEMS芯片牢牢把握,芯片即能实现灵敏感知又可得到准确的低噪声数据,再加上后续5D算法加以筛选控制,可以轻松实现传感器极低误报率和漏报率。

二、在机场的适用性

众所周知,机场占地面积较大,周界防范一直是机场安全安保工作的重要组成部分,基于MEMS芯片的周界探测系统非常适合应用于机场。

MEMS传感器特别适合依附在金属编花或者焊丝网上。安装也非常简单,安装人员只需要带上电动改锥和扎带,就可以完成安装,具体步骤:打开包装->通过四个预埋的螺钉固定传感器->用扎带绑好电缆->调试->完成。

三、 如果用“人字梯”跨越围栏,系统 如何 探测

一般机场的围网顶端都有Y字型刺圈,靠人字梯是很难不触动围网翻越的,只要入侵者触动围网,基于MEMS芯片的周界探测系统就能检测到。

四、各种周界探测系统对比

序号

项目

传感器振动

光缆振动

张力围栏

红外/激光对射

电子围栏

埋地电缆

雷达

1

探测原理

MEMS芯片检测

光纤干涉仪

平衡探测张力变化

信号遮挡

放电探测

电磁感应

多普勒雷达

2

算法

独创F.I.R.S.T 5D 算法,同时在频率域、强度域、时间域和空间域做相关性算法,屏蔽干扰的手段更多。

只在频率域计算振动特性,手段相比VGS要单一,探测准确度会下降。

长时间告警自恢复算法,短时告警屏蔽算法,平衡探测算法,张力积分累计算法。

简单大数判决算法,只要遮挡的线数达到一定门限就触发报警

放电检测,只要有放电就告警。

电磁信号干扰到接受电缆回传信号

多普勒效应

3

定位分析

连接到控制主机VGM上的所有ViSEN可以由软件划分成小防区,如果每个小防区单独干接点输出,那么最多可划分为12个小防区;如果不要求干接点输出,那么软件可以不受限制的任意划分小防区,即系统可以定位到任意一个ViSEN。

只能确认防区告警,活着定位精度在50-100米左右。

每50-60米一个防区,只能定位到防区。

只能定位到防区。

只能定位到防区

无定位

可划分区域

4

告警类别

系统可分辨攀爬、剪切、倾斜和防拆4种入侵告警,传感电缆中断告警

防区入侵告警,传感光缆中断告警,设备拆除告警

攀爬、拉扯、踩踏和剪断张力线触发防区告警,拆除张力传感器给出防拆告警。

防区告警

防区翻越告警,断线告警

防区告警

区域告警

5

抗物理干扰

不易受雨雪大风影响,也不易受小动物、树枝等干扰影响

比较敏感,容易受树枝、大风等影响而误报

由于平衡机制的引入以及各种算法分析,系统抗风、雨雪和沙尘能力很强,小动物和树枝也几乎不会产生影响。

主动红外会在太阳光强烈的时候产生误报,灰尘、大风和树枝遮挡会造成错误。

只要是能放电的场合都会产生误报,所以雨雪、树枝和绿植对系统影响较大。

电磁信号会造成干扰,比如说汽车。

只对纵向移动物体敏感

6

EMI特性

一定程度内的电磁屏蔽和防雷保护。所有端口4级防雷保护。

完全不受电磁干扰,不怕雷击

一定程度内的电磁屏蔽和防雷保护。所有端口4级防雷保护。

需要外接防雷

放电会对其它系统产生干扰

 

 

7

价格

稍贵

比较便宜

由于系统包含物理屏障和电子系统,而且单主机+传感器只能探测50-60米,所以价格最贵。

最便宜

便宜

不同品质价格差距较大

 

8

安装

非常简单,用螺钉固定ViSEN,扎带固定电缆即可。

简单,只要用扎带将传感光缆固定在围网上。

安装较为复杂,分机械部分安装和电子部分安装,横向张力线拉的很紧,需要锚柱固定牢固

需要使用专门工具调试发射和接收对齐

需要安装支架,拉线,做绝缘处理,但因为拉力很小,安装难度比张力围栏小一些。

不同地面埋地深度和覆盖方式都不同,比较复杂

简单,直接固定在支架上。

9

准确性

全部数字计算,误报和漏报都可控

不易漏报但非常容易误报

能在恶劣环境下保持准确性

容易误报

雨雪、树枝容易造成放电而误报警。

一般,国外设备好一些,在小范围应用

还可以

10

外观构成

处理器+电缆+每片围网上的传感器ViSEN

光缆+只在防区两端的光缆终端盒

50-60米张力网,中央放置主机和传感器

发射端和接收端

支架、钢丝、绝缘端子以及主机

主机+泄漏电缆

主机

11

干接点防区数量

主板控制4个防区,增加RPM可扩展出12个分防区

主板控制2防区,不能扩展

主板控制1防区,TGM最多可以管理16个防区

单防区

双防区

双防区

单防区

【本稿由中国机场安防网联合北京蛙视通信技术股份有限公司共同组写完成】

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