Исследование алгоритма обработки информации детектором разбиения стекла на основе микропроцессора STM32 Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

TECHNICAL SCIENCE

Сердюков П. C., Гурин Р.Р., Куантов А.Р., Бедикян Д.Р., Петров Д.А.

Южный федеральный университет Институт компьютерных технологий и информационной безопасности, Таганрог

DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10927 ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЕТЕКТОРОМ РАЗБИЕНИЯ СТЕКЛА НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРА STM32

Serdyukov P. C., Gurin R.R., Kuantov A.R., Bedikyan D.R., Petrov D.A.

South Federal University Institute of Computer Technology and Information Security, Taganrog

STUDY OF THE INFORMATION PROCESSING ALGORITHM BY THE DETECTOR OF GLASS BREAKING ON THE BASIS OF STM32 MICROPROCESSOR

Аннотация

В данной исследовательской работе предпринимается алгоритм контролирования при разбиении стекла в закрытом помещении. Таким образом, происходит контроль выполнения обнаружения разрушения стекла, толщины стенки и размера разреза вместе с трещинами в стекле. Стекло обнаруживается в пространстве и сохраняется видеозапись пространства. В ходе процесса проведения данного анализа были проверены, исследованы и рассчитаны схемы, которые есть на данный момент, построения детекторов, оповещающих о разбитие стекла используемых в данный момент в системах пожарной сигнализации. Используются: датчик сканирования стекла, волоконно-оптические устройства связи и магнитные детекторы. Более того проанализированы и показатели сигнала по времени и частоте, реагирующих на звук разбития стекла. Не менее важным моментом для исследования является и создание программных алгоритмов технической и программно-аппаратной фильтрации микропроцессора STM32 невысокой степени объединения данных показателей датчиков. В ходе исследования подтвердили фундаментальную и крайне важную возможность реализации и применение алгоритмов ЦОС, важных для обнаружения факта разбиения стекла, с помощью электромагнитных устройств и микропроцессора STM32 в контролируемом помещении, в режиме реального времени.

Abstract

In this research work, a control algorithm is taken when breaking glass indoors. Thus, monitoring is carried out to detect the destruction of glass, wall thickness and size of the section along with cracks in the glass. Glass is detected in space and a space video is saved. During the process of conducting this analysis, the schemes that are currently available, the construction of detectors warning about breaking glass that are currently used in fire alarm systems, were checked, investigated and calculated. Used: glass scanning sensor, fiber optic communication devices and magnetic detectors. Moreover, the signal parameters are analyzed in time and frequency, which respond to the sound of glass breaking. An equally important pointfor the study is the creation of software algorithms for technical and software-hardware filtering of the STM32 microprocessor with a low degree of integration of these sensor indicators. The study confirmed the fundamental and extremely important possibility of implementing and applying DSP algorithms that are important for detecting glass breaking using electromagnetic devices and the STM32 microprocessor in a controlled room, in real time.

Ключевые слова: разрушение и разбиение стекла, детектор сканирования, пожарная сигнализация, анализ по времени и частоте, микропроцессор, алгоритм ЦОС, программно-аппаратная фильтрация.

Keywords: glass breaking and breaking, scan detector, fire alarm, time and frequency analysis, microprocessor, DSP algorithm, hardware and software filtering.

Введение

Существует огромное множество программно-аппаратных средств по обеспечению безопасности объектов, в которых применяется разного рода алгоритмы для их функционирования [1-4].

Особое внимание уделяется компонентам безопасности, таким как шифрование, аутентификация, ACL и т.д. С помощью алгоритмов цифровой обработки сигналов, применяя технологии повышения безопасности во всем развертывании для избыточной конфигурации интерфейса безопасности

эти компоненты в конфигурации позволяют устройствам безопасности взаимодействовать друг с другом, обеспечивая им большую защищенность [5]. Качественный и надежный алгоритм работы детектора разрушения стекла должен в первую очередь обеспечивать чувствительность обнаружения в течение времени, для которого функция оптической плотности системы доступна и достаточна для быстрого определения отделения содержимого от стеклянного блока. Более конкретно, в отсутствие улучшений чувствительности обнаружения другими методиками можно получить только эту точную чувствительность. Хотя причина этого ограничения может быть разной, некоторые авторы полагают, что эта конструкция материала не оказывает эффективного давления воздуха на стеклянную подложку, как было доказано в других работах, связанных с разбиение стекла. Также важно не производить активацию системы на звуки окружающей среды. По факту, детекторы разрушения стекла, чтобы исключить эту возможность, включают в себя чувствительный микрофон и малошумящий усилитель, соединенный с цифровой печатной платой. Сама транзисторная сеть генерирует частотную характеристику, определяемую емкостной нагрузкой, приложенной к схемной плате громкоговорителя. Монтажная плата громкоговорителя, подключенная к монтажной плате громкоговорителя на передней панели, может быть такого типа, который обычно используется в сменных изделиях, таких как MP3/ADAT преобразователь. Чувствительный микрофон позволяет блоку обнаружения разбиения стекла слышать разбитое стекло и затем подавать звуковые сигналы громкоговорителю, чтобы предупредить администратора. Микрофон обеспечивает поддержку сети усилителя. В связи с тем, что при выходном токе в электретном микрофоне происходит очень маленькое взаимодействие, которого не хватает для работы, то его напряжение следует усилить устройством, для нормализации данных показателей - полевым транзистором. Когда разбивается стекло возникают два, всем известных, вида акустических колебаний в известной последовательности. Возможны различные типы вызывных сигналов. Один тип звона вызван давлением излучения (резонанса) и возникает ударная волна. Другой тип вызываемого сигнала происходит из-за спектральных резонансов и возникает звуковая волна. Различаются высокочастотные (верхняя частота) и низкочастотные (нижняя частота) акустические колебания. Также между ними существует сходство между первой и второй волнообразными формами. Шумы могут восприниматься как составляющие звуковые волны, благодаря которым образуется металлическая звуковая волна. Постепенно происходит энергетический переход между стеклянной фазой и воздушной фазой, то есть между составными частями звуковой волны.

Это акустическое излучение и спектральный резонанс легко можно наблюдать и слышать. Таким образом, и проходит исследование взаимодействия и происхождения с высокочастотными компонентами, соответствующими звуку разбития стекла. Не

стоит забывать, что основной целью, конечно же, является исследование алгоритма функционирования извещателя разбития стекла (ИРС).

Постановка задачи

Существует огромное множество программно -аппаратных средств, в которых применяется разного рода алгоритмы фильтрации сигналов для функционирования. Каждый работает по-разному и на разных устройствах.

Люди используют их, потому что они удобны, а не потому, что у них есть легкая или сложная организация, или управление. Помимо этого, существуют два класса степени алгоритма фильтрации: однопоточный и многопоточный. Эти алгоритмы, по сути, реализованы на режиме многозадачности. Каждый алгоритм вращает поток, который обрабатывает всю информацию, необходимую алгоритму и затем первый поток переходит к следующему. Алгоритм фильтрации похож на простейшую реализацию для монады оптимизации. Но большую популярность, конечно же, приобрела программно -аппаратная реализация алгоритмов фильтрации сигналов для функционирования.

Рассмотрим типовую функциональную схему датчика, который будет оповещать о том, что было разбито стекло.

Схема типового функционального датчика, который будет оповещать о том, что разбито стекло включает в себя два режима работы: активный и пассивный. Соответственно, необходимы: время отклика - быстрое и ответное, его схемы - резистив-ные, а также время реакции на данный отклик -быстрое. Данная схема включена в большинство типов детекторов CCD с плоскими платами и разъемами. Распространённые функции включают, как и слишком яркое детектирование, так и недостаточно яркое детектирование, более того, маломощное детектирование, бесцветное детектирование. Типичный такой детектор представляет собой зажимной адаптер, предназначенный для соединения электрических компонентов блока автоматического распределения данных. Зажимной адаптер, в свою очередь, обеспечивает соединение основного металла электрической розетки к блоку, к которому должны быть поданы электрические провода. Адаптер снабжен вставкой, которая предотвращает контакт передней части устройства с приемником. Вставка может быть отрегулирована для предотвращения контакта передней части устройства с приемником, когда она вставлена в приемник.

В активном режиме детектор разрушения стекла анализирует яркий узко сфокусированный луч для обнаружения события разрушения. Яркость луча измеряется с помощью программы, которая активна на детекторе. На основании измеренной яркости программное обеспечение включается и выключает детектор разбиения стекла. Эксперимент завершается, когда детектор разрушения стекла не обнаруживает событий разрушения. В активном режиме детектор разрушения стекла анализирует наклон линзы от ее основания на любом конце или через полупроводник в самом наконечнике линзы,

а затем формируется тревожное извещение в случае отхождения от нормы. Датчик посылает этот сигнал сервоприводам, которые выполняют действия для вращения объектива на полные 360 градусов. В зависимости от наклона объектив детектора может исследовать с помощью луча более 100 метров стекла в секунду, хотя большинство существующих всего лишь около 20 метров в секунду.

В пассивном режиме детектор разрушения стекла не посылает яркий узко сфокусированный луч для обнаружения события разрушения, а только анализирует колебания воздушной среды в закрытом помещении, в котором установлен детектор разрушения стекла для охраны данного помещения.

<

* ОГ

< Контролируемое

пространство ^ / #

Л-*- 1 ПУ & ->

1 1 г*

f=0...130ru

f=140...7000Гц

f=0... 130Гц Микроконтроллер

ПУ

f=140...7000Гц

пкп кс

ДШ

ФТИ

Блок управ

1

Ш

Рисунок 1 Функциональная схема детектор разрушения стекла.

Детектор разрушения стекла работает по следующему принципу: в начале работы на наружной стенке установлены два нумерованных датчика 1-2. Эти датчики располагают, как можно дальше от наружной стены и крыши. Головка М1 представляет монитор, головка М2 - рабочую станцию, головка М3 - носитель записи, головка М4 - пульт управления и головка М5 - видоискатель. Каждый раз, когда пульт управления получает обратную связь от измерителя или монитора, который показывает показания ниже нуля, например, потому что дисплей выключен, сообщение об ошибке указывает местоположение головки М4. Когда дисплей включен, носитель записи содержит входные данные, необходимые для нулевого считывания. Если произошел положительный сигнал и при этом один из этих датчиков разрушается, то формируется тревожное извещение. Хоть этот чувствительный механизм является только механическим, тряска окна не вызывает неисправности. Поэтому эта система может функционировать в условиях низкого ударного воздействия, а также может предотвратить значительные повреждения стекла при разбитом стекле.

Запатентованная конструкция корпуса обеспечивает легкую, прочную конструкцию, обеспечивающую долговечность. Универсальный источник питания организует непрерывную работу. Однопо-лярное входное напряжение до 6В постоянного тока. Надежные транзисторы для максимальной токовой обработки и надежности. Резервное питание от батареи Lipoly. Детектор разрушения стекла

предпочтительно содержит изолирующий материал с размером частиц стекла или слюды, который будет иметь высокую проводимость или сопротивление заряду. Таким образом, процесс хранения батареи не может быть серьезно нарушен. Индуктивность утечки батареи, например, завышение заряда от солнечного элемента, не является существенным фактором для поддержания точного измерения напряжения. Он также работает в диапазоне вывода до 3 А.

Сигнал, который, в свою очередь, должен многократно усилиться, в связи с правильным преобразованием на аналого-цифровом модуле, обязан быть расположен в месте установки детектора разрушения стекла.

Два различных подхода к обработке сигналов на микропроцессоре возможны с использованием основной части детектора. Датчик использует аналоговый вход (I/O) и цифровой вход (импульс) и описывает положение, скорость и ориентацию матрицы датчиков. На 4 портах ввода/вывода датчик обеспечивает встроенные возможности для аналоговых данных (аналоговые контакты М1-А4), цифровых данных (импульсные контакты М5-М7) или обоих (импульсные контакты М1 -М7). Аналоговые входы данных используются для управления основной волной.

Выбор конкретного подхода к обработке сигналов на микропроцессоре может быть обусловлен желанием изолировать функциональные возможности от определенных компонентов или частично от

поддержания электрических соединений программистами/администраторами. Существует два основных случая, когда необходимо вмешательство программиста/администратора в микропроцессор. Одним из них является использование внешнего инструмента для поддержания работы детектора разрушения стекла. Другая - работа программиста/администратора с программным управлением в микропроцессоре.

Чаще всего используют оба подхода датчика, как аналоговый вход (I/O), так и цифровой вход (импульс). С целью определения конкретных участков спектра существуют разного рода фильтры, но нам следует использовать определенные, чтобы минимизировать помехи во время передачи данных, а также применять максимально активные фильтры отдельных частей спектра используются различные фильтры на основе ярко выраженных операционных усилителей. Например, можно активизировать 1 секунду "зеленого" света и 3 секунды "красного" света с помощью фильтров "Синий", "Зеленый" и "Красный" в цветовом фильтре, таким же образом можно активизировать 3 секунды цифро-аналогового спектра с помощью фильтров "Черный" и "Белый". Такую же методику используют в диапазонах со спектральными соотношениями. Вся фильтрация выполняется на другой активной частоте, но процесс остается тем же, а именно, выделение частотных составляющих аналогового и цифрового сигнала и затем идентификация этих составляющих.

При покидании фильтров на аналого-цифровых усилителях данный полученный сигнал поступает для его преобразования, благодаря и с помощью теореме Котельникова, используем удобную для нашего исследования частоту, но берем ее с

определенным запасом, следовательно, может получить многократно увеличенную верхнюю частоту в спектре сигнала. В связи с этим, получаем, что частота дискретизации должна быть не менее числа, которое мы получаем посредством вычисления выражения, с использованием известных нам величин, а именно: ^(д.уд) >3*1_(в.уд) >3*130=400Гц. А, непосредственно, сама частота дискретизации в моменте обнаружения разбития стекла должна быть не менее числа, которое мы получаем посредством вычисления выражения, с использованием известных нам величин, а именно: И(д.разб) >3*Ив.разб) >3*7000=21000Гц. В завершении обязательно стоит произвести фильтрацию на микропроцессоре, с использованием фильтров, имеющих немаловажную конечную импульсную характеристику. Далее, после важнейшей задачи детектором разбиения стекла происходит слияние отчета обнаружения и самого факта разбиения стекла. После этого происходит оценивание и анализ произошедшего инцидента и факта происхождения сбоя или же правильного реагирования детектора. Оценивается происходящее и формируется сбор информации, если данный инцидент сопровождался звуковыми и волновыми данными, то происходит формирование тревожного извещения. Если данный казус не сопровождался звуковыми и волновыми данными или воздушное пространство помещения не сотрясалось, то тревожное извещение не формируется. В самом детекторе за это отвечает счётчик событий обнаружения удара и фактического разбиения стекла в каналах обнаружения разбиения и удара. Если данное число превышает и/или равно единице, происходит формирование тревожного извещения.

Рисунок 2Диаграмма сигнала разбиения стекла по времени.

П«||Ж1су(кН1)

Рисунок 3 Разбитие стекла по спектру звука.

На рисунке 3 можно заметить наличие максимума в окрестности нулевой частоты, такой максимум определяется начальным воздействием на стекло в момент его разбития - ударом по стеклу. Такое воздействие имеет низкую частоту, его энергия сосредоточена на участке 0-100 Гц. Также имеются локальные максимумы на участках 1 -8 кГц соответствующие звуку разрушения остекления.

Как можно наблюдать, данный сигнал, оповещающий разбитие стекла включает в себя, довольно-таки, важные характеристики:

1. Множество высокочастотных спектральных составляющих, что во временной области соответствует множеству переходов через ноль и пиков.

2. Наличие низкочастотного максимума районе 0-100 Гц вызванного ударом по стеклу орудием преступления, во временной области звук удара предшествует звуку разбития стекла.

Сложность построения извещателя разбития стекла определяет то, что звук стука или удара есть в большом числе звуков, например, закрытии двери или шкафа, падения объектов, хлопков. Также в звуках мельницы, машинки для бритья, транспорта есть похожие высокочастотные спектральные составляющие, но нет низкочастотной составляющей. Алгоритм работы извещателя разбития стекла предполагает, что в спектральной области есть компоненты звука удара и звука разбития стекла, во временной области звук удара предшествует звуку разбития стекла. Алгоритм

На рисунке 4 показан алгоритм работы изве-щателя разбития стекла. Алгоритм программы содержит три основных компонента: обнаружение

звуковых колебаний, обнаружение удара и обнаружение звука разбития стекла, порядок обработки точно соответствует последовательности указанной ранее. Каждые 2 миллисекунды микрофонный модуль включается для обнаружения звука на входе, обнаружение осуществляется посредством оценки уровня сигнала, т.е. посредством его сравнения с пороговым уровнем. При отсутствии превышения порогового уровня питание от микрофонного модуля отключается и микроконтроллер переходит в режим ожидания на следующие 2 мс.

При превышении порогового уровня микроконтроллер начинает обнаружение удара по стеклу, в этом случае отсчёты сигнала подвергаются низкочастотной фильтрации на цифровом КИХ фильтре НЧ с частотой среза 150 Гц, сигнал с выхода фильтра НЧ усредняется и сравнивается с пороговым уровнем, если пороговый уровень превышен, то происходит обнаружение звука разрушения остекления в противном случае микроконтроллер переходит в режим обнаружения звука. Необходимо отметить, что для фильтра НЧ используется более низкая частота дискретизации по сравнению с частотой дискретизации используемой для обнаружения разрушения стекла. В алгоритм обнаружения разбития стекла предусмотрены 2 этапа анализа сигнала. Изначально, когда происходит формирование и обрабатывание сигнала, более того следует применить к каждому происходящему импульсу при определении, уточнении и идентификации происходящего звука от разбиения стекла. Во-вторых, АС1 выбирается полосовой фильтр в полосе 1-8 кГц, а частота дискретизации АЦП увеличивается до 21 кГц.

Начало

Г

Обнаружение звука

г

Рисунок 4 Алгоритм обработки информации для извещателя.

На первом этапе обнаружения звука разрушения стекла производится усреднение сигнала, подсчёт числа пересечений нуля и количества локальных максимумов. На это отводится порядка 60 мс, в течение которых поступает 1 300 импульсов. По завершении первого этапа анализируются полученные данные, а именно: энергия сигнала, число пересечений нуля, число локальных максимумов. При превышении соответствующих пороговых значений полученными параметрами принимается решение о обнаружении разбития стекла и формируется соответствующее тревожное извещение.

Заключение Предложен алгоритм обнаружения разбития стекла реализуемый на микропроцессоре семейства 8ТМ32Б7.

Приведены простые и логичные алгоритмы аналого-цифровой и цифро-аналоговой обработки

сигналов (а именно - цифровая фильтрация, оценка параметров сигнала) посредством

микроконтроллера семейства STM32F7 позволяет обнаруживать разбитие стекла с минимальным использование схем аналоговой обработки звука (необходим только микрофонный модуль). Наличие свободной тактов микроконтроллера позволяет без ущерба для эффективности обнаружения разбития стекла реализовать дополнительные функции, такие как, например, контроль состояния извеща-теля [11], диагностику состояния канала связи между извещателем и приёмно-контрольным прибором.

Полученные результаты могут быть использованы для разнообразного и научного определения или организации работы технологий детекторов или датчиков, реагирующих на разбитие стекла и пожарно-охранной деятельности.

Литература

1. Зачиняев Ю. В., Пливак С. А., Шумилин А. С. Защищенная телекоммуникационная система на основе технологии связи в видимом диапазоне света с интерфейсом PLC // Инженерный вестник Дона, 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3 847.

2. Плёнкин А.П. Симметричное шифрование квантовыми ключами // Инженерный вестник Дона, 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3705.

3. Бурыкин И.А., Петров Д.А., Луппа Д.С. Организация защищённого канала связи в системе охранно-пожарной сигнализации // Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности. - Тамбов: ООО "Консалтинговая компания Юком", 2015. - с. 23-25.

4. Петров Д.А., Марченко Н.В., Бурыкин И.А. Структура микропроцессорной системы охранно-пожарной сигнализации с защищённым каналом связи // Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности. - Тамбов: ООО "Консалтинговая компания Юком", 2015. - с. 97-99.

5. Витязев, В.В. Цифровая частотная селекция сигналов: Монография / В.В. Витязев. - М.: Радио и связь, 1993. - 240 с.

6. Crochiere R.E., Rabiner L.R. Multirate digital signal processing / R.E. Crochiere, L.R. Rabiner. -USA, New Jersey, Upper Saddle River: Prentice-Hall, 1983. - 411 p.

7. Haykin S. Adaptive filter theory / S. Haykin. -USA, New Jersey, Upper Saddle River: Prentice-Hall, 2001. - 936 p.

8. Diniz P. Adaptive filtering algorithms and practical implementation / P. Diniz - 3rd ed. - USA, New York City: Springer Publishing, 2008. - 656 p.

9. А.П. Ефимов, А.В. Никонов, М.А. Сапожников, В.И. Шоров Акустика: Справочник. Под ред. М.А.Сапожкова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989. - 336 с/

10. Волхонский В. В. Извещатели охранной сигнализации. - СПб. Всемир. акад. наук комплекс.

безопасности, Ун-т комплекс. систем безопасности и инженер. обеспечения. 2004. - 164 с.

References

1. Zachinjaev Ju. V., Plivak S. A., Shumilin A. S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3847

2. Pljonkin A.P. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/ar-chive/n3y2016/3705

3. Burykin I.A., Petrov D.A., Luppa D.S. Ak-tual'nye voprosy v nauchnoj rabote i obrazovatel'noj dejatel'nosti. - Tambov: OOO "Konsaltingovaja kom-panija Jukom", 2015. - p. 23-25.

4. Petrov D.A., Marchenko N.V., Burykin I.A. Aktual'nye voprosy v nauchnoj rabote i obrazovatel'noj dejatel'nosti. - Tambov: OOO "Konsaltingovaja kom-panija Jukom", 2015. - p. 97-99.

5. T. P. Badma-Goijaev, A. E. Afanasenko, D. A. Petrov Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2018/4662.

6. Cifrovaja chastotnaja selekcija signalov: Monografija [Digital signal frequency selection] V.V. Vitjazev. - M.: Radio i svjaz', 1993. - 240 p.

7. Crochiere R.E., Rabiner L.R. Multirate digital signal processing R.E. Crochiere, L.R. Rabiner. - USA, New Jersey, Upper Saddle River: Prentice-Hall, 1983. - 411 p.

8. Haykin S. Adaptive filter theory S. Haykin. -USA, New Jersey, Upper Saddle River: Prentice-Hall, 2001. - 936 p.

9. Diniz P. Adaptive filtering algorithms and practical implementation P. Diniz - 3rd ed. - USA, New York City: Springer Publishing, 2008. - 656 p.

10. A.P. Efimov, A.V. Nikonov, M.A. Sapozhni-kov, V.I. Shorov Akustika: Spravochnik. Pod red. M.A.Sapozhkova. [Acoustics: Handbook. under Ed. M.A. Sapozhkova] - 2-e izd. pererab. i dop. - M.: Radio i svjaz', 1989. - 336 p.

11. Volhonskij V. V. IZVEShhATELI OHRANNOJ SIGNALIZACII [Security detectors]. -SPb.: Vsemir. akad. nauk kompleks. bezopasnosti, Un-t kompleks. sisitem bezopasnosti i inzhener. obespech-enija., 2004. - 164 p.