趙鐵虎 ，齊 君 ，阮大雙 ，單 瑞

（1.青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071；3.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

基于地磁與紅外雙模探測的海洋浮標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙鐵虎1,2，齊 君1,2，阮大雙3，單 瑞1，2

（1.青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071；3.杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

設(shè)計(jì)了一種基于地磁檢測與紅外感應(yīng)相結(jié)合、可對浮標(biāo)周圍異常目標(biāo)進(jìn)行探測和預(yù)警的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用芯片級(jí)的微型磁感線圈，以及高集成度、低功耗的數(shù)據(jù)采集與總線技術(shù)，通過探測船體磁性對地磁場的擾動(dòng)，監(jiān)測船舶對浮標(biāo)的靠近；采用芯片級(jí)的熱釋電紅外傳感器，通過探測人體紅外輻射，監(jiān)測浮標(biāo)在正常工作期間未知人員的入侵。系統(tǒng)的預(yù)警采用聲光報(bào)警和圖像遠(yuǎn)程傳輸相結(jié)合的方式，現(xiàn)場采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮編碼后通過無線數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送至遠(yuǎn)程岸基監(jiān)測站，實(shí)現(xiàn)海洋浮標(biāo)的遠(yuǎn)程預(yù)警與現(xiàn)場取證功能。

海洋浮標(biāo)；地磁檢測；紅外感應(yīng)；無線數(shù)傳

海洋浮標(biāo)是海洋環(huán)境、氣象預(yù)報(bào)和海洋災(zāi)害預(yù)測預(yù)警的主要監(jiān)測手段，我國在近海區(qū)域布放了成千上萬個(gè)基于各類不同業(yè)務(wù)項(xiàng)目的浮標(biāo)系統(tǒng)，由于浮標(biāo)全天候、長期連續(xù)、定點(diǎn)監(jiān)測海洋水文環(huán)境和氣象[1-2]，因此極易遭受到漁業(yè)活動(dòng)和過往船只等客觀與主觀因素的破壞。隨著我國海洋觀測、監(jiān)測業(yè)務(wù)活動(dòng)的全面開展，使得設(shè)計(jì)一種浮標(biāo)安全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的必要性與迫切性日益提高。

本文設(shè)計(jì)了一種基于地磁檢測技術(shù)[3-4]、熱釋電紅外感應(yīng)技術(shù)與數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)的海洋浮標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)由“檢測單元”和“預(yù)警單元”兩部分組成。“檢測單元”主要由地磁傳感器、熱釋電紅外傳感器以及各自的數(shù)據(jù)采集處理電路組成，“預(yù)警單元”主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、限位檢測開關(guān)、CMOS圖像傳感器和數(shù)據(jù)無線收發(fā)模塊組成。系統(tǒng)以STM32F407處理器為核心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)預(yù)警和發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。磁傳感器采集浮標(biāo)周圍環(huán)境磁場，將測量的磁場數(shù)據(jù)以RS485通信方式發(fā)送至微控制器。微控制器計(jì)算當(dāng)前環(huán)境磁場值與正常環(huán)境磁場值的差異值，根據(jù)差異值與系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警閾值比較，判斷浮標(biāo)平臺(tái)周圍船只運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)計(jì)算的差異值超過報(bào)警閾值，微控制觸發(fā)探測組件中的紅外傳感器工作，檢測是否有人員靠近浮標(biāo)，并根據(jù)4個(gè)探測組件中的紅外傳感器的反饋檢測信號(hào)，大致定位人員靠近方位同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至定位的方位，待轉(zhuǎn)動(dòng)至指定方位后觸發(fā)圖像傳感器采集現(xiàn)場圖片，最后將現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)通過DTU無線傳輸平臺(tái)發(fā)送至岸邊基站，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)報(bào)警監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 雙模探測原理介紹

本系統(tǒng)采用地磁檢測和紅外感應(yīng)相結(jié)合對海洋浮標(biāo)周圍異常目標(biāo)進(jìn)行探測和預(yù)警，其中地磁檢測主要通過探測過往輪船等鐵磁性物體對浮標(biāo)周圍地磁場的擾動(dòng)現(xiàn)象[4-5]，進(jìn)而判別浮標(biāo)周圍是否有船只靠近情況；紅外感應(yīng)探測是通過熱釋電紅外傳感器檢測浮標(biāo)平臺(tái)周圍特定波長（人體向外輻射的紅外光）的紅外光情況，進(jìn)而識(shí)別浮標(biāo)周圍是否有人員靠近。系統(tǒng)布局如圖2所示，1號(hào)與3號(hào)，2號(hào)與4號(hào)探頭的磁感應(yīng)軸布放位置兩兩相同。

圖2 系統(tǒng)布局示意圖

在實(shí)際測量中存在環(huán)境磁場噪聲，為了抑制因環(huán)境噪聲干擾影響系統(tǒng)對磁性目標(biāo)探測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。由于三分量梯度儀在實(shí)際測量中對背景磁場噪聲具有一定的抗干擾性，故本文在系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)時(shí)，提出一種梯度放置設(shè)計(jì)布局如圖2所示。圖2中的1號(hào)與3號(hào)、2號(hào)與4號(hào)探測單元中的三軸磁傳感器的擺放位置相互一致，實(shí)現(xiàn)在探測磁性目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生梯度測量效果。

2.1 地磁探測原理

由于鐵磁性物質(zhì)如管道、汽車和輪船等因受到地球磁場的磁化而產(chǎn)生感應(yīng)磁場，產(chǎn)生的感應(yīng)磁場會(huì)擾動(dòng)其周圍磁場分布情況。根據(jù)這種磁異?，F(xiàn)象可以通過測量物體周圍磁場的分布情況實(shí)現(xiàn)對鐵磁性物質(zhì)的探測與識(shí)別。本文中采用一種基于微型磁感線圈的芯片級(jí)的三軸磁傳感器MicroMag3,其工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律[6]：

式中：Vi表示線圈感應(yīng)電壓；Φ為線圈中的磁通量；N為線圈匝數(shù)；Ae為線圈橫截面；H為磁場強(qiáng)度；μe為磁芯的相對磁導(dǎo)率。

MicroMag3 磁傳感器測量范圍：±11 Gauss，分辨率：15 mGauss，完全滿足本文設(shè)計(jì)要求。其內(nèi)部主要由磁感應(yīng)線圈、電阻、數(shù)字開關(guān)和比較器組成的振蕩電路，在使用時(shí)可以通過SPI串行通信向該傳感器發(fā)送命令字節(jié)設(shè)置相應(yīng)的方向軸測量。

2.2 紅外探測原理

人體紅外輻射原理主要基于基爾霍夫定律和普朗克分布定律[7]。其中由基爾霍夫定律得出，在一定溫度條件下，熱平衡的物體的輻射能量與吸收能量成正比；普朗克分布定律闡述了物體輻射能量在不同溫度下輻射波長的分布定律，其數(shù)學(xué)公式為：

式中:Ebλ表示黑體輻射度；C1表示第一輻射常數(shù)，C1=3.7415×108W*cm-2*μm4；C2表示第二輻射常數(shù)，C2=1.43879×104μm*K；λ 表示波長；T 表示絕對溫度。

正常狀態(tài)下，人體會(huì)不斷地輻射紅外線，且波長穩(wěn)定在10 μm。根據(jù)這一現(xiàn)象可以利用熱釋電紅外傳感器識(shí)別人體。其中，熱釋電紅外傳感器主要通過熱釋電效應(yīng)原理：由于外界溫度的變化，導(dǎo)致熱釋電晶體和壓電陶瓷發(fā)生電荷中心相對移動(dòng)，使得在晶體兩端產(chǎn)生異性的束縛電荷。由于熱釋電紅外傳感器的可探測波長范圍為0.2～20 μm，因此需要在其感光器件前添加干涉濾光片，濾除噪聲波長。另外，通過在傳感器前添加菲涅爾透鏡，放大檢測距離和范圍。文中選用一款標(biāo)準(zhǔn)雙元設(shè)計(jì)熱釋電紅外傳感器LHI778,其內(nèi)部含有一個(gè)雙元釋熱陶瓷元件和FET相連，使其具有高靈敏度和較好的共模抑制比。本系統(tǒng)中選用的LHI778型熱釋電紅外傳感器，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 LHI778型熱釋電紅外傳感器性能參數(shù)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。其中，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括圖像采集、磁場探測、微處理器外圍電路和紅外探測等。軟件實(shí)現(xiàn)主要包括系統(tǒng)工作流程圖、磁探測與紅外探測流程圖和圖像采集流程圖等。

3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本小節(jié)主要介紹磁場探測、紅外檢測和圖像采集等相關(guān)電路原理的設(shè)計(jì)及分析。

3.1.1 磁場探測電路設(shè)計(jì) 微型磁感線圈的芯片級(jí)3軸磁傳感器MicroMag3,其最大測量范圍±1 100 uT，最小分辨率15 nT，采樣頻率最高可達(dá)2 kHz，在3 V的工作電壓下，工作電流小于500 μA，工作功耗低。自帶SPI通信接口，可直接與微控制器I/O連接，電路原理圖如圖3所示。

圖3 磁場探測電路

其中圖 3 中 SCLK、MISO、MOSI、CS 外接上拉電阻后與微控制器SPI通信端口相連接，DRDY與微控制器外部中斷端口相連接，RESET與微控制器GPIO口相連接。

3.1.2 紅外檢測電路設(shè)計(jì) 紅外探測采用熱釋電傳感器LHI778探頭和BISS0001，其中LHI778具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)，低工作電壓等特點(diǎn)，BISS0001內(nèi)部具有獨(dú)立運(yùn)算放大器和內(nèi)設(shè)延時(shí)時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器，電路原理如圖4所示。

圖4 紅外探測電路

圖4中LHI778的輸出引腳經(jīng)無源RC濾波后接入BISS0001的第一級(jí)運(yùn)算放大器的同相輸入端，再經(jīng)過內(nèi)部二級(jí)運(yùn)算放大器和雙向鑒幅器后，由信號(hào)輸出端Vo輸出。其中BISS0001的1引腳是重復(fù)觸發(fā)控制端，當(dāng)該引腳被置于高電平時(shí)，使能重復(fù)觸發(fā)，被置于低電平時(shí)，失能重復(fù)觸發(fā)，在本電路中，引腳1被置于高電平，允許電路重復(fù)觸發(fā)。

3.1.3 圖像采集電路設(shè)計(jì) 圖像采集采用OV2640低電壓CMOS圖像傳感器，該傳感器具有8/10bits RGB圖像數(shù)據(jù)接口。對于輸出10位RGB圖像使用D[9：0]；對于輸出8位的YCbCr/RGB圖像使用D[9：2]。其中引腳Href/Vsync,通過SCCB(Serial Camera Control Bus)設(shè)置Href功能或Vsync功能；引腳SIOC和SIOD外接4.7 kΩ的上拉電阻；引腳RESETB通過GPIO端口拉低引腳電平觸發(fā)OV2640復(fù)位工作，或在RESETB引腳外接上拉電阻至DOVDD時(shí)，通過SCCB控制OV2640復(fù)位工作；引腳PWDN通過GPIO端口拉高引腳電平觸發(fā)工作，或在PWDN引腳外接下拉電阻至DGND時(shí)，通過SCCB控制工作，電路原理圖如圖5所示。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)均在Keil5嵌入式開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在本小節(jié)主要對系統(tǒng)主流程程序和數(shù)據(jù)采集處理流程程序進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖5 圖像采集電路

3.2.1 系統(tǒng)主流程程序 主程序中包括系統(tǒng)初始化、DTU初始化設(shè)置和指令分析等流程。其中系統(tǒng)初始化主要對系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O口、USART、SPI和DCMI初始化設(shè)置；DTU初始化主要通過微控制串口與DTU模塊通信，配置其短信模式、遠(yuǎn)程接收端IP地址、端口號(hào)等；指令分析主要分析遠(yuǎn)程接收端發(fā)送的指令信息（設(shè)防指令、查看指令和撤防指令），設(shè)防指令用于實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場磁場數(shù)據(jù)、紅外探測數(shù)據(jù)，并根據(jù)磁場數(shù)據(jù)的變化情況檢測是否有船只、人員靠近。查看指令用于讀取圖像傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程岸基接收站，便于岸邊監(jiān)控人員查看浮標(biāo)周圍情況。撤防指令用于關(guān)閉磁探測、紅外探測等數(shù)據(jù)采集功能，使系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式，降低系統(tǒng)功耗。程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程框圖

3.2.2 數(shù)據(jù)采集處理程序 微控制器讀取磁傳感器采集數(shù)據(jù)，采樣頻率為10 Hz，再將兩次數(shù)據(jù)相減并將差值與預(yù)設(shè)的閾值相比較，若檢測值超出閾值微控制器會(huì)打開紅外探測，反之則采集下一次磁傳感器數(shù)據(jù)，地磁探測與圖像采集流程如圖7所示。

圖7 流程圖

4 系統(tǒng)測試與仿真

4.1 系統(tǒng)測試方案制定

(1)測試場地：選擇戶外空曠場地

(2)測試對象：小型轎車和人員

(3)測試內(nèi)容：測試平臺(tái)周圍環(huán)境磁場擾動(dòng)情況、人員靠近情況和周圍圖像采集情況。

圖8 系統(tǒng)測試結(jié)構(gòu)框圖

4.2 測試實(shí)驗(yàn)過程

系統(tǒng)測試內(nèi)容主要包括如下部分：

(1)當(dāng)因車輛在平臺(tái)周圍移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)、精確地感知到周圍地磁場的變化情況；

(2)當(dāng)有人員靠近平臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)能否及時(shí)識(shí)別并做出響應(yīng)；

(3)當(dāng)系統(tǒng)檢測到平臺(tái)周圍發(fā)生異?；顒?dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠采集現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)并傳回至遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)；

系統(tǒng)測試現(xiàn)場安裝圖如圖8戶外測試結(jié)構(gòu)框圖所示，平臺(tái)組裝步驟如下：

(1)在戶外選擇一處空曠場地（減少因外界活動(dòng)產(chǎn)生的磁場擾動(dòng)干擾），將測試旋轉(zhuǎn)云臺(tái)平穩(wěn)安置；

(2)分別在東西南北四個(gè)方向上放置探測組件（包含磁傳感器和紅外傳感器）并分別通過長2 m的線纜連接至旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中的采集系統(tǒng)；

(3)將聲光報(bào)警組件通過長3 m的線纜連接至旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中的控制系統(tǒng)；

(4)將圖像采集組件固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中，并連接至采集系統(tǒng)。

圖9 測試平臺(tái)現(xiàn)場安裝圖

實(shí)驗(yàn)測試內(nèi)容見上文描述的測試方案制訂，實(shí)驗(yàn)測試過程如下所述：

(1)啟動(dòng)系統(tǒng)工作后，在進(jìn)行測試之前使系統(tǒng)在當(dāng)前環(huán)境下工作1 min，系統(tǒng)根據(jù)采集到一定時(shí)間的當(dāng)前背景磁場數(shù)據(jù)，再通過中值濾波算法計(jì)算得出當(dāng)前背景磁場值[8-9]，并將其設(shè)定環(huán)境磁場基線值；

(2)實(shí)驗(yàn)測試員1駕駛小型汽車從不同的方向緩慢靠近平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測試員2在距離測試平臺(tái)1 km左右的遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)通過上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)觀察磁傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

(3)實(shí)驗(yàn)測試員2從不同的方向多次緩慢靠近測試平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)人員2在遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)觀察紅外傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；

(4)測試系統(tǒng)識(shí)別要異常情況后，采集現(xiàn)場圖片數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)。

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對測試實(shí)驗(yàn)中不同方向的磁傳感器采集到的數(shù)據(jù)和不同分辨率的圖片、傳輸速率對傳輸時(shí)間的影響進(jìn)行分析，并得出相應(yīng)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析包含以下內(nèi)容：

(1)在實(shí)驗(yàn)測試過程中小型轎車在不同方向上靠近平臺(tái)時(shí)，對各個(gè)方向的磁傳感器采集的實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比圖如圖所示；

(2)在圖像數(shù)據(jù)采集與傳輸過程中，對不同分辨率的圖片和不同傳輸速率對傳輸時(shí)間影響的分析。

4.3.1 探測單元的磁傳感器數(shù)據(jù)分析 各個(gè)方位的磁傳感器數(shù)據(jù)測試分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 磁場數(shù)據(jù)對比圖

圖10中顯示出小型轎車在正對2號(hào)探測單元時(shí) (各探測單元擺放位置如上文系統(tǒng)戶外測試結(jié)構(gòu)框圖中描述)，各方向處的磁傳感器采集數(shù)據(jù)對比情況。圖中顯示1號(hào)和3號(hào)探測單元中磁傳感器采集平臺(tái)周圍磁場數(shù)據(jù)變化趨勢較為一致且比4號(hào)探測單元數(shù)據(jù)變化較為明顯；顯示離小型轎車最近的探測單元采集的磁場數(shù)據(jù)變化最為明顯且平均磁場值比其他各探測單元采集的數(shù)據(jù)略大。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果符合理論公式[10]：

式中：B表示磁場值；μ表示磁導(dǎo)率；r=R/R，m=M/M。

4.3.2 不同分辨率的圖片和不同傳輸速率對傳輸時(shí)間影響的分析 在圖像采集與傳輸性能測試實(shí)驗(yàn)中，主要測試圖像分辨率對于傳輸性能的影響，便于選擇一種傳輸性能相對優(yōu)化的圖像分辨率。實(shí)驗(yàn)過程中分別對 320×240、680×480 和 1024×768 分辨率進(jìn)行傳輸性能結(jié)果分析，性能測試結(jié)果分析如表2所示。

表2 圖像數(shù)據(jù)傳輸性能對比表

5 結(jié)論

本文基于地磁傳感與紅外傳感的雙模探測技術(shù)，通過圖像的采集與傳輸，實(shí)現(xiàn)了海洋浮標(biāo)的預(yù)警。通過陸地模擬測試，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求，實(shí)現(xiàn)了磁性物體或人體靠近浮標(biāo)時(shí)的事件檢測以及圖像傳輸。在實(shí)際海洋浮標(biāo)預(yù)警應(yīng)用中，系統(tǒng)可通過預(yù)先設(shè)定報(bào)警閾值，實(shí)現(xiàn)當(dāng)大型船只靠近海洋浮標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前背景磁場值異常變化值觸發(fā)報(bào)警。由于在實(shí)際的使用，所以后期仍需對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行完善和優(yōu)化。

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Design of an Ocean Buoy Auto-Warning System Based on Geomagnetic-Infrared Detection

ZHAO Tie-hu1,2,QI Jun1,2,RUAN Da-shuang3,SHAN Rui1,2
1.Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao 266071,Shandong Province,China;
2.Function Laboratory of Marine Geo-Resource Evaluation and Exploration Technology,Qingdao 266071,Shandong Province,China;
3.Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,Zhejiang Province,China

This paper designs a kind of anomaly target detection and warning system based on geomagnetic detection combined with infrared induction technology.The system adopts chip level of micro magnetic induction coil,as well as the data acquisition and bus technology featured by high integration and low power consumption,so as to realize monitoring ship motion around buoy by detecting the ship magnetic disturbance of the geomagnetic field.The design uses chip level of pyroelectric infrared sensor to monitor invaded unknown persons during normal work by detecting the infrared radiation of human body.The early warning system adopts the combination of sound and light alarm and remote image transmission.The acquired image data on site are sent to the remote monitoring station via wireless digital shore-based station after compression coding,in order to achieve the function of ocean buoy remote warning and scene evidence obtaining.

ocean buoy;geomagnetic detection;infrared sensing;buoy warning

P715.2

A

1003-2029（2017）05-0015-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.003

2017-06-05

青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室鰲山科技創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目“亞洲大陸邊緣地質(zhì)過程與資源環(huán)境效應(yīng)項(xiàng)目”(2015ASKJ03)；國家海洋地質(zhì)調(diào)查專項(xiàng)資助項(xiàng)目(121201005000150012)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41406115）；青島市南區(qū)科技發(fā)展資金資助項(xiàng)目（2016-3-015-ZH）

趙鐵虎(1962-)，男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟮刭|(zhì)地球物理調(diào)查。E-mail:thzhao2007@126.com