CN113625261B - 一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点 - Google Patents

一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人值守的微波雷达‑麦克风阵列声波检测器节点，该节点采用双微处理器***，第一微处理器连接有声波信号发生器、目标探测器和雨声检测器，目标探测器包括微波雷达和麦克风阵列声波检测器；微波雷达包括触发式探测模式和周期性探测模式；麦克风阵列声波检测器用于探测环境噪声以及触发微波雷达开启触发式探测模式；雨声检测器用于检测雨点落在节点壳体上的滴答声以及触发微波雷达开启周期性探测模式；第二微处理器连接有无线通信模块，无线通信模块用于实现节点之间或节点与外部手持终端的双向通信。本发明的节点具有低功耗、低虚警概率的优点。

Description

一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点
技术领域
本发明涉及无线传感器技术领域，特别涉及一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点。
背景技术
近三十年来，国内外陆续研发出了多种具有无线组网功能的震动传感器节点、震动-声音传感器节点、震动-磁传感器节点、震动-声音-磁传感器节点以及微波雷达和微波雷达-摄像机节点，这些节点统称为无线传感器网络(WSN)节点，也称为无人值守地面传感器(T-UGS)节点。
在国内，微小型微波雷达主要用于车辆测速，或作为安防设备固定安装在值守区域的周边，但现有的微小型雷达T-UGS节点存在功耗大、虚警概率高的缺点。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种微小型、低功耗、高灵敏度智能的无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，以克服现有的技术问题。
本发明采用以下技术方案：
一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，所述节点安装在一节点壳体内部，所述节点设有供电电源和双微处理器***，所述双微处理器***由第一微处理器和第二微处理器通过串口连接而成；
所述第一微处理器连接有声波信号发生器、目标探测器和雨声检测器，所述目标探测器包括微波雷达和麦克风阵列声波检测器；
所述微波雷达用于探测移动目标，其包括触发式探测模式和周期性探测模式；所述麦克风阵列声波检测器用于探测环境噪声以及触发所述微波雷达开启触发式探测模式；所述雨声检测器用于检测雨点落在所述节点壳体上的滴答声以及触发所述微波雷达开启周期性探测模式；
所述第二微处理器连接有无线通信模块，所述无线通信模块用于实现所述节点之间或所述节点与外部手持终端的双向通信。
进一步地，所述供电电源采用锂电池和太阳能电池板混合供电。
进一步地，所述声波信号发生器用于所述麦克风阵列声波检测器的自检、信号增益以及报警阈值的自适应调节。
进一步地，所述无线通信模块包括VHF无线通信模块和BLE无线通信模块，所述VHF无线通信模块用于实现所述节点之间的双向通信，所述BLE无线通信模块用于所述节点与手持终端之间的双向通信。
进一步地，所述第一微处理器还连接有铁电存储器，所述铁电存储器用于存放所述节点的命令字典、参数以及缓存采样数据。
进一步地，所述第二微处理器还连接有电池电量检测器，所述电池电量检测器用于实时监测电池的电量。
进一步地，所述第二微处理器还连接有时钟日历模块，所述时钟日历模块用于记录目标探测器时刻以及同步时间。
进一步地，所述第二微处理器还连接有电磁蜂鸣器，所述电磁蜂鸣器用于指示所述节点布放时的初始状态。
进一步地，所述第二微处理器还连接有防侵入检测器，所述防侵入检测器用于判断所述节点布放期间是否倾倒或被盗。
进一步地，所述第一微处理器和第二微处理器均设有Micro USB接口和SWJ端口，所述Micro USB接口和SWJ端口用于所述双微处理器***应用程序的开发与调试。
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：
1、本发明的节点是一款微小型、低功耗、高灵敏度智能传感器节点，采用手工布放方式，将该节点布放重要设施周围或边境线要道，可用于探测与识别人和车辆等入侵目标；
2、本发明采用双微处理器***(即第一微处理器和第二微处理器)，二者通过串口实现双向通信，分别管理与控制目标探测器与无线通信模块，在任意时刻都可保持节点与监控终端(中继节点/基站节点)之间的通信联络，且在不改变***自组网应用程序的前提下，就可实现目标探测器的更新换代(更换第一微处理器)；此外，可同时进行目标探测与无线组网通信，避免二者交替工作而可能出现的目标漏检或无线通信不畅的现象；再者，采用双微处理***结构，简化了***应用程序设计的复杂度；
3、采用麦克风阵列声波检测器触发微波雷达开启触发式探测模式进行目标探测，可最大限度地降低微波雷达的功耗；此外，利用安装在节点壳体内部的雨声检测器，检测雨滴敲打节点壳体的声响，在中雨、大雨和暴雨的气象条件下，可触发第一微处理器关闭麦克风阵列声波检测器，并启动微波雷达的周期性探测模式，以降低节点的虚警概率；
4、采用可开启/关断的电源为目标探测器和其他功能模块供电，以实现节点中目标探测器和各个功能模块的分时运行，进而降低节点的功耗；
5、节点配置了声波信号发生器作为信号源，可根据节点布放区域的外部条件，自动调节麦克风阵列声波检测器的信号增益和警戒阈值，使得不论在何种外部条件下，麦克风阵列声波检测器的灵敏度和警戒阈值均能达到最佳值，进而提高节点的检测概率；
6、在布放本发明的节点时，通过第二微处理器控制电磁蜂鸣器发出不同的响声，以指示节点中各个功能模块的初始状态，加快节点的布放速度。
附图说明
图1为本发明的节点结构图；
图2为PMOS管电子开关电路图；
图3为麦克风激励源及信号调理电路，其中，图3(a)是驻极体麦克风前置放大滤波电路图；图3(b)是声波检测器的信号包络检波及其电平调整电路；图3(c)是目标探测器信号增益和报警阈值的自适应调节电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例提供一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，下列简称T-UGS节点，该节点安装在一节点壳体内部，所述节点设有供电电源和双微处理器***。
所述供电电源所述供电电源采用锂电池和太阳能电池板混合供电，并采用PMOS管电子开关(如图2所示)控制节点中麦克风阵列声波检测器和其他功能模块的供电电源的开启或关闭，进而实现这些功能模块的分时工作。供电电源可根据需要开启或关闭，具体采用3.7V/5.2Ah锂电池/3W太阳能电池板混合供电，按每天向外(监控终端)发送1000条报件信息，其有效工作时间大于30天，采用可开启/关断的电源为目标探测器和其他功能模块供电，以实现节点中目标探测器和各个功能模块的分时运行，进而降低节点的功耗。
如图1所示，所述双微处理器***由第一微处理器(MCU-1板卡)和第二微处理器(MCU-2板卡)通过串口连接而成；其中，MCU_1板卡主要用于调度、控制目标探测器(微波雷达和麦克风阵列声波检测器)，实现麦克风阵列声波检测器的信号增益和触发阈值的自适应调节，以及目标探测器信号采集、处理和目标特征提取与识别；MCU_2板卡主要用于实现T-UGS节点的无线通信与自组网的功能。
所述第一微处理器连接有声波信号发生器、目标探测器、雨声检测器以及铁电存储器，所述目标探测器包括微波雷达和麦克风阵列声波检测器；
所述声波信号发生器用于所述麦克风阵列声波检测器的自检、信号增益以及报警阈值的自适应调节；本实施例的节点配置的声波信号发生器作为信号源，可根据节点布放区域的外部条件，自动调节麦克风阵列声波检测器的信号增益和警戒阈值，使得不论在何种外部条件下，麦克风阵列声波检测器的灵敏度和警戒阈值均能达到最佳值，进而提高节点的检测概率。
所述微波雷达采用微小型毫米波雷达，该微波雷达用于探测移动目标，其包括触发式探测模式和周期性探测模式；
所述麦克风阵列声波检测器用于探测环境噪声以及触发所述微波雷达开启触发式探测模式；本实施例采用高灵敏度防水型电容驻极体麦克风阵列作为探头，结合麦克风激励源及信号调理电路(如图3所示)，构成麦克风阵列声波检测器，其中，信号调理电路包括前置放大器(如图3(a)所示)、包络检测电路(如图3(b)所示)、信号增益和警戒阈值自适应调节电路(如图3(c)所示)。采用这种触发式探测模式，可以最大限度地降低微波雷达的功耗。
图3(a)是驻极体麦克风(以下简称MIC)前置放大滤波电路图，其中：电源SND_VCC、电阻R1和R2构成MIC激励源，电容器C1和C2用于电源滤波；电阻R3和R4作为分压器，为单电源低功耗音频放大器(U1-1/2)提供参考电平；电容器C3和电阻(R3//R4)构成隔直滤波器；音频放大器(U1-1/2)、电容器C5、电阻R5和R6构成初级同相高通放大器，电容器C6作为音频放大器的反馈补偿电容；电阻R7和电容器C6构成一阶低通滤波器；音频放大器(U1-2/2)、电容器C7、电阻R8和R9构成次级同相高通放大器，电容器C8作为反馈补偿电容。该前置放大滤波电路的增益约为230倍，频带限制在300～3400Hz之间。
图3(b)是声波检测器的信号包络检波及其电平调整电路。其中，电容器C9和电阻R10构成隔直滤波器；低功耗运算放大器(U2)、二极管D、电阻R11、R12、R13和电容器C10构成包络检波器，其充电时间常数为τ1＝R11×C10，放电时间常数为τ2≥(R12//R13)×C2，且有τ2>>τ1。在此，肖特基二极管SD的主要作用是降低幅值包络信号的直流分量。
图3(c)是目标探测器信号增益和报警阈值的自适应调节电路。其中，低功耗运算放大器(U01)、电阻R01、R02、R03和IIC数控电位器(U02-1/2)构成增益可控的同向放大电路；电阻R04和电容器C01构成一阶低通滤波器(截止频率小于10Hz)；比较器(U03，OTC输出)、IIC数控电位器(U2-2/2)和电阻R05构成阈值可调节的比较器电路，电容器C02用于滤除阈值噪声，电阻R06和发光二极管VD用于显示比较器的输出状态。
所述雨声检测器用于检测雨点落在所述节点壳体上的滴答声以及触发所述微波雷达开启周期性探测模式，所述雨声检测器是采用安装在壳体内部的声波检测器；
所述铁电存储器用于存放所述节点的命令字典、参数以及缓存采样数据。
本实施例采用麦克风阵列声波检测器触发微波雷达开启触发式探测模式进行目标探测，可最大限度地降低微波雷达的功耗；此外，结合安装在节点壳体内部的雨声检测器，检测雨滴敲打节点壳体的声响，在中雨、大雨和暴雨的气象条件下，可触发第一微处理器关闭麦克风阵列声波检测器，并启动微波雷达的周期性探测模式，以降低节点的虚警概率。
所述第二微处理器连接有无线通信模块、电池电量检测器、时钟日历模块、电磁蜂鸣器以及防侵入检测器。
所述无线通信模块用于实现所述节点之间或所述节点与外部手持终端的双向通信；所述无线通信模块包括VHF无线通信模块(高频无线通信模块)和BLE无线通信模块(蓝牙无线通信模块)，所述VHF无线通信模块用于实现所述节点之间的双向通信，所述BLE无线通信模块用于所述节点与手持终端之间的双向通信。
所述电池电量检测器用于实时监测电池的电量。
所述时钟日历模块用于记录目标探测器时刻以及同步时间。
所述电磁蜂鸣器用于指示所述节点布放时的初始状态，在布放节点时，通过第二微处理器控制电磁蜂鸣器发出不同的响声，以指示节点中各个功能模块的初始状态，加快节点的布放速度。
所述防侵入检测器用于判断所述节点布放期间是否倾倒或被盗。
此外，所述第一微处理器和第二微处理器均设有Micro USB接口和SWJ端口，所述Micro USB接口和SWJ端口用于所述双微处理器***应用程序的开发与调试。
本实施例的节点是一款微小型、低功耗、高灵敏度智能传感器节点，采用手工布放方式，将该节点布放重要设施周围或边境线要道，可用于探测与识别人和车辆等入侵目标；本实施例采用双微处理器***(即第一微处理器和第二微处理器)，二者通过串口实现双向通信，分别管理与控制目标探测器与无线通信模块，在任意时刻都可保持节点与监控终端(中继节点/基站节点)之间的通信联络，且在不改变***自组网应用程序的前提下，就可实现目标探测器的更新换代(更换第一微处理器)；此外，可同时进行目标探测与无线组网通信，避免二者交替工作而可能出现的目标漏检或无线通信不畅的现象；再者，采用双微处理***结构，简化了***应用程序设计的复杂度。
由于本实施例的T-UGS节点具有远程节点配置参数和通信模式等功能，因此，既可以作为目标探测器节点，又可以作为中继、中继/探测节点或基站节点使用。
本实施例的T-UGS节点的基本配置如下：
(1)微小型毫米波雷达：方位面(-6dB)：±45°(水平)，俯仰面(-6dB)：±11°；监测范围：2～40m(人)，2～100m(车辆)；
(2)LoRaTM直序扩频(160～170MHz)LoRa无线通信模块，胶棒天线；
(3)BLE4.2/5.0蓝牙模块，PCB天线；
(4)AES128或256位加密；
(5)2个USB接口；
(6)动圈式蜂鸣器；
(7)3.7V/5.2Ah锂电池/3W太阳能电池板供电；
(8)壳体尺寸：200×100×70mm(可定制)；壳体重量：450g(可定制)；
(9)工作温度：-25℃～65℃；
(10)防护等级：IP67。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，其特征在于：所述节点安装在一节点壳体内部，所述节点设有供电电源和双微处理器***，所述双微处理器***由第一微处理器和第二微处理器通过串口连接而成；
所述第一微处理器连接有声波信号发生器、目标探测器和雨声检测器，所述目标探测器包括微波雷达和麦克风阵列声波检测器；
所述微波雷达用于探测移动目标，其包括触发式探测模式和周期性探测模式；所述麦克风阵列声波检测器用于探测环境噪声以及触发所述微波雷达开启触发式探测模式；所述雨声检测器用于检测雨点落在所述节点壳体上的滴答声以及触发所述微波雷达开启周期性探测模式；
所述第二微处理器连接有无线通信模块，所述无线通信模块用于实现所述节点之间或所述节点与外部手持终端的双向通信；
所述无线通信模块包括VHF无线通信模块和BLE无线通信模块，所述VHF无线通信模块用于实现所述节点之间的双向通信，所述BLE无线通信模块用于所述节点与手持终端之间的双向通信。
2.如权利要求1所述的一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，其特征在于：所述供电电源采用锂电池和太阳能电池板混合供电。
3.如权利要求2所述的一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，其特征在于：所述声波信号发生器用于所述麦克风阵列声波检测器的自检、信号增益以及报警阈值的自适应调节。
4.如权利要求1所述的一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，其特征在于：所述第一微处理器还连接有铁电存储器，所述铁电存储器用于存放所述节点的命令字典、参数以及缓存采样数据。
5.如权利要求1所述的一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，其特征在于：所述第二微处理器还连接有电池电量检测器，所述电池电量检测器用于实时监测电池的电量。
6.如权利要求5所述的一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，其特征在于：所述第二微处理器还连接有时钟日历模块，所述时钟日历模块用于记录目标探测器时刻以及同步时间。
7.如权利要求6所述的一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，其特征在于：所述第二微处理器还连接有电磁蜂鸣器，所述电磁蜂鸣器用于指示所述节点布放时的初始状态。
8.如权利要求7所述的一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，其特征在于：所述第二微处理器还连接有防侵入检测器，所述防侵入检测器用于判断所述节点布放期间是否倾倒或被盗。
9.如权利要求1至8任一项所述的一种无人值守的微波雷达-麦克风阵列声波检测器节点，其特征在于：所述第一微处理器和第二微处理器均设有Micro USB接口和SWJ端口，所述Micro USB接口和SWJ端口用于所述双微处理器***应用程序的开发与调试。
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