基于MEMS芯片的周界探測系統構成

近些年隨著安防報警技術的不斷進步，各種依附于固體防護結構上的電子周界探測系統不斷推陳出新，從最開始的主動紅外探測技術、電子脈沖放電探測技術，一直發展到現在有各種各樣針對不同應用需求的特定周界防護系統，這其中就包含依附于金屬編花或者焊絲圍網上的振動探測系統。基于振動檢測的周界入侵系統有很多種：震動電纜、光纖干涉、慣性振動等等，本文重點闡述利用MEMS芯片傳感技術實現的振動探測周界入侵報警系統。

微電子機械系統（Micro-ElectroMechanicalSystems，MEMS）是解決傳感器微型化的關鍵技術，簡單來說，其工作原理是外部環境物理、化學和生物等信號輸入，通過微傳感器轉換成電信號，經過信號處理（模擬信號或數字信號）后，由微執行器執行動作，達到與外部環境“互動”的功能，它是物聯網核心技術所在。

周界入侵報警系統通常指對某一線狀邊界（如重要區域的圍墻）進行監測，當發現有非法通過該邊界的行為時產生報警，以實現對目標區域的監測保護。周界入侵報警系統會使用戶的安全防范管理變的非常簡單，它在柵欄上形成一道電子防線，一天24小時不間斷工作，一旦有入侵行為發生，系統會立刻給出報警信號，通知值班人員。這樣可以節省人力、物力和財力，最關鍵的是系統可以降低值班人員的勞動強度，使安保人員時刻保持高度注意力，有效屏蔽巡邏值班人員因為疏忽疲憊造成的周界漏洞。近些年隨著安防報警技術的不斷進步，各種依附于固體防護結構上的電子周界探測系統不斷推陳出新，從最開始的主動紅外探測技術、電子脈沖放電探測技術，一直發展到現在有各種各樣針對不同應用需求的特定周界防護系統，這其中就包含依附于金屬編花或者焊絲圍網上的振動探測系統。基于振動檢測的周界入侵系統有很多種：震動電纜、光纖干涉、慣性振動等等，本文重點闡述利用MEMS芯片傳感技術實現的振動探測周界入侵報警系統。

基于MEMS芯片的周界探測系統構成

一般的周界探測系統和物聯網系統的基本構成是相似的：傳感、網絡以及控制管理。

基于MEMS芯片的振動傳感器-ViSEN

振動傳感器ViSEN基于一個3軸加速度傳感器芯片，外部環境輸入（振動）導致MEMS芯片XYZ軸加速度值發生變化，振動傳感器ViSEN上的傳感處理器芯片采集到加速度變化信息，經過多重算法過濾掉干擾，將告警信息通過數字通信組件傳遞出去。由于MEMS芯片能提供3軸持續穩定可靠的振動數據，我們可以實現多維度算法綜合分析，確保系統穩定準確工作，值班人員不會為“狼來了”這樣的誤報疲于應付。

傳感器的原理結構如圖1所示，傳感處理器是核心組件，它負責采集加速度變化狀態信息，經過5D算法，形成對入侵告警的初步判斷，然后將告警信息通過數字通信組件發送出去。傳感處理器也可以通過數字通信組件接收后臺軟件的配置信息，針對不同硬度特性的圍網設置不同參數，提高傳感器的適應性。

這樣，傳感器會對其所依附的圍網進行感知，有效檢測攀爬產生的持續振動、剪斷圍網產生的高頻振動、破壞圍網產生的強烈振動、圍網被推倒以及傳感器被拆除。

建立系統形成傳感器網絡

完成了能有效感知圍網振動的傳感器，我們需要形成一個系統將眾多傳感器上的告警信息收集起來，這個系統可以是基于ZigBee的無線傳輸網絡也可以是電纜連接的有線傳輸網絡。

在ZigBee無線傳輸網絡中，振動傳感器ViSEN使用電池供電。只有在振動發生的時候傳感器才進入工作狀態，平時一直處于休眠狀態，這樣可以保證傳感器不換電池工作一年以上。在這個網絡中，所有的傳感器都是終端（EndPoint）設備，系統會在適當的地點設置路由（Router）設備，最終都連接到協調處理設備VGM（Coordinator）上。

對于周界探測系統經常應用的線狀邊界來說，用電纜連接的有線傳輸網絡更加適合。系統通過感應電纜將振動傳感器ViSEN串聯起來連接到現場控制主機VGM上，而后者通過電纜給傳感器供電和提供通信媒介。傳感器與現場控制主機間形成CAN總線連接，保證傳感器上的報警能夠及時主動上報到主機，幾乎可以實現零延遲報警。如果VGM主機采用RS485方式輪詢傳感器，一旦總線上連接的傳感器數量偏多，則可能產生的報警延遲會非常難以讓人接受。

傳感器的控制和管理

系統通過綜合管理平臺軟件和現場控制主機來實現對傳感器的控制和管理。首先，不管是無線網絡還是有線網絡，傳感器ViSEN都連接到現場控制主機VGM上，現場控制主機實現傳感器配置、參數更改和告警信息收集等底層通信協議；其次，綜合管理平臺軟件通過讀寫現場控制主機實現對振動傳感器管理；最后，將告警以事件的方式呈現到界面上。

2基于MEMS芯片的周界探測系統特點

經過以上對基于MEMS振動傳感器周界報警系統的介紹，對比現有振動探測周界報警系統，我們發現了基于MEMS芯片的周界報警系統的一些特點。

全數字系統

微電子機械系統直接在芯片內部實現外界激勵到輸出的轉換，而芯片正常工作時對外部條件的要求并不高，所以用MEMS芯片實現振動傳感要比光纜振動等傳統探測系統更容易控制和實現。

3軸加速度傳感芯片對外接口是IIC，傳感器上的處理器直接得到數字信號，所以整個傳感器對電源、通信和算法冗余性要求都不高，傳感器抗干擾能力強。傳統的振動電纜和光纜振動探測系統則需要經過小信號放大、模擬信號采集等步驟之后才能實施探測算法，而這些過程必須對噪聲進行嚴格控制，否則直接導致算法準確率下降，影響周界系統最重要的指標：誤報率和漏報率。

實現精準定位

傳感器是基于MEMS芯片的全數字系統，我們就可以賦予每個傳感器一個ID，如果某一個傳感器檢測的入侵報警，這個ID就可以隨著告警信息一起上傳到管理平臺，于是整個系統就有能力將報警定位到每一臺傳感器。

一般情況下，一個網片安裝一臺傳感器，那么系統就可以將報警定位在每一片圍網上，精準的告警定位非常有利于多系統融合的精準聯動。比如說在做周界報警的視頻聯動時，我們可以將每一片圍網的位置與攝像機預置位對應，當有告警時，直接根據告警傳感器地址調取攝像機預置位，快速將攝像機調整到告警發生位置。

傳統的光纜振動探測系統一般的定位精度都在100米左右，振動電纜的定位精度也在10米左右，攝像機只能聯動看整體圖像，真正發生入侵的點可能會因此而錯過，沒有及時看清楚入侵現場實際情況。

實現多角度傳感

傳感器基于3軸加速度MEMS芯片實現，剪切圍網造成的振動和攀爬圍網造成的振動很容易就能通過強度和頻率分布算法分辨出來，除此之外，傳感器還能通過MEMS芯片的方位檢測功能實現圍網傾覆探測。

傳統的震動電纜和光纜振動探測系統分辨剪切還是攀爬的準確率非常低，并且不能判斷圍網是否傾覆。

綜合多種算法

F.I.R.S.T.5D算法是從5個不同的域來綜合分析振動的算法。

F-FrequencyDomain，從頻率域分析振動

不同振動的頻率分布不同，風吹圍網產生的振動大部分是低頻振動；剪切圍網產生的振動大部分集中體現在高頻；攀爬產生的持續振動則正好處于前兩者之間。請看圖4-1、4-2、4-3示例。

I-IntensityDomain，從強度域分析振動

冰雹和雨滴打在圍網上產生的振動頻率分布和剪切類似，也體現為高頻變化明顯。要屏蔽這些因為天氣原因產生的干擾就必須引入另一個維度來分析，那就是振動強度。合理選擇強度門限或者在算法中加入強度元素就能有效屏蔽掉冰雹和雨滴的干擾。

R-RelationshipDomain，分析振動的相關性

將頻域率、強度域、空間域和時間域分析出來的振動特征做相關分析，進而實現全網級的融合感知與探測，由此提高整個系統的穩定性和可靠性。

S-SpaceDomain，從空間域分析振動發生的空間相關性

傳感器沿線狀周界分布，現場控制主機利用分布在圍界不同位置的多種傳感器信息進行聯合分析，實現空間域的融合。

T-TimeDomain，從時間域分析振動發生的時間相關性

利用感知信息的時間關系，建立時間域的融合，在時間窗口內計算振動特性。

高度敏感準確

對于使用微電子機械系統芯片的傳感器來說，感知輸入的穩定性被MEMS芯片牢牢把握，芯片即能實現靈敏感知又可得到準確的低噪聲數據，再加上后續5D算法加以篩選控制，可以輕松實現傳感器極低誤報率和漏報率。

3基于MEMS芯片的BG-VGS圍欄振動探測系統

BG-VGS圍欄振動探測系統是由北京深藍同創科技有限公司生產的BG系列周界探測系統中的一款，它由MEMS振動傳感器ViSEN、現場控制主機VGM、干接點擴展模塊RPM（可選）以及報警控制軟件所組成。BG-VGS圍欄振動探測系統適合于安裝在各種金屬絲焊接或編花圍網、鐵柵欄、圍墻等等載體之上，并檢測入侵者攀爬、破壞載體的入侵行為。探測電纜可以根據現場設計制作成防護盒傳感器型或隱蔽纜型布防形式。報警定位精度最小可以達到1米（取決于傳感器布防間距）。振動探測傳感器ViSEN可以布設在防區物理圍網的中間、立柱或墻體內側，平均每1到6米一個，用于檢測各種入侵行為所引起的振動。每個現場控制器VGM可以控制左右各最多不超過126個振動探測傳感器，既每個VGM在理論上可以控制最長756米周界（標準3米間距）。

通過軟件設置，在每個現場控制器VGM上可以任意組合、劃分所有的探測傳感器以形成任意不同長度的干接點子防區，最小防區可以設定為每個探測傳感器。

BG-VGS圍欄振動探測系統環境適應性強、低誤報，可以在風霜、雨雪、濃霧、沙塵、高低溫等嚴酷環境下全天候穩定可靠的工作。

BG-VGS圍欄振動探測系統非常適用于有圍網載體的基礎設施的防護，比如機場、軍事基地、能源設施、核電設施、重點文物保護，以及企事業單位、工廠、倉庫、變電站、水廠、電廠、學校、看守所、監獄等等重要場所，并且系統非常適用于比較惡劣的環境條件。系統同時也可適用于普通住宅小區、別墅住宅區的周界安全防范。

BG-VGS圍欄振動探測系統擁有如下核心特點：

獨創F.I.R.S.T5D算法；

有效探測攀爬、拉扯、踩踏和剪斷圍網所產生的持續振動；

用戶可設定探測參數，能適應不同類型、不同硬度的圍網、柵欄和圍墻；

連接到控制主機VGM上的所有ViSEN可以由軟件劃分成小防區，如果每個小防區單獨干接點輸出，那么最多可劃分為12個小防區；如果不要求干接點輸出，那么軟件可以不受限制的任意劃分小防區；

告警可以定位到每一個探測傳感器，每一片圍網；

防區控制主機VGM具有防拆報警、低電壓報警和傳感電纜中斷告警功能；

傳感器ViSEN可輸出4種告警：剪切、攀爬、傾斜和防拆；

系統提供串口和干接點對外通信方式，易于與第三方系統集成；

低功耗、低維護成本。

BG-VGS圍欄振動探測系統能很好地過濾環境變化產生的干擾，對剪切、攀爬和圍網傾覆判斷可靠準確，真正讓用戶體驗到敏感、準確、盡在掌握的感覺。