王光艷，鄭雅堃，裴振宏，吳剛，雷驊，李莎莎

（天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300134）

紅外線自1800年被發(fā)現(xiàn)以來，人們對(duì)紅外技術(shù)的研究從來沒有停止過，已經(jīng)開發(fā)出了眾多的應(yīng)用產(chǎn)品，應(yīng)用于醫(yī)療、檢測(cè)、航空和軍事等領(lǐng)域。由于紅外線是不可見光，具有較強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此紅外技術(shù)主要應(yīng)用在探測(cè)、控制、測(cè)量等系統(tǒng)，以及防盜、警戒等安保裝置中。例如軍事或醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的紅外熱像儀測(cè)溫系統(tǒng)[1]，民用領(lǐng)域內(nèi)的人體識(shí)別[2-3]、人體運(yùn)動(dòng)特征探測(cè)[4]和速度測(cè)量[5]，安防系統(tǒng)中的紅外報(bào)警器[6-9]等。紅外報(bào)警技術(shù)是其中最重要、最普及的研究領(lǐng)域之一，隨著集成電路技術(shù)和智能信息處理技術(shù)的發(fā)展，紅外報(bào)警技術(shù)逐步走向成熟，設(shè)備趨向小型化和智能化，其應(yīng)用也從最初的軍用，逐漸過渡到公共場(chǎng)合中的警示系統(tǒng)、居民住宅中的防盜系統(tǒng)、事業(yè)單位的防入侵系統(tǒng)等。

近年來，隨著社會(huì)的快速進(jìn)步和城市的大力建設(shè)，城市軌道交通，也即地鐵，已逐漸成為城市的交通命脈和人們主要的交通工具。對(duì)射式紅外傳感器已經(jīng)應(yīng)用于地鐵閘機(jī)的人體識(shí)別系統(tǒng)中[2]。但是，地鐵快速、無人售票等特點(diǎn)帶來的安全隱患也相應(yīng)增加，再加上乘客安全意識(shí)不足，導(dǎo)致與地鐵相關(guān)的交通事故屢屢發(fā)生，因此安全隱患的消除是目前相關(guān)部門急需解決的問題之一。本文設(shè)計(jì)的人體紅外警示系統(tǒng)旨在解決這一問題。該系統(tǒng)采用紅外對(duì)射技術(shù)采集報(bào)警信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行處理，發(fā)出語音警示信號(hào)，提示跨越安全警示線的乘客退回到安全候車區(qū)。

目前，在地鐵站已經(jīng)有一些報(bào)警系統(tǒng)投入使用，但均有成本高昂等缺陷，本文設(shè)計(jì)的紅外報(bào)警系統(tǒng)成本則相對(duì)低廉，只需一塊89C51單片機(jī)P89V51RD2、一個(gè)語音錄放模塊（ISD1820）和外圍紅外探測(cè)電路即可達(dá)到報(bào)警效果，前景相當(dāng)可觀。

1 紅外線報(bào)警技術(shù)

紅外探測(cè)系統(tǒng)是用物理方法或電子技術(shù)，自動(dòng)探測(cè)發(fā)生在布防監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的侵入行為，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并輔助提示值班人員發(fā)生報(bào)警的區(qū)域部位，顯示可能采取對(duì)策的系統(tǒng)[8]。

紅外探測(cè)技術(shù)由于其與人體的關(guān)系在報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用占據(jù)了相當(dāng)大的一部分。紅外報(bào)警器分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。被動(dòng)式紅外探測(cè)器主要由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器件（紅外傳感器）及報(bào)警控制器等部分組成，如圖1所示。紅外傳感器作為紅外接收部分，其本身不發(fā)射任何能量而只被動(dòng)接收、探測(cè)來自環(huán)境的紅外輻射，通過光學(xué)系統(tǒng)的配合作用，它可以探測(cè)到位某一個(gè)立體防范空間內(nèi)的熱輻射的變化。當(dāng)有人體在探測(cè)區(qū)域內(nèi)走動(dòng)時(shí)，就會(huì)造成紅外熱輻射能量的變化。紅外傳感器將接收到的活動(dòng)人體與背景物體之間的紅外熱輻射能量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗?，送往?bào)警控制器，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

主動(dòng)式紅外探測(cè)器，也稱對(duì)射式紅外傳感器，全名叫“光束遮斷式感應(yīng)器”，是一種能檢測(cè)人體發(fā)出的特定波長紅外線的敏感元件。紅外對(duì)射式探測(cè)器由瞄準(zhǔn)孔、光束強(qiáng)度指示燈、球面鏡片、LED指示燈等組成。其偵測(cè)原理是利用紅外線經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體，再經(jīng)光學(xué)鏡面做聚焦處理使光線傳至很遠(yuǎn)距離，由受光器接收，當(dāng)光線被遮斷時(shí)就會(huì)給出報(bào)警信號(hào)。紅外對(duì)射報(bào)警器由收、發(fā)裝置兩部分組成，如圖2所示。發(fā)射裝置向裝在幾米遠(yuǎn)的接收裝置輻射一束紅外線，當(dāng)被遮斷時(shí)，接收裝置即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

被動(dòng)紅外技術(shù)基本應(yīng)用于室內(nèi)防范，而主動(dòng)紅外技術(shù)不僅可用于室內(nèi)還可用于室外，并具有隱蔽性強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)[9]。此外，由紅外對(duì)射管構(gòu)成的探測(cè)裝置一般在6～15米的距離之內(nèi)準(zhǔn)確地感測(cè)運(yùn)動(dòng)人體的存在，較之微波、超聲探測(cè)方式具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、耗電微、敏感度高，且能準(zhǔn)確鑒別生物體和非生物體的運(yùn)動(dòng)，誤報(bào)率低，目前被認(rèn)為是最可靠的人體探測(cè)技術(shù)。因此，本論文所設(shè)計(jì)的地鐵安全警示系統(tǒng)，主要采用主動(dòng)式紅外對(duì)射報(bào)警器的設(shè)計(jì)模式。

圖1 被動(dòng)式紅外報(bào)警器原理框圖Fig.1 Functional block diagram of passive infrared alarm

圖2 主動(dòng)式紅外報(bào)警器原理框圖Fig.2 Functional block diagram of active infrared alarm

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

文中所設(shè)計(jì)的地鐵安全警示系統(tǒng)主要運(yùn)用紅外線檢測(cè)、信號(hào)傳輸和單片機(jī)控制等技術(shù)。將該報(bào)警器安裝在地鐵站的黃線警示線的兩端，采用紅外對(duì)射技術(shù)對(duì)入侵信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，若有人踩踏黃線，進(jìn)入警示區(qū)，則光線被遮斷，系統(tǒng)就會(huì)采集到入侵信號(hào)，傳遞給核心控制單片機(jī)，發(fā)出警示信號(hào)。結(jié)合地鐵站的實(shí)際情況，可以在每個(gè)地鐵門的兩端放置一對(duì)紅外對(duì)射設(shè)備，并在每個(gè)地鐵門前安裝一個(gè)帶有紅色警示燈的語音警示模塊（ISD1820），從而實(shí)現(xiàn)一塊單片機(jī)集中處理入侵信號(hào)，各個(gè)地鐵門分開報(bào)警的功能。

當(dāng)光束遮斷式感應(yīng)器檢測(cè)到入侵信號(hào)時(shí)，將該入侵信號(hào)的輸出端接向單片機(jī)P89V51RD2的管腳上，通過在C語言環(huán)境下對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，使用P89V51RD2的控制功能，用以驅(qū)動(dòng)語音錄放模塊，發(fā)出“請(qǐng)?jiān)邳S線外候車”的語音警示信號(hào)，再配合警示燈實(shí)時(shí)亮紅燈，達(dá)到報(bào)警效果。并在C語言環(huán)境下設(shè)置延時(shí)，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)罔F進(jìn)站乘客踩踏警戒線上車時(shí)報(bào)警功能失效，在地鐵離站后立即恢復(fù)正常，并以此循環(huán)往復(fù)，從節(jié)約單片機(jī)資源、充分利用單片機(jī)管腳的角度出發(fā)，可是使用一塊P89V51RD2去控制4個(gè)紅外對(duì)射設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)一塊P89V51RD2控制多個(gè)地鐵門的功能，而且相互不干擾。再者，對(duì)開發(fā)板上的數(shù)碼管編程設(shè)置一個(gè)電子表，使其與報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)開始同步實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，以方便工作人員進(jìn)行管理。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)和電路原理圖如圖3所示，電路設(shè)計(jì)軟件的限制，圖中用蜂鳴器模擬語音錄放模塊（ISD1820）。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖，可將系統(tǒng)總體功能劃分為硬件和軟件兩方面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分主要完成發(fā)送端和接收端的電路設(shè)計(jì)，語音報(bào)警電路設(shè)計(jì)，及其與核心控制單片機(jī)的接口電路等。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要指進(jìn)行核心信號(hào)處理的89C51單片機(jī)的C語言程序結(jié)構(gòu)規(guī)劃和內(nèi)容設(shè)計(jì)。

2.1 紅外對(duì)射電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能采用最簡單的電路設(shè)計(jì)來完成相應(yīng)的功能，按照主動(dòng)式報(bào)警器的原理。所設(shè)計(jì)的其中一對(duì)紅外對(duì)射電路如圖4所示。采用了一個(gè)發(fā)光二極管，再接上一個(gè)上拉電阻，構(gòu)成紅外發(fā)射電路；采用CR20F20光敏晶體管連接上拉電阻，構(gòu)成紅外接收電路。當(dāng)有人越過黃色警示線，也即有物體阻擋紅外對(duì)射電路時(shí)，接收電路部分的輸出電壓U o會(huì)產(chǎn)生電平變化，從而驅(qū)動(dòng)單片機(jī)進(jìn)入告警狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖的其他外圍電路的設(shè)計(jì)采用天津銳志單片機(jī)公司所出產(chǎn)的單片機(jī)開發(fā)板P89V51RD2上的外圍電路即可。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)的總體電路圖Fig.3 Circuit diagram of the warning system

圖4 紅外對(duì)射電路Fig.4 Circuit diagram of infrared correction

本系統(tǒng)信號(hào)處理的核心部分是以P89V51RD2為核心的單片機(jī)開發(fā)板，P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。P89V51RD2的典型特性是它的X2方式選項(xiàng)。利用該特性，設(shè)計(jì)工程師可使應(yīng)用程序以傳統(tǒng)的80C51時(shí)鐘頻率（每個(gè)機(jī)器周期包含12個(gè)時(shí)鐘）或X2方式（每個(gè)機(jī)器周期包含6個(gè)時(shí)鐘）的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，選擇X2方式可在相同時(shí)鐘頻率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時(shí)鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾（EMI）。

本系統(tǒng)在調(diào)試模擬時(shí)，使用了在天津銳志單片機(jī)公司購買的一塊單片機(jī)開發(fā)板，結(jié)合該開發(fā)板上的外圍電路的設(shè)計(jì)，在使用P89V51RD2的管腳時(shí)，使用了閑置的P1與P3的幾個(gè)IO口，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件流程圖Fig.5 Software flow diagram of system design

按照?qǐng)D5中的流程圖進(jìn)行編寫程序，在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)立即開始計(jì)時(shí)，以天津地鐵一號(hào)線為例，地鐵列車每10分鐘進(jìn)站一次，考慮到調(diào)試時(shí)間，將系統(tǒng)有效時(shí)間設(shè)定為20秒，在這20秒內(nèi)，若有人或者物體越過黃線，檢測(cè)信號(hào)接收端產(chǎn)生低電平，此時(shí)通過一個(gè)If語句使得相應(yīng)的警示燈點(diǎn)亮，同時(shí)蜂鳴器響，在20～30秒之間時(shí)，系統(tǒng)功能失效，并以此30秒為周期循環(huán)往復(fù)下去。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在實(shí)物調(diào)試之前，將按照上述流程圖編寫好的程序燒進(jìn)P89V51RD2中，使用帶有P89V51RD2的開發(fā)板，使用開發(fā)板上邊的數(shù)碼管、蜂鳴器、TL、RL小紅燈完成外圍電路的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的警示系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)罔F尚未到站時(shí)，若有物體越過黃線警示線時(shí)，紅外接收端接收不到信號(hào)，通過P89V51RD2的控制使得開發(fā)板上的RL燈或者TL燈亮和蜂鳴器發(fā)聲，綜合燈亮和蜂鳴器發(fā)聲的效果，完成報(bào)警，而當(dāng)?shù)罔F進(jìn)站時(shí)，通過延時(shí)程序該系統(tǒng)立即失效，從而不干擾乘客進(jìn)入地鐵。

系統(tǒng)的調(diào)試是一個(gè)不斷完善的過程，經(jīng)過多次修改論證后，最終基本達(dá)到了預(yù)期的效果和目的。在上述基本功能調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，可以用語音錄放模塊（ISD1820）替代蜂鳴器，達(dá)到實(shí)時(shí)語音報(bào)警的目的。

4 結(jié)束語

文中所設(shè)計(jì)的人體紅外警示系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通中候車區(qū)的安全警示，其主要原理是光束遮斷式感應(yīng)器（紅外對(duì)射）的發(fā)射端發(fā)出一束或多束人眼無法看到的紅外光，形成警戒線，當(dāng)有物體通過時(shí)，光線被遮擋，接收端信號(hào)發(fā)生變化，然后采用P89V51RD2單片機(jī)對(duì)信號(hào)的變化進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)語音錄放模塊，發(fā)出“請(qǐng)?jiān)邳S線外候車”等預(yù)先設(shè)置的語音警示信號(hào)，從而替代研制階段所采用的蜂鳴器和警示燈，達(dá)到更好的警示效果。也可以充分利用芯片的管腳，實(shí)現(xiàn)一塊芯片控制多個(gè)地鐵門的警示功能。此外，利用開發(fā)板上的數(shù)碼管設(shè)置一個(gè)電子表同步實(shí)時(shí)顯示該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，以方便工作人員管理。該警示系統(tǒng)原理簡單，成本低廉，探測(cè)效果好，可實(shí)施性高，不僅可以在地鐵站內(nèi)使用可以在很多領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展使用，有著廣闊的市場(chǎng)前景。

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