范華翔，李文華，趙仁凱

（廣東工業(yè)大學，廣東廣州，510006）

0 引言

隨著物質生活水平的不斷提高，人們的資產(chǎn)也隨之增加。但社會上的盜竊事件頻頻發(fā)生，使人們的防范意識在不斷地加強，越發(fā)意識到防盜系統(tǒng)的重要性，開始安上防盜窗和防盜門，裝上防盜攝像頭。目前，攝像頭大多通過算法對圖像進行分析從而實現(xiàn)定位[1～2]，但存在因畫面變化而產(chǎn)生誤判。如今高度智能化的社會發(fā)展，聲音定位技術成為多個領域的基礎需求，是一項具有廣泛應用的技術，因此將聲音定位技術融入防盜設備具有十分可觀的前景。

為了提高防盜攝像頭的功能性，解決攝像頭對目標誤判問題，對防控攝像頭進行智能化設計，增強了防盜攝像頭的定位功能而開發(fā)了此聲音定位系統(tǒng)加以輔助。通過聲音定位系統(tǒng)通過目標發(fā)出的聲音確定目標位置，再將數(shù)據(jù)傳給攝像頭，當數(shù)據(jù)與攝像頭內的算法相匹配時，攝像頭根據(jù)結果進行對目標鎖定。本系統(tǒng)采用到達時差法(Time Difference of Arriva1，TDOA)，即聲波傳播需要時間，兩個相距固定距離的傳感器接收到聲波信號存在時間差Δt 的原理。由此原理而構建的模型為：通過4 個麥克風進行收音，每2 個為一組，兩組麥克風分別收集聲音信號，將信號傳遞給以STC89C52 單片機為核心的處理器，對傳遞的聲音信號進行處理可獲得兩個時間差，再對時間差進行處理與計算，通過時間差構建兩組雙曲線，再利用雙曲線的性質進行運算即可得到聲源的坐標。

1 系統(tǒng)理論分析與模型

如今通過傳感器對聲源進行定位方式主要有三種，第一種是基于目標信號到達時差法(Time Difference of Arriva1，TDOA)，即聲波傳播需要時間，兩個相距固定距離的傳感器接收到聲波信號存在時間差Δt 的原理，通過時間差構建雙曲線，多個雙曲線相交的交點來確定聲源位置；第二種是基于目標信號的能量來分析，通過構建聲音能量傳播衰減模型進行分析[3]，傳感器對接收的信號進行處理，分析出其距離與能量的關系，通過能量衰減模型構建圓形，多個圓形相交的交點即為聲源位置；第三種則是聲源的到達方位（Directions of Arrival，DOA）[4]，即通過傳感器接收不同方向的聲源信號，對每個方向的信號進行分析，從而確定聲源的方位，通過多個傳感器找出聲源方向，后各方向交點即為聲源位置。其中第二種方式通過能量衰減模型對聲源進行定位，需要較高的硬件設備要求，聲源信號能量衰減公式較為復雜不易計算，同時環(huán)境對能量衰減影響較大；而第三種方式通過到達方位則對設備要求十分高，同時相當于另兩者精準度較低；第一種方式通過到達時差法對聲源定位，其對聲音傳感器的時間同時性要求較高，但相當于其他兩項較為簡單，只需簡單的聲音觸發(fā)裝置與計時器即可，在當前防盜攝像頭的應用中，其誤差（定時器頻率所產(chǎn)生的誤差）可忽略不計，因此該裝置采用到達時差法對聲源進行定位。

通過對到達時差法的應用，聲波傳播需要時間，兩個相距固定距離的聲音傳感器接收到的信號會存在時間差Δt，將此時間差與聲速進行相乘即可得到聲源到兩個傳感器的距離的差值，結合雙曲線的性質可知此差值為雙曲線的長軸2a 的大小，以此構建二維平面，并將雙曲線方程表示出來，如圖1 所示。若存在兩組聲音傳感器，其位置一組傳感器的連線與另一組的連線垂直，則可構建兩組雙曲線，此時出現(xiàn)4 個交點，最后通過傳感器觸發(fā)先后判斷方向，確定象限，即可確定聲源，如圖2[5]所示。

圖1 構建雙曲線實驗原理圖示

圖2 實驗二維平面圖示

傳感器1 與傳感器2 在x 軸上，中點為坐標原點，相距為2c，聲音到達兩者需要時間，這時間可得到一個時間差 1tΔ，傳感器3 與傳感器4 在y 軸上，其連線剛好與傳感器1 與傳感器2 的連線垂直平分線，相距也為2c，同理可得一個時間差Δt2，兩者可求兩個雙曲線的長軸長2a，即：

為方便計算，原先就控制好雙曲線的焦距為2c（即一組傳感器的距離），再通過雙曲線的性質可得到其短半軸長b 的平方，即：

設所求聲源在二維平面上的位置為（x0，y0），又因為雙曲線是基于聲源到兩傳感器的距離差所構建，所以聲源必在雙曲線上，則兩個雙曲線表達式可為：

2 電路與程序設計

■2.1 電路設計

核心設備：單片機STC89C52（頻率為12MHz，周期為1μs，誤差系統(tǒng)為±0.10mm，滿足應用需求）；4 個麥克風（以聲強觸發(fā)，可通過改變麥克風的可調電阻的阻值來調控靈敏度，從中可過濾環(huán)境中的雜音，防止環(huán)境中的噪音影響）；LCD1602 顯示屏（16*2 的網(wǎng)格，滿足數(shù)據(jù)的顯示）。

定位系統(tǒng)分3 個模塊，分別為接收模塊，處理數(shù)據(jù)模塊和顯示模塊。三者都有現(xiàn)成的模塊：麥克風、STC89C52單片機與LCD1062 顯示屏，因此直接將三者連接起來即可，麥克風接收到信號傳遞給單片機，單片機處理完數(shù)據(jù)，傳遞給屏幕。將4 個麥克風分別連接單片機STC89C52 的4 個IO 口，單片機STC89C52 又與LCD1062 顯示屏連接即可。同時4 個麥克風呈十字擺放，用杜邦線將麥克風與單片機連接，同時使杜邦線都為同樣長度，保證即使麥克風傳遞信號存在延遲，也能使在處理數(shù)據(jù)時，延遲對結果無影響。同時單片機與屏幕位置不影響定位。單片機的4 個IO 口一直保持高電平，當一個麥克風接收到聲音信號后會傳送一個低電平信號給單片機，單片機接收到低電平后會啟動定時器進行計時，當?shù)诙€IO 口出現(xiàn)低電平時停止計時，即可得時間段，再計算出雙曲線長軸長2a，再將結果在顯示屏上顯示。

■2.2 程序設計

若傳感器1，傳感器2，傳感器3，傳感器4，對應STC89C52 單片機IO 為P1，P2，P3，P4。傳感器1 和傳感器2 對應定時器T1；傳感器3 和傳感器4 對應定時器T2。

首先STC89C52 單片機會先重置一組傳感器的電平信號為高電平，后檢測電平信號是否改變，當改變時，會記錄哪個傳感器先發(fā)生改變，并根據(jù)該傳感器所在位置判斷方向，同時在LCD1602 顯示屏上顯示，在STC89C52 單片機在記錄傳感器的同時，會啟動對用組的定時器，開始計時，此時再次檢測是否存在信號的變化，當檢測到另一個傳感器也傳遞了高電平信號時，定時器停止計時，定時器所計的時間即為到達時差法所需的時間差，得到時間差后進行計算即可得到聲源的坐標。

圖3 算法流程圖

如圖1 所示，傳感器1 與傳感器2 為一組，先重置P1與P2 的電平為高電平，后一直檢測電平十分發(fā)生改變，當聲源發(fā)聲后，聲音會先傳播到傳感器2，傳感器2 接收到信號后，會給一個低電平信號到STC89C52 單片機，當STC89C52 單片機檢測到電平的變化，會記錄P2，同時使定時器T1 開始計時，直到聲音傳遞到傳感器1 時，傳感器1 也會給一個低電平信號給單片機，單片機停止計時，并由計算出2a1，由于P2 先觸發(fā)，因此在負半軸，顯示在顯示屏上。傳感器3 與傳感器4 為另一組，同理得出2a2，同時判斷所在半軸。由此得出x0與y0的值和其所在象限[6]。

在實際監(jiān)控攝像頭的應用中，可將單片機傳遞給顯示屏的數(shù)據(jù)換為傳遞給攝像頭，后攝像頭結合自身算法對圖像處理的結果與聲音定位的結果配對，當在允許的誤差范圍內配對成功，攝像頭再對目標進行定位。

3 定位誤差與精確度

■3.1 誤差計算

由于在二維平面中測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是個二維數(shù)據(jù)，所以誤差也存在兩個維度，用測量點與實際點的x 軸坐標差Δx和測量點與實際點的y 軸坐標差Δy 來描述該誤差，一個點位，多次測量的Δx 與Δy 為：

結Δx 與Δy 的實際意義，即為多次測量后計算出來的平均測量點位與實際點位的x 軸坐標差和y 軸坐標差，所以為更好的反映出誤差，則把定位的誤差以定位的實際點位和平均測量點位的距離來衡量，即：

由此選取兩個點使用基于該定位系統(tǒng)的定位裝置進行的多次測試得表1。

表1 實驗結果圖

由表1 得，該裝置能以小于40mm 的誤差得到十分精確位置，后經(jīng)過大量不同點位，多次測量與計算，并對數(shù)據(jù)進行處理，得到誤差為（29.65±13.87）（均值±標準差）mm。對于防盜的實際應用以小于5cm 的誤差進行定位，基本滿足使用。

■3.2 精確度分析

（1）由于計算時規(guī)定聲速為340m/s，沒有考慮環(huán)境對聲速的影響，從而產(chǎn)生計算的誤差。影響聲速（v）的環(huán)境因素有溫度（T），濕度（Pw 是空氣中水蒸氣的分壓強）和大氣壓強（P），關系式為：

由于自然界中，大氣壓強幅度與濕度對速度影響因素較小，同時當溫度升高時Pw 會增大與P 會下降，都使速度變大，因此經(jīng)過綜合的分析聲速可與溫度直接相關聯(lián)，則(12)可簡化為：

由(13)可得若每增加10 開爾文，即10℃，速度變化6m/s，代入計算點位公式可近似得出其誤差約為10mm。由于當時實驗時氣溫約為26℃，產(chǎn)生的誤差約為10mm，在誤差為（29.65±13.87）（均值±標準差）mm 中，其占較大影響，但在實際應用中可忽略不計。該點也為下一步改進的方向，即增加溫度測量裝置，以減少其誤差。

（2）無法保證兩坐標軸角度為90 o，但由于傳感器布置區(qū)域易控制，能保證其偏離不超過0.5 o，其誤差較小，在實際應用中可忽略。

（3）由于定時器頻率的影響，經(jīng)過查閱使用的單片機相關資料得到其晶振頻率為12MHz，經(jīng)過計算12MHz 除12 為1MHz，也就是說一秒=1000000 次機器周期，所以周期為1μs，因此定時器的精確度為1μs。若定340m/s為聲速，所以其最大出現(xiàn)的誤差為一周期聲音運動距離為0.34mm，代入計算定位公式可近似得到誤差系統(tǒng)為±0.10mm，滿足應用需求。

4 結束語

本系統(tǒng)把聲音定位技術融入防盜系統(tǒng)，輔助監(jiān)控攝像頭對目標的定位功能，解決攝像頭對目標鎖定出現(xiàn)誤判的問題。以到達時間差為基礎，STC89C52 為核心與4 個麥克風組成了簡易的聲音定位系統(tǒng)并能基本滿足防盜系統(tǒng)所需的聲音定位精度。與此同時也存在一些可改進的地方，如增加溫度測量裝置，減少其誤差，或是使用速度更快，造價更低的芯片。但本裝置的優(yōu)勢也十分突出：原理簡單，操作方便，體積小，成本低廉，且能以誤差為（29.65±13.87）（均值±標準差）mm 精準地定位。這些優(yōu)點為產(chǎn)品可大規(guī)模應用提供了保障，同時也具有十分廣闊的市場。