基于计算机控制的红外监控系统的设计与实现

     摘要：本文研究中，我们提出了一种基于计算机控制的出入口监控系统，该监控系统使用红外传感器作为探测器，可以实现对进出室内的人员和物品的数量进行的控制。本文使用计算机作为监控和控制设备，因为这对各种技术设备和工业用传感器的使用来说都是一个可行的和有价值的解决方案。系统中的控制代理是一个直流电机控制的自动门，它按照计算机发出的控制信号的界面。实验表明，该系统性能稳定，操作简便，能够较好地完成预期的设计目标。执行开和关的动作。用于监控的软件采用面向对象的程序设计模式，以期用户容易使用。

　　1 引言

　　随着工业环境的日益复杂化，有效且价格低廉的监控系统对工业的发展来说正变得越来越重要。对开发者来说，开发界面友好的、更经济的、有着少硬件需求的监控系统，无疑是面临的一场新的挑战。计算机是一个真正令人称奇的机器，它可以帮助我们在众多的领域执行多个任务，它是现代社会的信息基础设施。计算机的多任务特性对用户来说有着更大的吸引力，一个单独的计算机既能够做日常工作，同时也能够被用作监控系统。本监控系统是一个以Windows 软件为基础的系统，采用Delphi 设计用于向用户提供图形用户界面。使用Windows 环境的一个好处是，软件可以在网络上共享，监控系统对所有用户是透明的，因而可以被许多计算机使用。这个系统可以实现全天候监控，并且可以打印24 小时内的所有监控记录。硬盘能够保存3 个月的监控数据。

　　这个系统的安装非常的灵活，可以适应不同的工作环境，并且具有极小的安装空间。该监控系统有着不同的应用。它可被用于产品输送和车辆速度感知，办公室、体育馆、电影院以及大型超市的路口监控。

　　2 系统设计

　　2.1 基本系统设计

　　这个系统是实现一个入口监控系统，由两个传感器、一个可自动开关的门和一台计算机组成，门在计算机发出的控制信号的作用下自动开启和关闭。计算机根据传感器提供的数据向控制门的电机发出开或关的控制信号。当个传感器被激活的时候，就向计算机发出一个信号，计算机对入口进行录像并命令门打开，人进入后触发第二个传感器。第二个传感器安装在门的另一侧。第二个传感器亦发出一个信号给计算机，这时计算机向门发出关闭命令。

　　如果人经过个传感器后未经过第二个传感器而是从个处返回，则系统不保存这个人的进入记录。

　　2.2 控制系统的设计

　　这个系统主要是用来控制进入的人数。计算机软件随时保留着已进入的人的数目，被允许进入的人的总数由用户事先设定。如果进入的人的数目超出设定范围，计算机将不再发出开门指令并在屏幕上显示警告信息，门的关闭状态将会被自动保持。如果一个里面的人想要出去，门将为他打开并且里面产生一个空位，这时门就能够为任何想进入的人打开。所有这些决策和处理由计算机自动完成，计算机基于已有的记录数，给门发送适当的指令以控制人员的进出。控制系统的结构如图1 所示。

图 1 控制系统结构

　　3．红外感知系统的设计

　　感知器采用红外射线（IR）传感器来实现。IR 发射器产生IR 波束，波束被IR 接收器连续地接收。IR 接收器放在与IR 发送器相同的高度上，其中间无障碍物遮挡。当侵入者干扰了光束时就会为计算机产生一个中断，如图2 所示。

图 2 传感器安装

　　3.1 IR 发射器

　　本文中使用的 IR 发射器是一个简单的IR LED。由于IR 发出的IR 红外线由于光的干涉现象会在空气中被吸收，所以为了使IR 的光束不被干扰，这里使用了一个40KHz 的调制方案解决这个问题，如图3 所示。通过一个40KHz 信号的控制，发送器发出光脉冲。这个40KHz的信号由一个555 定时器产生，信号输出幅度为为0V 和5V。

图 3 红外发射器模块图

　　3.2 IR 接收器

　　IR 接收器通过使用一个光电晶体管实现。光电晶体管通过位于基底的接收器以适当的工作模式接收IR 红外线。然而在接收站需要一个带通滤波器，因为发送器发出的IR 红外线是以40KHz 被调制的。为防止传输中的干扰，需要在光电晶体管后面加一个滤波器，滤波器输出5V 信号。光电晶体管和滤波器电路合并在一起形成一个可重复使用的模块，称为IR 接收模块。模块化可使IR 接收器提高工作的可靠性并降低价格。IR 接收模块的输出被传送至计算机。

　　4 计算机接口连接

　　4.1 并行接口连接

　　计算机通过并行口与 IR 接收模块连接。并行口对外围电路的控制具有功能强大、造价低的特点。并行口的主要应用是连接打印机和计算机，因为并行口通常用于这种目的，所以它又常被称为打印机并行口。它是一个25 针的母口连接器（DB25）。DB25 连接器的针脚如图4 所示。

图 4 并行口引脚排列和分组

　　DB25 连接器的针脚可以分成三种类型：数据线（数据总线）、控制线和状态线。数据、控制和状态线被连接到计算机中的三个相应的触发器上。所以通过在程序中操作这些触发器，我们可以容易地用程序语言编程读写并行口。

　　写一个并行口读写程序在 DOS 系统下是非常容易简单的。但是进入Windows 系统后，象Windows2000,XP 等，所有这些简单性将不复存在。作为一个非常安全的操作系统，Windows 分配一些权限和限制到运行在它上面的各种不同类型的程序。我们通常编写的程序都是用户模式的，用户模式的应用程序被限制使用某些指令如IN,OUT 等。无论什么时候操作系统发现一个用户模式的程序试图执行这种指令，操作系统将停止这些用户程序的执行并显示一个错误信息。但是内核模式的程序不在限制执行这类指令之列。设备驱动程序能够以内核模式运行。所以解决上述的问题的一个好的方案就是编写一个内核模式的驱动程序，该驱动能够向并行口读写数据，并且使用户模式的应用程序能够与驱动程序通信。

　　本系统的并行口驱动程序以动态连接库文件 DrivDb25.dll 的形式提供。它能够在不改变用户代码或DLL 本身的情况下在任何Windows 版本下工作。当函数被调用的时候驱动程序将检测操作系统版本，当操作系统是Win9X 时，驱动程序使用_inp()和_outp 函数读写并行口；当操作系统是Windows NT, 2000 或XP 时，它将安装一个内核模式的驱动，然后通过这个驱动和并行*互。这样用户代码就无需关心操作系统的版本。程序流程图如图5 所示。

图5 并行口驱动流程图

　　4.2 硬件接口中的问题及解决方法

　　并行口从传感器中读取数据后，计算机将按照算法执行相应的动作。但由于信号的波动，计算机执行的结果可能并不象预料的那样。在正常的程序操作下，计算机大约每1 个微秒从传感器中抽样数据。这个微妙级的抽样将导致计算机接收甚至是传感器输出的轻微的信号波动。由于功率波动，环境条件，轻微的自然震动等，导致传感器输出有许多波动，这些波动会对计算机产生错误的中断，导致算法将被不期望地触发，终导致错误动作。

　　信号波动在传感器触发期间会变得更加明显。当入侵者经过观测区，IR 束被扰乱并给出一个信号，由于明显的身体上的原因，波束将被大约以毫秒级扰乱好几次。这将会对计算机产生多个虚假的中断。

　　这个问题可以通过改变抽样时间解决，也可以通过采用适当的算法解决。算法程序被设计成可以识别出传感器发出的是真实的信号还是虚假的信号。在本系统中使用的方法是只接收传感器触发产生的次中断，其他所有传感器产生的跟随中断被抛弃，如果它们发生的非常快的话，这可以通过在程序代码中放置一个有条件的跳转实现。当来自传感器的个中断被计算机接收时，程序流将跳转到一个等待状态中，等待下一个传感器的中断。

　　5 软件设计

　　监控系统的软件用 Delphi6 开发。Delphi 一种面向对象的、可视化的快速应用开发工具，提供了容易使用的图形用户界面（GUI），能够运行在各种Windows 操作系统版本上。软件使用了Delphi6 中通常的组件，如按纽、文本框、对话框、标签等。控制并行口的命令由DrivDb25.dll 驱动程序提供。软件的主界面如图6 所示，软件流程图如图7 所示。

图 6 监控软主界面

图7 监控软件流程图

　　6．自动门的设计

　　自动门根据计算机发出的信号执行开启和关闭的动作。门的自动开和关通过在适当位置使用一个直流电机实现。一个传动装置连接到电机的轴上，传动装置的齿轮压着门框，当轴转动时，门边沿着它的轨迹转动，门的开和关由电机轴的转动方向所控制。当电机轴顺时针方向转动时为开，逆时针方向转动时为关。电机是顺时针还是逆时针方向转动由提供给电机的电压的极性决定。

　　计算机通过继电器与电机连接。继电器有这样的好处，它能够使大电机与计算机安全地相连。继电器应当安装在容易更换的位置，以便在烧毁或粘连时方便更换。

　　7 实验及结论

　　模拟实验显示，在模拟进出 1400 次时，系统只有1 次误动作，经分析与继电器疲劳有关，排除继电器寿命的影响，该系统有着非常高的可靠性。将该系统进行简单的改造，即可用于移动物体的计数和速度的监测，因此该系统有着广泛的用途。

  

参考文献:

[1]. IR  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/IR+_1064069.html.
[2]. DB25 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DB25_2528709.html.