基于多普勒效应的超高频微波智能安防系统

【摘要】依据多普勒原理，利用超高频微波收发模块作为信号源及反射波接收器，设计了高增益的低频带通滤波器及精密放大器，采用微处理器对人体移动产生的多普勒信号进行处理，实现了基于多普勒效应的超高频微波智能安防系统。该系统具有结构简单、性能稳定、性价比高、抗干扰性强、误报率低等特点，具有较好的社会经济价值。

【关键词】多普勒原理；超高频微波；智能安防；微处理器

1.前言

随着国民经济和人民生活水平的不断提高，众多的现代化小区如雨后春笋般涌现，针对小区范围内抢劫、盗窃、恶意侵犯等各种不安全因素的防范和排查变得愈加重要。因此，以往更多出现在像金融系统、文物系统、军工、邮政等重要单位和要害部门的安防系统开始普遍走进和人们日常生活更加相关的小区、家庭等场所。当前很多安防系统大都采用红外探测、有线传输的方式，存在系统稳定性较差，受外界环境干扰大，灵敏度较低，容易误报、漏报等缺点，因此，设计新型的高可靠性的智能安防系统显得很有必要。

多普勒效应是指当波源与接收器和传播媒介之间存在相对运动时，接收到的反射波频率会和波源发出的波频率不同，相对速度越大，频率变化也就越大，这个频率偏移信号被称为多普勒信号。对多普勒信号进行提取后做相应处理，就可以探测物体的移动。

本文正是基于多普勒效应设计的一种新型超高频微波智能安防系统，解决红外探测在环境温度变化时失灵的问题，也解决低频超声波探测抗干扰性差，容易误报的缺点，采用无线传输方式，即可以现场声音报警也可以手机短信息报警。

2.系统结构

根据超高频微波在空气中传播的多普勒效应，设计的电路系统如图1所示。

此电路系统主要由电源电路、微波信号发射与接收电路、滤波放大电路、嵌入式控制电路以及报警电路几部分组成。系统发出频率为的超高频微波同时接收发射回来的微波信号。在有效探测范围之内，没有移动物体时，接收到的信号频率和发射出去的信号频率相同，信号的电压幅度也没有发生变化，即；当有移动物体时，接收到的信号频率为，存在一个大小为的频率差，微波信号发射与接收电路经过混频处理，输出一个中频信号，经过高增益放大、滤波后传给嵌入式控制电路的单片机，经过单片机的A/D转换和比较判断，输出一个有效的报警控制电平到报警电路，从而实现整个安防系统的智能报警。

3.主要硬件电路实现

3.1 微波信号发射与接收

微波信号发射与接收模块采用基片集成波导、低温共烧结陶瓷基片和多芯片组件等高性能平面集成技术来实现。如图2，振荡器产生的电磁波信号，通过等分功分器或者不等分功分器，一部分由天线发射出去，照在物体上产生反射，由天线接收；另一部分信号与天线接收的信号在混频器中变频得到中频信号，送入后续信号处理电路，最后测出所需要的信息量，如目标距离、速度、角度等。

该结构中采用耿氏二极管再加上高Q谐振腔产生振荡频率，充分利用耿氏二极管本身具有良好的噪声特性。采用肖特基势垒二极管实现混频，通过实验测定二极管各参数后建立仿真模型来设计滤波器，从而实现较低的噪声系数等特性。微带阵列天线采用双天线模式，收发隔离，利用串馈和并馈相结合的方式进行馈电，实现高增益，窄半功率波瓣宽度，低副瓣电平等特性。其电性能参数如表1所示。

3.2 整流滤波放大电路

由微波信号发射与接收电路输出的是一个电压大约为10mv，频率为1.0MHz左右的中频信号IF，需要一个高增益，宽带宽的放大电路进行处理才能送到单片机运算控制电路。通用运算放大器LM258共模抑制比70dB，电源抑制比100dB，开环电压增益100V/mV，带宽1MHz，完全满足电路设计要求，如图3。

IF信号经过该电路处理后，经C14再次滤波。在有效探测范围之内没有移动物体时，输出大小为2.5V的稳定直流电平；当物体进入监控范围时，输出为2.5V直流电平与一个不规则类正弦信号的叠加信号。物体距离越近或者移动速度越快，电压幅值变化越大，频率越高。

3.3 报警电路

报警电路由现场语音报警和短信息报警两部分组成。现场报警电路采用专用的音乐集成芯片和其他扬声器，当系统检测到非法侵入时，发出报警语音。短信息报警电路使用通用的手机通讯模块经过移动网络发送到用户终端或者监控中心，可以对报警信息预先定制，使用户对事发地点情况一目了然。如图4、图5所示，语音芯片采用ISSI公司的IS22C020，探测到非法侵入者时，单片机P3.7输出高电平，三极管S8050导通，同对IS22C020部分引脚进行控制完成语音报警，没有异常情况发生时，P3.7脚输出低电平，三极管S8050截止，语音模块不工作。

短信息报警主要由GSM模块TC35和存储用户号码的EEPROM芯片AT24C01配合单片机和串口电路完成。TC35是西门子公司为工业应用生产的无线通信模块，可以工作在GSM900MHz和GSM1800MHz频段下，集成了基带处理单元和RF射频控制模块，对外提供ZIP连接器以及RS232串口。TC35与单片机之间通信接口及其启动电路如图6所示。

通过控制三极管Q2实现对TC35的启动，当单片机P1.5管脚输出高电平时，Q2处于导通状态，TC35的IGT管脚被拉低到地电平，保持该信号1ms，然后再输出低电平，这样就完成了TC35模块的启动。单片机发出的控制指令经串口送到TC35，然后把报警短信息发送到EEPROM芯片AT24C01中预存的手机号码用户，完成短信息报警功能。

4.系统软件算法及流程

系统的微处理器主要对滤波放大电路输出的报警信号A/D转换，经过内部算法处理后输出控制信号，同时完成语音报警电路的控制、GSM模块电路之间的通信。算法思想如下：单片机上电复位后初始化系统，P3.7和P1.5管脚输出低电平，语音模块和GSM模块处于休眠状态，短延时后开始实时接收和处理放大电路处理后的多普勒信号，整个系统进入监控状态。如果连续若干个时钟周期内都探测到非法入侵信号，单片机P3.7和P1.5输出高电平，启动语音模块发出报警语音，同时启动GSM模块以文本方式发送报警短信息；如果没有探测到非法入侵信号，P3.7和P1.5输出低电平，语音模块和GSM模块重新进入休眠状态，同时系统继续保持低功耗运行，实时监测。算法流程如图7所示。

5.结束语

本文基于多普勒效应，设计一种新型的超高频微波智能安防系统，解决现有安防系统采用红外探测时，在环境温度过高或过低时探测失灵的问题，也避免了低频超声波探测由于谱密度较低、越障能力差而且容易受使用环境限制而存在误报和漏报的问题。该系统结构简单、性能稳定，不受温度、湿度、噪声、光线等影响，适合恶劣环境，能准确探测移动物体，可广泛应用于高档住宅小区物业管理等很多需要实现智能感应，无人值守的场所，具有较好的社会经济价值。

参考文献

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[2]陈国强，邓明长.基于多普勒效应的超声波安防系统[J].韶关学院学报，2008，29（10）：33-36.

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[4]李周利，赵学敏，黄天录.微波信号调制电路设计与实现[J].电子测试，2012，05（7）：89-92.

[5]白明柱，莲花.超声波多普勒效应的应用[J].硅谷， 2010，07（8）：124-126.

作者简介：

周保民（1984―），男，硕士，工程师，现供职于中国电子振华集团深圳市振华微电子有限公司，主要研究方向：控制系统计算机辅助设计。

张建国（1961―），男，高级工程师，现供职于中国电子振华集团深圳市振华微电子有限公司，主要研究方向：高压直流供电系统。