智能無線防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳玉敏，謝　瑋，孟憲民，張曉亮

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院，山東 威?！?64209;2.山東卡爾電氣股份有限公司，山東 威?！?64209)

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智能無線防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳玉敏1，謝瑋1，孟憲民2，張曉亮1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海264209;2.山東卡爾電氣股份有限公司，山東 威海264209)

設(shè)計(jì)一種使用彩信發(fā)送現(xiàn)場圖像到手機(jī)的智能無線防盜報(bào)警系統(tǒng);采用單片機(jī)STM32做主控制器，當(dāng)有人員入侵到布防區(qū)域時，紅外熱釋電傳感器感應(yīng)到人體紅外信號，觸發(fā)控制器發(fā)送拍照指令，隨后控制器通過無線通信模塊以彩信的方式將抓拍到的圖像發(fā)送給目標(biāo)手機(jī)，同時將中間處理數(shù)據(jù)產(chǎn)生的信息以及進(jìn)行的圖像處理保存到SD卡中，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警，具有性價比高、可靠性強(qiáng)、實(shí)時性高等特點(diǎn);如搭載操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口等功能可向智能家居等方向?qū)崿F(xiàn)拓展。

防盜報(bào)警；單片機(jī)STM32；無線通信；圖像處理

0　引言

隨著智能家居技術(shù)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，生命財(cái)產(chǎn)安全越來越受重視，家居安全及防盜報(bào)警顯得尤為重要。先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為智能家居發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持[1]。目前市場上的防盜報(bào)警器，大多比較復(fù)雜，實(shí)時性差，而且需要專門管理人員去維護(hù)，不適合普通用戶使用，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種發(fā)送信息給手機(jī)的智能無線防盜報(bào)警系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體分為人體紅外信號采集模塊、圖像信息采集模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊。系統(tǒng)工作時，當(dāng)有人員入侵到布防區(qū)域，人體紅外釋電傳感器將檢測到的信號反饋給控制器STM32，STM32啟動圖像傳感器OV7670進(jìn)行抓拍，經(jīng)過相關(guān)處理后，通過GSM及GPRS相結(jié)合的方式以彩信的方式發(fā)送現(xiàn)場圖像到用戶手機(jī)，再將相關(guān)數(shù)據(jù)保存到SD卡。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控制器，STM32包含處理器內(nèi)核、嵌套向量中斷控制器等，Cortex-M3內(nèi)核為內(nèi)存定義了統(tǒng)一存儲映射方便系統(tǒng)移植，工作在72 MHz。但STM32工作需要兩種不同的時鐘源；系統(tǒng)內(nèi)部時鐘由8 MHz石英晶體提供，作為外部高低速振蕩器來驅(qū)動系統(tǒng)時鐘以及作為PLL鎖相環(huán)的時鐘源來實(shí)現(xiàn)分頻。32.768 kHz的石英晶振為LSI和LSE驅(qū)動RTC和獨(dú)立開門口提供時鐘源。系統(tǒng)在初始化時需要通過軟件設(shè)置來為各種外設(shè)選擇合適的時鐘。

復(fù)位電路采用簡單的“RC+按鍵”復(fù)位形式。系統(tǒng)上電瞬間，3.3 V電源充電，電容電壓上升緩慢，未到3.3 V時芯片引腳近似低電平，使系統(tǒng)復(fù)位；充電完畢，電壓接近3.3 V，芯片復(fù)位引腳為高電平停止復(fù)位；系統(tǒng)正常工作時，電容為滿電荷狀態(tài)，按鍵按下時，電容正負(fù)極短路，復(fù)位引腳為低電平，使得系統(tǒng)復(fù)位，同時電容里的電荷被放完。調(diào)試電路中，采用JTAG/SW調(diào)試接口，將JLINK仿真器直接與標(biāo)準(zhǔn)的20針JTAG直接相連接，再通過USB與PC機(jī)相連接，進(jìn)行軟件調(diào)試。

人體紅外信號采集模塊采用熱釋電紅外傳感器。利用人體紅外輻射作用引起溫度變化進(jìn)行信號檢測，以非接觸形式檢測人體輻射紅外能量的變化[2]。采用LH1968對偶熱釋電傳感器作為檢測紅外輻射電路的元件，使用時需要安裝菲涅爾透鏡，在不安裝菲涅爾透鏡時，傳感器探測半徑達(dá)不到2 m，加上后最高可達(dá)10～40 m。當(dāng)有紅外輻射信號到達(dá)傳感器，安裝在傳感器前面的透鏡將紅外輻射信號聚焦在探測源上，使傳感器輸出電壓信號。實(shí)際使用中，傳感器輸出信號較微弱，需要對傳感器輸出進(jìn)行濾波、放大等處理。

無線通訊使用TC53i模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、語音及短消息傳輸。模塊將基帶電路與射頻電路集成到了一起，支持AT指令[3]。將40個引腳分為電源部分、SIM卡接口、數(shù)據(jù)輸入及輸出、音頻接口和控制開關(guān)幾種類型。TC53i模塊的SYNC引腳通過控制LED1的亮滅來指示其工作狀態(tài)。當(dāng)LED1熄滅，代表TC53i模塊處于睡眠或關(guān)閉；當(dāng)LED1以600 ms交替亮滅，表示TC53i模塊正搜索網(wǎng)絡(luò)或SIM卡無插入；當(dāng)LED1處于3 s滅及75 ms亮狀態(tài)時，表示TC53i模塊已經(jīng)成功登陸到網(wǎng)絡(luò)，處于待機(jī)狀態(tài)；TC53i模塊的TXD0引腳和RXD0腳分別與STM32的RXD2腳和TXD2腳相連，用于串口通信，發(fā)送“AT”指令和接收返回信息。其中U2為SIM卡的卡槽接口，共有六個引腳，其中RST為SIM卡復(fù)位引腳，CLK為SIM卡時鐘信號腳，I/O為串行數(shù)據(jù)線，GND為SIM卡的接地端口，VPP腳懸空不接，VCC為SIM卡的供電電源。TC53i接口電路如圖2所示。

圖2　TC53i接口電路

圖像采集電路選用OV公司具有1/6寸的CMOS VGA圖像傳感器。該傳感器體積小且能提供VGA攝像頭和影像處理器的所需功能[4]?？赏ㄟ^SCCB總線控制其輸出整幀、子采樣等數(shù)據(jù)方式，分辨率為8位的圖像數(shù)據(jù)。其VGA圖像最高可達(dá)30幀每秒。OV7670傳感器具有感光陣列、SCCB接口等功能。實(shí)際應(yīng)用時像素時鐘頻率最高可以達(dá)到24 MHz，使用STM32的IO口直接抓取較困難且十分消耗CPU，為了正確得到圖像數(shù)據(jù)，使用帶有FIFO的圖像傳感器模塊[5]。OV7670攝像頭模塊自身提供24 M時鐘作為XCLK的輸入，相連的FIFO存儲芯片AL422B足夠存儲兩幀QVGA的圖像數(shù)據(jù)。模塊通過外接排針與STM32連接，能有效的讀取穩(wěn)定圖像數(shù)據(jù)。

無線通訊系統(tǒng)中GSM采用數(shù)字調(diào)制和時分多址技術(shù)，GPRS為通用分組無線業(yè)務(wù)，充分使用了GSM網(wǎng)絡(luò)中未利用的TDMA信道，數(shù)據(jù)傳輸速率可增加到57.6 kbps[6]。本設(shè)計(jì)采用GSM短消息和GPRS網(wǎng)絡(luò)通信相結(jié)合的方式傳輸現(xiàn)場圖像。GSM使用AT指令來實(shí)現(xiàn)語音通信及信息編碼及其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。AT基本格式：AT[]，可默認(rèn)為零，擴(kuò)展格式為：AT+[=]攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)每幀大小為320*240*16 bit數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH不能完全存儲所有數(shù)據(jù)，故外加大容量存儲設(shè)備SD卡。STM32內(nèi)部自帶SDIO控制器，SD卡的功能引腳均與STM32 SDIO接口連接[7]。其中數(shù)據(jù)DATA0、DATA1、DATA2、DATA3腳分別與STM32的SDIO_D0、SDIO_D1、SDIO_D2、SDIO_3腳連接，CMD腳與SDIO_CMD腳連接，CLK腳與SDIO_CLK腳連接。

系統(tǒng)采用外部穩(wěn)壓電源的形式為系統(tǒng)供電，電源外部為5 V輸入，為使用方便，可直接外接USB供電。電路中使用AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片，同時為了保護(hù)電路，防止負(fù)載過大而損壞穩(wěn)壓芯片，在電路輸入端增壓了熔斷器和撥動開關(guān)。無線通信模塊電源通過插針的方式安裝在電路中，其供電范圍與STM32的范圍不兼容，為了不影響系統(tǒng)的運(yùn)行，外接了一個容量為1 800 mAh、輸出電壓為3.7 V的鋰離子可充電電池。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化的編程思想，可分為主程序、警情采集程序、圖像采集及處理程序、數(shù)據(jù)存儲程序。利用集成開發(fā)環(huán)境RealView MDK，μVision編寫代碼，Keil軟件的C編譯器、匯編等功能。通過JTAG接口將編譯成功源代碼下載到STM32運(yùn)行。采用庫函數(shù)方式編程，主要包括系統(tǒng)初始化，入侵信號檢測、圖像信息讀取及處理、圖像信息發(fā)送及存儲等。系統(tǒng)工作過程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)工作過程圖

系統(tǒng)初始化主要包括處理器、各個外圍接口初始化，使得各設(shè)備都能正常使用，外設(shè)配置主要包括系統(tǒng)時鐘配置、DMA配置、串口配置、SysTick配置。SysTick是STM32中一個最基本的定時器,可實(shí)現(xiàn)精確延時[8]。入侵報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)中判斷是否有人入侵是通過STM32采集和處理紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)的，硬件上屬于被動式紅外感應(yīng)器，其輸出為數(shù)字信號，當(dāng)檢測到人體紅外信號時，輸出高電平，無人入侵時，持續(xù)為低電平。本設(shè)計(jì)采用查詢方式，系統(tǒng)一旦檢測到人體紅外傳感器為為高電平，立刻拍照并發(fā)出報(bào)警指令。圖像采集模塊程序設(shè)計(jì)中攝像頭在初始化程序中被設(shè)置為QVGA時序，格式輸出為RGB565，占兩個字節(jié)內(nèi)存，每2個字節(jié)組成一個像素的顏色(其高字節(jié)在前，低字節(jié)在后)。其中存儲圖像數(shù)據(jù)過程為：主程序中等待圖像傳感器OV7670同步信號；FIFO在中斷函數(shù)中寫指針復(fù)位；FIFO寫使能；然后回到主函數(shù)等待第二個OV670同步信號；FIFO在中斷函數(shù)中寫禁止。通過上述幾個步驟，即可完成1幀圖像數(shù)據(jù)的FIFO存儲。攝像頭初始化為QVGA輸出，其輸出分辨率為320*240，F(xiàn)IFO足夠緩存一幀數(shù)據(jù)。在軟件設(shè)計(jì)時，使用外部中斷來捕獲幀同步信號(VSYNC)，在中斷服務(wù)子程序內(nèi)啟動OV7670模塊的圖像數(shù)據(jù)存儲，然后等待下次幀同步信號的到來時，關(guān)閉數(shù)據(jù)存儲，一幀圖像數(shù)據(jù)存儲完成后，回到主函數(shù)，將存儲的一幀數(shù)據(jù)讀出來。幀同步信號的中斷服務(wù)子程序如圖4所示。

圖4　圖像數(shù)據(jù)存儲程序

讀取圖像數(shù)據(jù)過程時FIFO讀指針在主函數(shù)中復(fù)位；給FIFO讀時鐘；讀取FIFO中第一個像素高字節(jié)；再給FIFO讀時鐘；讀取FIFO中第一個像素低字節(jié)；給FIFO讀時鐘；開始讀取FIFO第二個像素高字節(jié)；循環(huán)讀取剩余所有的像素；結(jié)束。幀同步信號VSYNC連接在外部中斷8上，程序上設(shè)置為下降沿觸發(fā)。ov_sta為標(biāo)志位，當(dāng)ov_sta為0時，表示圖像數(shù)據(jù)存儲，將FIFO寫使能，當(dāng)ov_sta不等于0時，表示一幀圖像已經(jīng)存儲完，此時關(guān)閉FIFO寫功能。回到主函數(shù)，讀取圖像數(shù)據(jù)。

JPEG圖像進(jìn)行編碼，OV7670圖像傳感器獲取到圖像信息為RGB565格式，手機(jī)彩信支持的是JPG文件格式，需要將RGB565的圖像數(shù)據(jù)首先保存為JPEG文件格式。選擇Huffman編碼方式，編碼方式第一步，熵編碼的中間格式表示；第二步，將熵編碼中信息壓縮為數(shù)據(jù)流。JPEG文件可以劃分為兩部分：標(biāo)記碼(Tag)部分和壓縮數(shù)據(jù)部分。標(biāo)記碼部分記錄了JPEG圖像的所有信息，例如圖像的寬大小、高大小、Huffman表以及量化表等。標(biāo)記碼有多種標(biāo)記碼是由兩個字節(jié)組成的，高字節(jié)部分為0XFF，每個標(biāo)記碼之前可以填充個數(shù)不限的0XFF。

數(shù)據(jù)存儲模塊程序設(shè)計(jì)中，首先SDIO時鐘，有卡時鐘(SDIO_CK)、SDIO適配器時鐘、AHB總線的接口時鐘。STM32系統(tǒng)中兩種時鐘關(guān)系為SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)其中，SDIOCLK大小為HCLK，一般是72 MHz，其中CLKDIV則是分配系數(shù)，可以通過SDIO的SDIO_CLKCR寄存器進(jìn)行設(shè)置。命令都由微控制器發(fā)出，其中開始位、傳輸位、CRC7和結(jié)束位由SDIO硬件控制，命令索引參數(shù)部分需要軟件設(shè)置，其中命令索引需要在SDIO_CMD寄存器里設(shè)置，命令參數(shù)需要由寄存器SDIO_ARG設(shè)置。SD卡在接收到命令之后，都會回復(fù)一個響應(yīng)，SDIO控制器與SD卡之間的數(shù)據(jù)傳輸都是以數(shù)據(jù)塊的形式傳輸。

4　系統(tǒng)測試

經(jīng)過測試系統(tǒng)運(yùn)行正常，系統(tǒng)可以正常報(bào)警；MCU與各個子模塊連接正常，通信正常。對紅外感應(yīng)模塊包括對探測距離、探測角度、工作電流、拍照功能，存儲模塊等進(jìn)行多次測試。經(jīng)過測試，系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)均滿足要求且抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)中設(shè)置的手機(jī)號碼和郵箱都能接收彩信報(bào)警信息，通過短消息發(fā)送指令，系統(tǒng)可以識別并作出響應(yīng)。

硬件測試主要檢查硬件制作中是否存在虛焊，連線是否正確，尤其是SIM卡槽和SD卡槽，要確定其安裝正確。在調(diào)試中，應(yīng)先確定電路是否存在短路，確定安全后才能通電調(diào)試，電源模塊測試時，先斷電檢測電氣連接是否正確，后接上5 V穩(wěn)壓電源，檢查輸入端，再測其它需要供電模塊引腳電壓，是否正常。人體紅外信號測試時，紅外線屬于電磁波，傳播時易受到電磁波和障礙物等因素干擾，通過測量感應(yīng)信號波形，人在檢測范圍正前方6米內(nèi)任意走動時，得到效果較好。無線通訊模塊測試是通過串口收到的AT指令來工作的，通過PC機(jī)上的串口調(diào)試助手來進(jìn)行。首先插上SIM卡并上電，等待模塊尋找到網(wǎng)絡(luò)，串口發(fā)送AT+CPOS？查詢，返回OK則網(wǎng)絡(luò)正常。彩信發(fā)送測試，當(dāng)人體熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到有人入侵時，微控制器發(fā)送相應(yīng)指令，控制圖像傳感器拍照，存儲到SD卡后，通過無線通信模塊發(fā)送彩信，彩信發(fā)送成功返回“OK”。

5　結(jié)語

經(jīng)過各模塊的設(shè)計(jì)調(diào)試，完成一款簡單實(shí)用的防盜報(bào)警器，報(bào)警器使用人體熱釋電紅外傳感器檢測入侵信號，并通過OV7670圖像傳感器抓拍現(xiàn)場圖像，將圖像壓縮處理為手機(jī)彩信支持的JPEG文件格式后，通過GSM無線通訊模塊將處理好的圖像發(fā)送至用戶手機(jī)，同時可以通過手機(jī)短信控制該報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。經(jīng)過多次測試，實(shí)現(xiàn)了防盜報(bào)警等基本功能，同時該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)很好的拓展，例如在報(bào)警器上搭載操作系統(tǒng)，開發(fā)出人機(jī)交互界面，加入網(wǎng)絡(luò)接口等模塊，可以很好的實(shí)現(xiàn)家用電器之間的互聯(lián)、控制等。

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Design of Intelligent Wireless Burglar Alarm System

Chen Yumin1， Xie Wei1, Meng Xianmin2，Zhang Xiaoliang1

(1.School of Information and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai264209, China；2.Shandong Kaer Electric Co.， Ltd., Weihai264209, China)

Design a kind of using MMS send scene image to the mobile intelligent wireless burglar alarm system。Aadopts the single chip microcomputer STM32 controller, when the personnel emerges to the protection area, induction to the human body infrared pyroelectric infrared sensor signal, trigger the controller to send photo instruction, then the controller through wireless communication module in the form of MMS send captured images to the target phone, at the same time, the information will be treated as middle data and image processing and saved to the SD card, anti-theft alarm, cost-effective, high reliability, high real-time performance, etc. Such as pick up the operating system, network interfaces, and other functions can be implemented to expand in the direction of smart home..

anti-theft alarm; single chip microcomputer STM32; wireless communication; image processing

2015-07-24；

2015-08-19。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)科研基金(HIT(WH)201303)。

陳玉敏(1978-)，女，黑龍江人，碩士，主要從事控制科學(xué)與工程方向的研究。

1671-4598(2016)01-0240-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.066

TB114.3

A