Программное обеспечение цифровой обработки сигналов аппаратно-программного комплекса периметральной охраны виброанализирующего типа на акселерометрических датчиках
|
Введение 5
1. Теоретическое введение 8
1.1 Постановка задачи 8
1.2 Существующие подходы/аналоги 9
1.2.1 Особенности аналогов в части цифровой обработки
сигналов 9
1.2.2 Особенности аналогов в части обнаружения воздействий 9
1.2.3 Процедура настройки и разворачивания системы,
настраиваемые параметры 10
1.3 Недостатки подходов/аналогов 12
1.4 Описание и преимущества предлагаемого подхода 12
2. Содержание исследований 14
2.1 Архитектура и элементная база системы 14
2.1.1 Координатор 15
2.1.2 Универсальный модуль 16
2.1.3 АРМ оператора 19
2.1.4 Диагностический/конфигурационный комплект 19
2.2 Структура программного обеспечения координатора 20
2.3 Используемый математический аппарат 21
2.3.1 Фурье-преобразование 21
2.3.2 Вейвлет-анализ 24
2.3.3 Преобразование Гильберта 27
2.4 Основные структурные блоки ПО координатора в части ЦОС . . 27
2.4.1 Блок фильтрации 27
2.4.2 Блок обнаружения воздействий 30
2.4.3 Блок пространственной локализации воздействий 34
2.5 Описание алгоритма работы координатора системы 34
2.5.1 Основной режим работы 35
2.5.2 Режим обмена командами с ДКК 36
3. Реализация 39
3.1 Особенности реализации 39
3.1.1 Используемые средства разработки 40
3.1.2 Текущая реализация и её характеристики 40
3.2 Оценка быстродействия алгоритма 44
Заключение 46
Список литературы
Приложение
1. Теоретическое введение 8
1.1 Постановка задачи 8
1.2 Существующие подходы/аналоги 9
1.2.1 Особенности аналогов в части цифровой обработки
сигналов 9
1.2.2 Особенности аналогов в части обнаружения воздействий 9
1.2.3 Процедура настройки и разворачивания системы,
настраиваемые параметры 10
1.3 Недостатки подходов/аналогов 12
1.4 Описание и преимущества предлагаемого подхода 12
2. Содержание исследований 14
2.1 Архитектура и элементная база системы 14
2.1.1 Координатор 15
2.1.2 Универсальный модуль 16
2.1.3 АРМ оператора 19
2.1.4 Диагностический/конфигурационный комплект 19
2.2 Структура программного обеспечения координатора 20
2.3 Используемый математический аппарат 21
2.3.1 Фурье-преобразование 21
2.3.2 Вейвлет-анализ 24
2.3.3 Преобразование Гильберта 27
2.4 Основные структурные блоки ПО координатора в части ЦОС . . 27
2.4.1 Блок фильтрации 27
2.4.2 Блок обнаружения воздействий 30
2.4.3 Блок пространственной локализации воздействий 34
2.5 Описание алгоритма работы координатора системы 34
2.5.1 Основной режим работы 35
2.5.2 Режим обмена командами с ДКК 36
3. Реализация 39
3.1 Особенности реализации 39
3.1.1 Используемые средства разработки 40
3.1.2 Текущая реализация и её характеристики 40
3.2 Оценка быстродействия алгоритма 44
Заключение 46
Список литературы
Приложение
В вопросах защиты объектов от вторжений ключевую роль играют
периметральные средства обнаружения. Системы подобного рода обеспечивают обнаружение нарушений периметра непосредственно в момент их
осуществления и позволяют службам безопасности охраняемого объекта
своевременно среагировать на них.
Наиболее распространенным в настоящее время типом систем периметральной охраны являются вибрационные системы [1] ввиду их превосходства
над системами других типов по совокупности параметров (высокая вероятность обнаружения воздействия и время наработки на ложное срабатывание,
относительно низкая стоимость погонного метра, высокие возможности по
дискриминации воздействий благодаря использованию средств цифровой
обработки сигналов, отсутствие необходимости в создании зоны отчуждения,
отсутствие жёстких требований к среде и способу установки).
На настоящий момент актуальным является вопрос создания отечественного средства вибрационной периметральной охраны, удовлетворяющего современным требованиям по стоимости, помехоустойчивости, точности
локализации. Одним из наиболее популярных средств вибрационной периметральной охраны является использование т. н. трибоэлектрического кабеля,
обеспечивающего фиксацию изменения физического состояния (упругой и
неупругой деформации) на определённом участке длины и преобразующего
результат сработки в электрические сигналы заранее заданного стандарта.
Однако, аналоговая природа реакции на сработки и необходимость детальной калибровки состояния кабеля в таких системах не позволяет достичь
современных требований по помехоустойчивости и проценту ошибок 1-го и
2-го рода (ложной тревоги и пропуска цели, соответственно) при сохранении
приемлемой стоимости.
В свою очередь, использование дискретной системы сенсоров, фиксирующих какие-либо признаки взаимодействия с периметром (кабельной линией)
приводит к повышению стоимости погонного метра системы и высокому
среднему энергопотреблению, но при этом позволяет использовать современные техники цифровой обработки сигналов, существенно повышающие
помехоустойчивость и разрешающую способность системы.6
Целью данной работы является разработка методологии принятия
решения и алгоритмов функционирования системы периметральной охраны
виброанализирующего типа на акселерометрических датчиках и реализация
разработанных алгоритмов в виде прошивки для микроконтроллера серии
STM32F407 компании ST Microelectronics, который является управляющим
устройством координатора системы, в условиях жёстких ограничений на время
выполнения одной итерации рабочего цикла системы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи:
1. Исследовать современные распределенные кабельные вибрационные
средства охраны ограждений и используемые в них алгоритмы
обработки сигналов и методологии принятия решений;
2. Разработать алгоритм функционирования системы с учётом особенностей конкретной аппаратной реализации;
3. Реализовать разработанный алгоритм в виде программного обеспечения (прошивки) для микроконтроллера семейства STM32F407;
4. Оценить время выполнения единичной итерации основного рабочего
цикла системы, провести оптимизацию при нарушении ограничений
на время выполнения.
Объект исследования — алгоритмы функционирования систем периметральной охраны виброанализирующего типа.
Предмет исследования — применение методов цифровой обработки сигналов для повышения помехоустойчивости и возможностей по обнаружению
и локализации воздействий при разработке систем периметральной охраны
виброанализирующего типа.
Решаемой в работе проблемой является недостаточная помехоустойчивость и точность определения наличия воздействия в существующих системах
периметральной охраны виброанализирующего типа.
Научная новизна работы состоит в разработке сквозного алгоритма
принятия решений с смешением показаний пространственно распределенных
акселерометрических датчиков в временной, частотной и статистической
областях с использованием современных методов цифровой фильтрации и
цифровой обработки сигналов.7
Практическая значимость работы состоит в разработке системы
периметральной охраны вибрационного типа с существенно повышенными
характеристиками по помехоустойчивости и возможностям дискриминации
целей по сравнению с существующими отечественными и зарубежными
решениями аналогичного типа.
В первой главе работы рассматриваются существующие типы периметральных систем обнаружения, производится обзор представленных на рынке
отечественных комплексов периметральной охраны виброанализирующего
типа и используемых в них алгоритмов обнаружения с выявлением достоинств
и недостатков, приводятся преимущества разрабатываемой системы над
существующими.
Вторая глава включает описание разрабатываемого комплекса в целом
(включая программную и аппаратную часть), описание структуры алгоритма,
его отдельных блоков и режимов работы координатора системы, описание
используемого математического аппарата.
В третей главе приведены детали, касающиеся конечной реализации,
включая особенности аппаратного обеспечения, используемые средства разработки и сторонние библиотеки, детали и особенности реализации описанных
во второй главе алгоритмов, оценка времени выполнения отдельных модулей
алгоритма и полного цикла обработки.
периметральные средства обнаружения. Системы подобного рода обеспечивают обнаружение нарушений периметра непосредственно в момент их
осуществления и позволяют службам безопасности охраняемого объекта
своевременно среагировать на них.
Наиболее распространенным в настоящее время типом систем периметральной охраны являются вибрационные системы [1] ввиду их превосходства
над системами других типов по совокупности параметров (высокая вероятность обнаружения воздействия и время наработки на ложное срабатывание,
относительно низкая стоимость погонного метра, высокие возможности по
дискриминации воздействий благодаря использованию средств цифровой
обработки сигналов, отсутствие необходимости в создании зоны отчуждения,
отсутствие жёстких требований к среде и способу установки).
На настоящий момент актуальным является вопрос создания отечественного средства вибрационной периметральной охраны, удовлетворяющего современным требованиям по стоимости, помехоустойчивости, точности
локализации. Одним из наиболее популярных средств вибрационной периметральной охраны является использование т. н. трибоэлектрического кабеля,
обеспечивающего фиксацию изменения физического состояния (упругой и
неупругой деформации) на определённом участке длины и преобразующего
результат сработки в электрические сигналы заранее заданного стандарта.
Однако, аналоговая природа реакции на сработки и необходимость детальной калибровки состояния кабеля в таких системах не позволяет достичь
современных требований по помехоустойчивости и проценту ошибок 1-го и
2-го рода (ложной тревоги и пропуска цели, соответственно) при сохранении
приемлемой стоимости.
В свою очередь, использование дискретной системы сенсоров, фиксирующих какие-либо признаки взаимодействия с периметром (кабельной линией)
приводит к повышению стоимости погонного метра системы и высокому
среднему энергопотреблению, но при этом позволяет использовать современные техники цифровой обработки сигналов, существенно повышающие
помехоустойчивость и разрешающую способность системы.6
Целью данной работы является разработка методологии принятия
решения и алгоритмов функционирования системы периметральной охраны
виброанализирующего типа на акселерометрических датчиках и реализация
разработанных алгоритмов в виде прошивки для микроконтроллера серии
STM32F407 компании ST Microelectronics, который является управляющим
устройством координатора системы, в условиях жёстких ограничений на время
выполнения одной итерации рабочего цикла системы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи:
1. Исследовать современные распределенные кабельные вибрационные
средства охраны ограждений и используемые в них алгоритмы
обработки сигналов и методологии принятия решений;
2. Разработать алгоритм функционирования системы с учётом особенностей конкретной аппаратной реализации;
3. Реализовать разработанный алгоритм в виде программного обеспечения (прошивки) для микроконтроллера семейства STM32F407;
4. Оценить время выполнения единичной итерации основного рабочего
цикла системы, провести оптимизацию при нарушении ограничений
на время выполнения.
Объект исследования — алгоритмы функционирования систем периметральной охраны виброанализирующего типа.
Предмет исследования — применение методов цифровой обработки сигналов для повышения помехоустойчивости и возможностей по обнаружению
и локализации воздействий при разработке систем периметральной охраны
виброанализирующего типа.
Решаемой в работе проблемой является недостаточная помехоустойчивость и точность определения наличия воздействия в существующих системах
периметральной охраны виброанализирующего типа.
Научная новизна работы состоит в разработке сквозного алгоритма
принятия решений с смешением показаний пространственно распределенных
акселерометрических датчиков в временной, частотной и статистической
областях с использованием современных методов цифровой фильтрации и
цифровой обработки сигналов.7
Практическая значимость работы состоит в разработке системы
периметральной охраны вибрационного типа с существенно повышенными
характеристиками по помехоустойчивости и возможностям дискриминации
целей по сравнению с существующими отечественными и зарубежными
решениями аналогичного типа.
В первой главе работы рассматриваются существующие типы периметральных систем обнаружения, производится обзор представленных на рынке
отечественных комплексов периметральной охраны виброанализирующего
типа и используемых в них алгоритмов обнаружения с выявлением достоинств
и недостатков, приводятся преимущества разрабатываемой системы над
существующими.
Вторая глава включает описание разрабатываемого комплекса в целом
(включая программную и аппаратную часть), описание структуры алгоритма,
его отдельных блоков и режимов работы координатора системы, описание
используемого математического аппарата.
В третей главе приведены детали, касающиеся конечной реализации,
включая особенности аппаратного обеспечения, используемые средства разработки и сторонние библиотеки, детали и особенности реализации описанных
во второй главе алгоритмов, оценка времени выполнения отдельных модулей
алгоритма и полного цикла обработки.
В ходе работы был проведён обзор представленных на рынке систем
периметральной охраны вибрационного типа, проанализированы применяемые
в них алгоритмы обработки сигналов и методики обнаружения. На основе полученной информации, современных подходов цифровой обработки сигналов
и методик обнаружения, приведённых в литературе [18—20] был разработан
алгоритм работы и методика принятия решения о наличии воздействия для
координатора периметральной системы охраны виброанализирующего типа.
На основе разработанного алгоритма было реализовано программное
обеспечение (прошивка) для координатора. При разработке были применены
передовые методы фильтрации, в том числе самостоятельно разработанные (алгоритм фильтрации спектральных пиков, адаптивный частотный эквалайзер),
использование которых при обработке со строгими временными ограничениями стало возможно благодаря поддержке DSP-инструкций выбранным МК.
Время выполнения одной итерации основного цикла системы находится
в пределах поставленных ограничений.
Результаты работы применены в НИОКР «Мотылёк-15» — «Разработка
распределенного кабельного вибрационного средства охраны ограждений с
высокой помехоустойчивостью и локализацией места вторжения» (договор №
№А37Н/107 от 18.05.2015г. между КФУ и АО ”Охранная Техника”) в качестве
прошивки блока координатора разработанного макетного образца системы. Акт
о внедрении приведён в Приложении В.
В результате испытаний работы макетного образца на различных типах
ограждений была показана достаточная точность работы алгоритмов в части
недопущения ошибок 1-го и 2-го рода при правильном подборе параметров
алгоритма.
Внедрение разработанных алгоритмов позволило значительно повысить
помехоустойчивость и точность обнаружения воздействий по сравнению с
аналогами.
В перспективе при условии обновления аппаратной базы и замене МК
на более высокопроизводительный, например серии STM32F7, возможно увеличение количества обрабатываемых одновременно модулей. Использование47
серии F7 также позволит увеличить точность производимых вычислений ввиду
использования в микроконтроллерах этой серии FPU двойной точности.
В части алгоритма обнаружения перспективным направлением продолжения разработки является расширение возможностей системы по детектированию различно локализованных во времени воздействий с классификацией
воздействий по типу.
периметральной охраны вибрационного типа, проанализированы применяемые
в них алгоритмы обработки сигналов и методики обнаружения. На основе полученной информации, современных подходов цифровой обработки сигналов
и методик обнаружения, приведённых в литературе [18—20] был разработан
алгоритм работы и методика принятия решения о наличии воздействия для
координатора периметральной системы охраны виброанализирующего типа.
На основе разработанного алгоритма было реализовано программное
обеспечение (прошивка) для координатора. При разработке были применены
передовые методы фильтрации, в том числе самостоятельно разработанные (алгоритм фильтрации спектральных пиков, адаптивный частотный эквалайзер),
использование которых при обработке со строгими временными ограничениями стало возможно благодаря поддержке DSP-инструкций выбранным МК.
Время выполнения одной итерации основного цикла системы находится
в пределах поставленных ограничений.
Результаты работы применены в НИОКР «Мотылёк-15» — «Разработка
распределенного кабельного вибрационного средства охраны ограждений с
высокой помехоустойчивостью и локализацией места вторжения» (договор №
№А37Н/107 от 18.05.2015г. между КФУ и АО ”Охранная Техника”) в качестве
прошивки блока координатора разработанного макетного образца системы. Акт
о внедрении приведён в Приложении В.
В результате испытаний работы макетного образца на различных типах
ограждений была показана достаточная точность работы алгоритмов в части
недопущения ошибок 1-го и 2-го рода при правильном подборе параметров
алгоритма.
Внедрение разработанных алгоритмов позволило значительно повысить
помехоустойчивость и точность обнаружения воздействий по сравнению с
аналогами.
В перспективе при условии обновления аппаратной базы и замене МК
на более высокопроизводительный, например серии STM32F7, возможно увеличение количества обрабатываемых одновременно модулей. Использование47
серии F7 также позволит увеличить точность производимых вычислений ввиду
использования в микроконтроллерах этой серии FPU двойной точности.
В части алгоритма обнаружения перспективным направлением продолжения разработки является расширение возможностей системы по детектированию различно локализованных во времени воздействий с классификацией
воздействий по типу.