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新思路,新探索——应用于地铁的红外对射技术的安全警示系统设计

随着城市轨道交通的普及,地铁候车区的安全问题日益受到重视。也许我门将还不能忘记北京地铁有乘客跳入铁轨身亡的事,频发的地铁安全事故,都会让我们思考,如何才能避免减少这类悲剧的发生,安防系统新技术将再次大显身手。

此技术采用四对主动对射式红外传感器放置于候车区的两端,由人眼无法看到的红外光,形成警戒线。当有人跨越警戒线时,光线被遮挡,接收端信号发生变化,采用89C51单片机进行信号处理,驱动语音芯片ISD1 820发出语音警示信号,起到安全警示效果。同时,结合地铁站内地铁进站时乘客需要踩踏警戒线进入地铁的实际情况,将地铁进站乘客进入地铁时警示功能设置成失效,在地铁离站后立即恢复正常功能,并以此循环往复。该警示系统原理简单,成本低廉,探测效果好,可实施性高,不仅可以在地铁站内使用可以在很多领域内进行扩展使用。红外线自1800年被发现以来,人们对红外技术的研究从来没有停止过,已经开发出了众多的应用产品,应用于医疗、检测、航空和军事等领域。由于红外线是不可见光,具有较强的隐蔽性和保密性,因此红外技术主要应用在探测、控制、测量等系统,以及防盗、警戒等安保装置中。例如军事或医学领域中的红外热像仪测温系统,民用领域内的人体识别、人体运动特征探测和速度测量,安防系统中的红外报警器等。红外报警技术是其中最重要、最普及的研究领域之一,随着集成电路技术和智能信息处理技术的发展,红外报警技术逐步走向成熟,设备趋向小型化和智能化,其应用也从最初的军用,逐渐过渡到公共场合中的警示系统、居民住宅中的防盗系统、事业单位的防入侵系统等。

近年来,随着社会的快速进步和城市的大力建设,城市轨道交通,也即地铁,已逐渐成为城市的交通命脉和人们主要的交通工具。对射式红外传感器已经应用于地铁闸机的人体识别系统中。但是,地铁快速、无人售票等特点带来的安全隐患也相应增加,再加上乘客安全意识不足,导致与地铁相关的交通事故屡屡发生,因此安全隐患的消除是目前相关部门急需解决的问题之一。该系统采用红外对射技术采集报警信号,经过单片机进行处理,发出语音警示信号,提示跨越安全警示线的乘客退回到安全候车区。  目前,在地铁站已经有一些报警系统投入使用,但均有成本高昂等缺陷,设计的红外报警系统成本则相对低廉,只需一块89C51单片机P89V51RD2、一个语音录放模块(ISD1820)和外围红外探测电路即可达到报警效果,前景相当可观。

1 红外线报警技术

红外探测系统是用物理方法或电子技术,自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为.产生报警信号,并辅助提示值班人员发生报警的区域部位,显示可能采取对策的系统。  红外探测技术由于其与人体的关系在报警系统中的应用占据了相当大的一部分。红外报警器分为主动式和被动式两种。被动式红外探测器主要由光学系统、红外探测器件(红外传感器)及报警控制器等部分组成 红外传感器作为红外接收部分,其本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射,通过光学系统的配合作用,它可以探测到位某一个立体防范空间内的热辐射的变化。当有人体在探测区域内走动时,就会造成红外热辐射能量的变化。红外传感器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转换为相应的电信号,经适当的处理后,送往报警控制器,发出报警信号。

主动式红外探测器,也称对射式红外传感器,全名叫“光束遮断式感应器”,是一种能检测人体发出的特定波长红外线的敏感元件。红外对射式探测器由瞄准孔、光束强度指示灯、球面镜片、LED指示灯等组成。其侦测原理是利用红外线经LED红外光发射二极体,再经光学镜面做聚焦处理使光线传至很远距离,由受光器接收,当光线被遮断时就会给出报警信号。红外对射报警器由收、发装置两部分组成,发射装置向装在几米远的接收装置辐射一束红外线,当被遮断时,接收装置即发出报警信号。

被动红外技术基本应用于室内防范,而主动红外技术不仅可用于室内还可用于室外,并具有隐蔽性强、灵敏度高等特点。此外,由红外对射管构成的探测装置一般在6~15米的距离之内准确地感测运动人体的存在,较之微波、超声探测方式具有稳定性好、抗干扰能力强、耗电微、敏感度高,且能准确鉴别生物体和非生物体的运动,误报率低,目前被认为是最可靠的人体探测技术。因此,本论文所设计的地铁安全警示系统,主要采用主动式红外对射报警器的设计模式。

2 系统结构与工作原理  设计的地铁安全警示系统主要运用红外线检测、信号传输和单片机控制等技术。将该报警器安装在地铁站的黄线警示线的两端,采用红外对射技术对人侵信号进行检测,若有人踩踏黄线,进入警示区,则光线被遮断,系统就会采集到入侵信号,传递给核心控制单片机,发出警示信号。结合地铁站的实际情况,可以在每个地铁门的两端放置一对红外对射设备,并在每个地铁门前安装一个带有红色警示灯的语音警示模块(ISD1820),从而实现一块单片机集中处理入侵信号,各个地铁门分开报警的功能。 当光束遮断式感应器检测到入侵信号时,将该入侵信号的输出端接向单片机P89V51RD2的管脚上,通过在C语言环境下对该信号进行处理,使用P89V51RD2的控制功能,用以驱动语音录放模块,发出“请在黄线外候车”的语音警示信号,再配合警示灯实时亮红灯,达到报警效果。并在C语言环境下设置延时,以实现当地铁进站乘客踩踏警戒线上车时报警功能失效,在地铁离站后立即恢复正常,并以此循环往复,从节约单片机资源、充分利用单片机管脚的角度出发,可是使用一块P89V51RD2去控制4个红外对射设备,从而实现一块P89V51RD2控制多个地铁门的功能,而且相互不干扰。再者,对开发板上的数码管编程设置一个电子表,使其与报警系统启动开始同步实时显示系统运行时间,以方便工作人员进行管理。

系统设计的总体结构和电路原理图电路设计软件的限制,用蜂鸣器模拟语音录放模块(ISD1820)。结合系统设计总体结构图,可将系统总体功能划分为硬件和软件两方面分别进行设计。系统硬件设计部分主要完成发送端和接收端的电路设计,语音报警电路设计,及其与核心控制单片机的接口电路等。系统软件设计部分主要指进行核心信号处理的89C51单片机的C语言程序结构规划和内容设计。

红外对射电路设计

本系统在设计时,尽可能采用最简单的电路设计来完成相应的功能,按照主动式报警器的原理。所设计的其中一对红外对射电路采用了一个发光二极管,再接上一个上拉电阻,构成红外发射电路;采用CR20F20光敏晶体管连接上拉电阻,构成红外接收电路。当有人越过黄色警示线,也即有物体阻挡红外对射电路时,接收电路部分的输出电压Uo会产生电平变化,从而驱动单片机进入告警状态。系统设计总图的其他外围电路的设计采用天津锐志单片机公司所出产的单片机开发板P89V51RD2上的外围电路即可。

系统软件设计  本系统信号处理的核心部分是以P89V51RD2为核心的单片机开发板,P89V51RD2是一款80C51微控制器,包含64kB Flash和1024字节的数据RAM。P89V51RD2的典型特性是它的X2方式选项。利用该特性,设计工程师可使应用程序以传统的80C51时钟频率(每个机器周期包含12个时钟)或X2方式(每个机器周期包含6个时钟)的时钟频率运行,选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变,这样可以极大地降低电磁干扰(EMI)。

本系统在调试模拟时,使用了一块单片机开发板,结合该开发板上的外围电路的设计,在使用P89V51RD2的管脚时,使用了闲置的P1与P3的几个IO口,  在启动系统时,系统立即开始计时,以天津地铁一号线为例,地铁列车每10分钟进站一次,考虑到调试时间,将系统有效时间设定为20秒,在这20秒内,若有人或者物体越过黄线,检测信号接收端产生低电平,此时通过一个If语句使得相应的警示灯点亮,同时蜂鸣器响,在20~30秒之间时,系统功能失效,并以此30秒为周期循环往复下去。

3 系统调试  在实物调试之前,将按照上述流程图编写好的程序烧进P89V51RD2中,使用带有P89V51RD2的开发板,使用开发板上边的数码管、蜂呜器、TL、RL小红灯完成外围电路的设计。设计的警示系统可以实现当地铁尚未到站时,若有物体越过黄线警示线时.红外接收端接收不到信号,通过P89V51RD2的控制使得开发板上的RL灯或者TL灯亮和蜂鸣器发声,综合灯亮和蜂呜器发声的效果,完成报警,而当地铁进站时,通过延时程序该系统立即失效,从而不干扰乘客进入地铁。  系统的调试是一个不断完善的过程,经过多次修改论证后,最终基本达到了预期的效果和目的。在上述基本功能调试成功的基础上,可以用语音录放模块(ISD1820)替代蜂鸣器,达到实时语音报警的目的。

设计的人体红外警示系统应用于城市轨道交通中候车区的安全警示,其主要原理是光束遮断式感应器(红外对射)的发射端发出一束或多束人眼无法看到的红外光,形成警戒线,当有物体通过时,光线被遮挡,接收端信号发生变化,然后采用P89V51RD2单片机对信号的变化进行处理,驱动语音录放模块,发出“请在黄线外候车”等预先设置的语音警示信号,从而替代研制阶段所采用的蜂鸣器和警示灯,达到更好的警示效果。也可以充分利用芯片的管脚,实现一块芯片控制多个地铁门的警示功能。此外,利用开发板上的数码管设置一个电子表同步实时显示该系统运行时间,以方便工作人员管理。该警示系统原理简单,成本低廉,探测效果好,可实施性高,不仅可以在地铁站内使用可以在很多领域内进行扩展使用,有着广阔的市场前景。

此系统如果投入使用,将会取得非常好的效果,,大大的保证了地铁运输的安全。