基于STM32的紅外無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王華杰，張曉娟，鄭來(lái)芳

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原030008）

基于STM32的紅外無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王華杰，張曉娟，鄭來(lái)芳

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原030008）

本設(shè)計(jì)提出了基于GPRS∕GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)并報(bào)警的系統(tǒng)的解決方案。該系統(tǒng)采用以STM32F103為主控制模塊，實(shí)時(shí)采集紅外線人體感應(yīng)器傳來(lái)的報(bào)警信息，由單片機(jī)發(fā)送控制指令，把報(bào)警信號(hào)通過(guò)AT指令傳給M33模塊，對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理并對(duì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行圖片的采集、存儲(chǔ)并通過(guò)GPRS∕GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送郵件或彩信到手機(jī)。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，安裝方便，無(wú)線傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家庭、倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所，對(duì)這些場(chǎng)所的安全提供了保障。

單片機(jī)；M33模塊；GPRS∕GSM網(wǎng)絡(luò)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們生活水平的提高，人們對(duì)自身所處的生活環(huán)境的安全有了更高的要求。在家庭、博物館、圖書館、倉(cāng)庫(kù)等重要的場(chǎng)所常有入室盜竊案件發(fā)生，這些不利因素對(duì)于傳統(tǒng)的安防來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。需要一種多功能智能報(bào)警系統(tǒng)來(lái)保證這些重要場(chǎng)所的安全，設(shè)計(jì)一種低成本低功耗，對(duì)報(bào)警能迅速做出反應(yīng)且進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)就成為一種發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。

本設(shè)計(jì)采用的是無(wú)線接收、發(fā)射模塊，接收聯(lián)機(jī)安防探頭傳來(lái)的報(bào)警信息。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，移動(dòng)通信的高覆蓋率，安全性高，迅速的通訊方式能實(shí)現(xiàn)把報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)地通知給用戶。近年來(lái)，嵌入式技術(shù)的發(fā)展迅速，那么基于嵌入式的安防監(jiān)控系統(tǒng)在迅速出現(xiàn)在市場(chǎng)之中，其可靠性高、功耗低等方面比較受到用戶的青睞，但是基于嵌入式的系統(tǒng)架構(gòu)需要開(kāi)發(fā)人員熟練掌握網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和圖像處理技術(shù)外，還要熟練掌握基于操作系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，才能實(shí)現(xiàn)圖像采集和處理、存儲(chǔ)、傳輸。在節(jié)約成本的同時(shí)還要滿足用戶的需求，本文提出了一種以STM32為主控制模塊，將紅外線人體感應(yīng)傳感器、攝像頭信號(hào)數(shù)據(jù)傳送到控制主機(jī)，主機(jī)將發(fā)指令給采集模塊進(jìn)行入侵者的信息采集處理，經(jīng)主機(jī)判斷后把報(bào)警信號(hào)通過(guò)GPRS∕GSM網(wǎng)絡(luò)，傳送到遠(yuǎn)程戶主手機(jī)，用戶可以更及時(shí)、更直觀、更清晰的掌握家中安防的異常情況，滿足了人們對(duì)越來(lái)越多重要場(chǎng)所的安全防范的需求。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無(wú)線紅外報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)硬件技術(shù)和軟件設(shè)計(jì)有更高的要求，針對(duì)現(xiàn)狀分析，綜合用戶需求，本系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和無(wú)線遠(yuǎn)程報(bào)警相結(jié)合的方式，為了使用戶能更全面實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采用在重要地點(diǎn)放攝像頭，當(dāng)監(jiān)測(cè)有人入侵進(jìn)行拍照并把照片以發(fā)送彩信的模式進(jìn)行報(bào)警，而對(duì)普通地點(diǎn)如臥室則采用放置紅外探測(cè)器設(shè)置防區(qū)的方式，當(dāng)有人進(jìn)入，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)送短信進(jìn)行報(bào)警，并且通過(guò)語(yǔ)音來(lái)傳遞信息，及時(shí)播報(bào)，對(duì)犯罪分子起警示作用，在日常生活中，最常接觸到的環(huán)境因素就是溫度和濕度，恰當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸炔粌H使人舒服而且還能增強(qiáng)人體的抵抗力，安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)現(xiàn)在不少家庭都有定時(shí)讀書的習(xí)慣，即增加光照度檢測(cè)，就可以根據(jù)自然光亮度來(lái)決定開(kāi)燈否。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。[3]

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由STM32F103RTC6為控制芯片，PIR紅外人體感應(yīng)模塊，GSM∕GPRS無(wú)線通信模塊，煙霧和光感傳感器、PT2262∕2272遙控器接收模塊等部分組成。

主控芯片是系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)信息的采集，報(bào)警信息的發(fā)送等，因此所選主控芯片要有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源，能進(jìn)行通訊且具有較高的性價(jià)比。綜上，選用ST公司的高性能微控制器STM32F103RTC6。該芯片基于ARM@CortexTM-m3 32位的RISC內(nèi)核，內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，執(zhí)行能力大大提高，最高工作頻率為72 MHz，1.25DMIPS∕MHZ，單周期乘硬件除法，片上集成高達(dá)256 K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器和64 K字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)器，包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個(gè)UART接口，2通道的A∕D轉(zhuǎn)換器，2通道的D∕A轉(zhuǎn)換器，2個(gè)SPI接口，1個(gè)USB2.0高速接口，1個(gè)I2C接口。該芯片豐富的串行接口使得其外圍電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。

GPRS∕GSM模塊采用上海移位通信有限公司的多功能模塊M33來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像采集、預(yù)處理、JPEG壓縮、存儲(chǔ)和GSM∕GPRS通訊等。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

一般意義上的報(bào)警系統(tǒng)的功能是收到警情信號(hào)后通常采用以下幾種方式進(jìn)行報(bào)警，如：戶主不在家時(shí)當(dāng)接收到報(bào)警信息打電話通知給保安、家里安裝警鈴報(bào)警等。此外還可以把門窗控制系統(tǒng)、煤煙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和視頻采集監(jiān)控系統(tǒng)連起來(lái)，這樣不僅能監(jiān)測(cè)有人入侵還能及時(shí)有效避免火災(zāi)等情況的發(fā)生。

系統(tǒng)由探測(cè)器和報(bào)警主機(jī)構(gòu)成，其中STM32F103負(fù)責(zé)信息數(shù)據(jù)的采集，異常情況的判斷及處理及處理之后的圖像存儲(chǔ)和發(fā)送，是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。主控制器需要實(shí)時(shí)采集由人體釋放的紅外信號(hào)，采集的信號(hào)要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。如果檢測(cè)異常，那么主控制器接收到報(bào)警信號(hào)，對(duì)信息進(jìn)行確認(rèn)證實(shí)無(wú)誤后通過(guò)寫指令對(duì)M33模塊控制其信號(hào)的采集，信息采集之后開(kāi)啟攝像頭進(jìn)行拍照，將照片存儲(chǔ)到SD卡內(nèi)。如果用戶設(shè)定為發(fā)送模式，系統(tǒng)將通過(guò)GSM∕GPRS無(wú)線發(fā)送模塊將照片發(fā)送至用戶接收終端。如果設(shè)置為非發(fā)射模式，經(jīng)過(guò)處理的拍攝的照片直接存儲(chǔ)在SD卡內(nèi)。若用戶在家可直接用無(wú)線遙控器開(kāi)啟或關(guān)閉視頻監(jiān)控，若外出可發(fā)短信控制視頻監(jiān)控模式的轉(zhuǎn)換，這樣能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)住宅環(huán)境的安全情況。戶主還可以發(fā)送短信與主機(jī)接通，可以隨時(shí)隨地監(jiān)聽(tīng)家里的情況，這樣就完成了主動(dòng)查詢的功能，當(dāng)有入侵人員，開(kāi)啟揚(yáng)聲器，對(duì)其警告。[4]

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、啟動(dòng)配置電路、石英晶振電路、JTAG∕SW調(diào)試接口電路等組成。

2.2 PIR模塊電路設(shè)計(jì)

熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應(yīng)原理的熱釋電型紅外傳感器。在有人或動(dòng)物進(jìn)入探測(cè)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)的紅外輻射發(fā)生變化，探測(cè)元件接收到10 μm左右的紅外線，使熱釋電器件產(chǎn)生突變的電信號(hào)，從而發(fā)出警報(bào)。傳感器會(huì)因自身的溫度變化而對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾，為了抑制這種干擾，該傳感器在工藝上設(shè)計(jì)成將兩個(gè)特征一致的熱電元件反相串聯(lián)或結(jié)成差動(dòng)平衡電路的形式，這種設(shè)計(jì)形式能以非接觸的方式檢測(cè)出人體發(fā)出的紅外線并且將檢測(cè)到的人體紅外線能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。此種傳感器結(jié)構(gòu)上一個(gè)雙元熱釋電陶瓷在源極跟隨器和FET連接，此外還包括保護(hù)電阻和RF額外的電容。該傳感器外加TO-5外殼用來(lái)紅外線的過(guò)濾，目的是用來(lái)保護(hù)避免強(qiáng)烈的白光的干擾。由于一般熱釋電紅外傳感器輸出的是一個(gè)在1V基礎(chǔ)上變化的信號(hào)，并且信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化幅度只有15 mV左右，在傳感器外加菲涅爾透鏡采用分割方式既降底由小寵物引起的誤報(bào)率，還能使輸出信號(hào)電壓呈脈沖形式，對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行處理。監(jiān)測(cè)到的信號(hào)通過(guò)由LMV831組成的信號(hào)處理電路，可使采集的不規(guī)則的信號(hào)變?yōu)橐?guī)范的高低電平信號(hào)，同時(shí)系統(tǒng)由STM32F103RC的12 bit高精度ADC0口進(jìn)行間隙采集和軟件算法判斷是否有人入侵。[5]PIR工作原理如圖2。

圖2 PIR工作原理

2.3 M35模塊硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，M35模塊模塊支持850∕900∕1800∕1900 MHz頻率，支持TCP∕IP、MMS等協(xié)議，支持GSM07.07,GSM07.05和增強(qiáng)型AT命令集。M35模塊通過(guò)AT指令控制模塊實(shí)現(xiàn)一系列的功能，比如圖像信息采集，信息的儲(chǔ)存，彩信或短信發(fā)送等。M35模塊通過(guò)串行總線與CPU進(jìn)行通信。主控制其可以通過(guò)UART2向模塊M35發(fā)送AT指令“AT+QSCLK=1”控制DTR1的電平使M35進(jìn)入或退出睡眠狀態(tài)。當(dāng)DTR1設(shè)置高電平或長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有接到報(bào)警信號(hào)，M35可自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。因?yàn)橐o用戶發(fā)送報(bào)警信號(hào)，需要耗費(fèi)一定的流量，M35模塊既可以通過(guò)硬件也能通過(guò)軟件來(lái)控制手機(jī)流量，一般采取軟件控制流量來(lái)簡(jiǎn)化硬件電路連接。M33模塊如果沒(méi)有報(bào)警信號(hào)時(shí)一般處于睡眠狀態(tài)，也可以通過(guò)I∕O口向模塊的開(kāi)關(guān)引腳輸出多與2 s的高電平使模塊開(kāi)啟正常工作模式。

與M35模塊相連的模塊有SD卡電路模塊、圖像處理電路模塊、SIM卡電路和SD卡接口電路模塊。M35中自帶圖像處理功能的硬件電路，大大簡(jiǎn)化了軟件和硬件電路對(duì)圖像的處理的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的能力，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有人侵入是，STM32接收到信號(hào)后發(fā)送指令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拍照作為證據(jù)，STM32通過(guò)8位的數(shù)據(jù)信號(hào)和VREF、HREF控制信號(hào)及PCLK時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)采集。在實(shí)際應(yīng)用中M33模塊和STM32F103發(fā)生同時(shí)對(duì)SD卡上的內(nèi)容進(jìn)行讀取的情況，為了防止此情況下產(chǎn)生沖突，把系統(tǒng)設(shè)計(jì)成用單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)芯片PI3A412進(jìn)行訪問(wèn)的選擇。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，來(lái)確保系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，來(lái)滿足設(shè)計(jì)的要求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。其包括升級(jí)程序和應(yīng)用程序。升級(jí)程序主要能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序的自動(dòng)升級(jí)；應(yīng)用程序主要分為報(bào)警信息的采集、圖像采集模塊、彩信或短信發(fā)送模塊、顯示模塊等。

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后對(duì)監(jiān)視終端的各模塊進(jìn)行初始化，首先系統(tǒng)先判斷有無(wú)升級(jí)程序，若有，則系統(tǒng)自動(dòng)升級(jí)，完成升級(jí)后跳轉(zhuǎn)到程序去，否則系統(tǒng)直接跳轉(zhuǎn)到程序區(qū)進(jìn)入低功耗狀態(tài)等待接收PIR觸發(fā)異常情況下的報(bào)警信息。系統(tǒng)軟件運(yùn)行的基本流程如圖3。

系統(tǒng)上電初始化之后，先對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，可以使用鍵盤設(shè)置，也可以通過(guò)遙控器進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)主人不在家時(shí)，需要進(jìn)行設(shè)防，期間系統(tǒng)采用間斷采集信號(hào)的形式，每隔200 ms采集一次，連續(xù)采集兩次，和預(yù)設(shè)值比較的形式來(lái)判斷是否有人入侵，若STM32確實(shí)檢測(cè)到有人入侵信號(hào)，則通過(guò)發(fā)送AT指令“AT+QSCLK=1”喚醒M33模塊，通過(guò)UART2向M33模塊發(fā)送一系列AT指令實(shí)現(xiàn)彩信報(bào)警的功能，彩信報(bào)警的流程圖如圖4[6]。

圖3 系統(tǒng)軟件運(yùn)行基本流程圖

圖4 彩信報(bào)警流程圖

在設(shè)計(jì)家用安防報(bào)警器電路時(shí)主要用到熱釋電紅外傳探測(cè)器（PIR），人體產(chǎn)生的紅外輻射被正常工作的熱釋電紅外傳感器檢測(cè)到，人體輻射的熱量在相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)被檢測(cè)到，同時(shí)當(dāng)距離越遠(yuǎn)，PIR檢測(cè)到人體輻射的紅外能量越弱，若要能檢測(cè)到人體輻射的能量就要求PIR的靈敏度要高。環(huán)境溫度突然變高或變低對(duì)PIR檢測(cè)人體輻射的熱量有較大影響，特別是當(dāng)環(huán)境溫度與人體的溫度接近時(shí)，很容易發(fā)生誤報(bào)的情況。為了減少這種情況的發(fā)生，多次測(cè)試結(jié)果表明，如果在PIR監(jiān)測(cè)范圍為10 m以內(nèi)有人走動(dòng)時(shí)，那么觸發(fā)相機(jī)誤拍的幾率就大大減少，也就減少了戶主接收的誤報(bào)警的短信。當(dāng)有人進(jìn)入PIR監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，系統(tǒng)拍照并發(fā)送彩信。

4 結(jié)語(yǔ)

由于本系統(tǒng)帶有圖像處理和GPRS∕GSM模塊，可以將采集到的報(bào)警信息以圖片的形式發(fā)送彩信和發(fā)送短信相結(jié)合的方式發(fā)送給戶主，戶主能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)警情并迅速做出反應(yīng)，安全性能較之傳統(tǒng)的報(bào)警器，有很大的提高。

本系統(tǒng)采用的是GPRS∕GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，省去了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜的問(wèn)題，故應(yīng)用范圍更廣泛；基于單片機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，故其市場(chǎng)潛力很大。

[1]羅永剛,邢雪寧,高沛.基于單片機(jī)的智能紅外無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2013(01)：60-62.

[2]李泊穎,宋偉,王婧伊.淺談居家防盜報(bào)警系統(tǒng)[J].陜西建筑,2010(07)：21-22.

[3]周麗,林錦國(guó).智能無(wú)線防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2011,38(11)：1374-1376.

[4]夏振華,阮寧君.基于GPRS的無(wú)線智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,06（03）：77-80.

[5]焦衛(wèi)東,朱林杰.紅外防盜報(bào)警器的方案設(shè)計(jì)[J].嘉興學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,22(3)：84-87.

[6]鄭道寶.基于DSP和GPRS的遠(yuǎn)程無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)研究[D].衡陽(yáng)：南華大學(xué),2013：43-45.

The Design of Infrared Sensor Monitoring System Based on STM32

WANG Hua-jie,ZHANG Xiao-juan,ZHENG Lai-fang
（Department of Electronic Engineering,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan Shanxi,030008）

This design proposed the solution of the system that is based on GPRS∕GSM network transporting data to achieve the monitoring and alarming.The system uses STM32F103 as the main module,accepting alarm information from infrared body sensor real-time,then MCU sends controlling commands,the alarming signal to M33 module through AT commands,and then alarm signal are processed and alarm monitoring the scene for collecting and storing pictures and sending the message th-rough GPRS∕GSM network to send mail or MMS to your phone.practical results show that the system is stable,easy to install,wireless transmission,etc.,is widely used in home,warehouses and other places,providing a guarantee for the safety of these places.

MCU;the module of M33;GPRS∕GSM

TP212

A

1674-0874(2016)01-0024-04

2015-11-24

王華杰（1988-），女，河南周口人，碩士，助教，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

〔責(zé)任編輯 高彩云〕