基于ARMCortex-M3內(nèi)核的家庭安全系統(tǒng)

魏 林， 楊 林, 陳戈珩

(長春工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

基于ARMCortex-M3內(nèi)核的家庭安全系統(tǒng)

魏 林， 楊 林, 陳戈珩*

(長春工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

系統(tǒng)主要由單片機和主動式紅外熱釋電傳感器組成，通過GSM全球移動通信系統(tǒng)，把有異常行為地點的情況以短消息的形式發(fā)送至手機，及時提醒房主報警。

報警; GSM; 液晶顯示

0 引 言

近幾年，隨著人民生活水平連續(xù)提升和社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，人們對防盜問題越來越關(guān)注。不法分子各種手段的盜竊對于傳統(tǒng)的防盜門和防盜窗已經(jīng)如同虛設(shè)，威脅著人們的私有財產(chǎn)，人們越來越渴望有一個安全的生活空間，并迫切需要能夠?qū)崟r提示報警的家庭防盜系統(tǒng)，一旦發(fā)生險情可以及時通知房主，以便挽救個人財產(chǎn)[1]。

針對以上情況設(shè)計基于ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器防盜報警的家庭式安全系統(tǒng)，此系統(tǒng)使用方便并且防盜及時，它的先進技術(shù)在于利用GSM 進行傳送信息，把有隱患地點的情況以最直觀的短信消息直接發(fā)送到房主的手機上，讓房主不受到財產(chǎn)的損失[1]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)電路中的MCU(微控制器)選用了性價比較高的STM32系列----STM32F103RBT6單片機。但是STM32的工作電壓(VDD)為2.0～3.6 V，而系統(tǒng)供電電源是5 V開關(guān)穩(wěn)壓電源，因此需要降壓，故采用AS1117低壓差線性穩(wěn)壓芯片，輸出固定電壓3.3 V。原理如圖1所示。

圖1 5 V轉(zhuǎn)3.3 V原理圖

防盜系統(tǒng)的時鐘取用了3種時鐘源,可用于驅(qū)動系統(tǒng)時鐘(SYSCLK)：

1)HSI振蕩器時鐘;

2)HSE振蕩器時鐘;

3)PLL時鐘。

1.1 GSM模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)之所以選用GSM短信模塊功能是因為可以更快速得到房屋情況，幾乎“零距離”地掌管。因為短信息費用極其便宜使其廣泛應(yīng)用，能夠取代無線遙控這樣一般的方式。

系統(tǒng)使用的是西門子公司的TC35模塊，它是一款雙頻900/1800 MHz集成度高的GSM模塊。TC35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、FLASH、ZIF連接器、天線接口6部分組成?；鶐幚砥髯鳛門C35的核心,主要處理GSM終端內(nèi)的數(shù)據(jù)、語音信號,并涵蓋了其他射頻設(shè)備中所有的模擬和數(shù)字功能[3]。

通信協(xié)議采用異步串行通信的傳送方式通常有3種：單工方式、半雙工方式和全雙工方式。本LCD用的是半雙工方式。

異步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷郊安ㄐ稳绫?和圖2所示。

表1 異步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?/p>

圖2 異步數(shù)據(jù)傳輸波形

1.2 紅外熱釋電傳感器

人體恒定體溫基本在36.5°～37.0°，會發(fā)出特定波長10 μm左右的紅外線，可利用菲泥爾濾光片將人體所輻射出來的紅外線有效地集中于熱釋電紅外傳感器上，通過熱釋電紅外傳感器將收集到的紅外線能量轉(zhuǎn)換為電氣信號[4]。光學(xué)濾鏡的主要作用是只允許波長在10 μm左右的紅外線(人體發(fā)出的紅外線波長)通過，而將燈光、太陽光及其他輻射濾掉，以抑制外界的干擾。當(dāng)有人體發(fā)生位移改變時,熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)的溫度是周圍環(huán)境的背景溫度，否則就會通過菲涅耳透鏡使其感應(yīng)到溫度變化，并得到與背景溫度差異信號，因此熱釋電紅外傳感器探測的就是移動物體與背景物體的溫度差異[5]。

模塊外接示意圖如圖3所示。

1.電源負極； 2.OUT信號輸出； 3.電源正極；L.不可重復(fù)觸發(fā)端口； H.重復(fù)觸發(fā)端口；CDS.光敏電阻； RT.溫度補償電阻

紅外熱釋電水平與垂直感應(yīng)范圍分別如圖4和圖5所示。

圖4 紅外熱釋電水平感應(yīng)范圍圖 圖5 紅外熱釋電垂直感應(yīng)范圍圖

1.3 紅外遙控器模塊

紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有信息傳輸可靠、抗干擾能力強、易實現(xiàn)、低功耗、低成本等明顯的優(yōu)點，因此被選用。

紅外遙控編碼目前廣泛使用的是：NEC Protocol 的PWM(脈沖寬度調(diào)制)和PhilipsRC-5 Protocol 的PPM(脈沖位置調(diào)制)。

遙控器按下鍵2時，在紅外接收頭端得到的波形如圖6所示。

圖6 紅外接收波形圖

紅外接收頭電路圖如圖7所示。

圖7 紅外遙控器

1.4 液晶顯示屏

迪文DMT32240產(chǎn)品采用異步、全雙工串口(UART)，串口模式為8N1，即每個數(shù)據(jù)采用10個位：1個起始位8個數(shù)據(jù)位(低位在前傳送，LSB)，1個停止位[6]。

本系統(tǒng)用到的LCD是迪文公司DMT32240T035真彩液晶屏，3.5英寸，65 K色，分辨率320*240。

通信幀緩沖區(qū)(FIFO)，迪文HMI有一個24幀的通信緩沖區(qū)，通信緩沖區(qū)為FIFO(先進先出存儲器)結(jié)構(gòu)，只要通信緩沖區(qū)不溢出，用戶可連續(xù)傳送數(shù)據(jù)給HMI[7]。

數(shù)據(jù)幀架構(gòu)見表2。

表2 數(shù)據(jù)幀架構(gòu)

迪文HMI的所有指令或者數(shù)據(jù)都是16進制(HEX)格式；對于字型(2字節(jié))數(shù)據(jù)，總是采用高字節(jié)先傳送(MSB)方式。比如，x坐標(biāo)為100，其HEX格式數(shù)據(jù)為0x0064，傳送給HMI時，傳送順序為0x00,0x64。

傳送方向：

在迪文HMI上，傳送方向按照下面的規(guī)則定義：

下行(Tx),用戶發(fā)送數(shù)據(jù)給HMI，數(shù)據(jù)從HMI用戶接口的“DIN引腳”輸入；

上行(Rx),HMI發(fā)送數(shù)據(jù)給用戶，數(shù)據(jù)從HMI用戶接口的“DOUT”引腳輸出[7]。

用戶與HMI接口示意圖如圖8所示。

圖8 用戶與HMI接口示意圖

設(shè)置當(dāng)前調(diào)色板(0x40)

Tx: AA 40 CC 33 C3 3C

Rx: 無

前景色調(diào)色板，2字節(jié)(16 bit，65K color)，復(fù)位默認值是0xFFFF(白色)；

前景色調(diào)色板，2字節(jié)(16 bit，65K color)，復(fù)位默認值是0xFFFF(藍色)；

16 bit調(diào)色板定義是5R6G5B模式，見表3。

表3 5R6G5B

DMT32240接口電路圖如圖9所示。

圖9 DMT32240接口原理圖

1.5 聲光報警

檢測到有險情的時候，PA12輸出低電平，NPN三極管導(dǎo)通，LED點亮，PA1輸出高電平NPN導(dǎo)通，繼電器3引腳和1引腳導(dǎo)通，蜂鳴器響。聲光報警模塊如圖10所示。

圖10 聲光報警模塊

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序流程圖

主程序是再開機后首先進行初始化:

1)M3微處理器的系統(tǒng)時鐘為72 M[8];

2)DMT32240T035彩屏用到的串口2初始化，設(shè)置波特率為115 200 bps;

3)GSM模塊用到串口1初始化，設(shè)置波特率為9 600 bps;

4)熱釋電傳感器，紅外遙控器的IO初始化;

5)檢查GSM模塊是否啟動;

6)檢查是否插入sim卡;

7)設(shè)置密碼功能;

8)設(shè)置用戶手機號功能;

9)設(shè)防功能:檢測有無人的進入，如果有人進入,30 s內(nèi)沒有輸入正確的密碼，發(fā)送信息報警;檢測煙霧濃度，超過設(shè)定閾值，發(fā)送信息報警。

2.2 軟件模塊化設(shè)計

2.2.1 LCD模塊驅(qū)動程序設(shè)計

初始化串口2，設(shè)置波特率為115 200 bps，發(fā)送握手命令，清屏，設(shè)置顏色背景前景顏色，發(fā)送數(shù)據(jù)顯示。

LCD程序流程如圖11所示。

圖11 LCD程序流程圖

2.2.2 紅外熱釋電傳感器

紅外熱釋電相連的IO設(shè)置為輸入模式，并使能下拉，檢測紅外熱釋電模塊是否輸出高電平，檢測到高電平說明有人進入。

程序流程如圖12所示。

2.2.3 GSM模塊

GSM流程如圖13所示。

2.2.4 紅外遙控器

紅外接收的解碼程序流程如圖14所示。

圖12 紅外熱釋電程序流程圖

圖13 GSM模塊程序流程圖

圖14 紅外遙控器解碼程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 硬件調(diào)試問題

用PC機串口調(diào)試助手調(diào)試Tc35的時候會出現(xiàn)亂碼，起初認為是Tc35的AT指令發(fā)錯了，用網(wǎng)上查找的很多方法嘗試，還是會出現(xiàn)亂碼，并找不到原因，用其他人的電腦試了一下，竟然成功了，才知道原來是系統(tǒng)問題，PC機是WIN7系統(tǒng)，用XP系統(tǒng)就沒有出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象，可能存在兼容性問題。

3.2 軟件調(diào)試問題

紅外熱釋電傳感器的調(diào)試很簡單，平時沒有人的時候OUT信號輸出低電平，一旦檢測到有人的時候OUT信號輸出高電平。LCD程序調(diào)試過程是將硬件電路連接完畢后，對原程序進行編譯，調(diào)用初始化液晶模塊子程序#include"DMT32240T035.h"，若載入仿真器仿真運行，如可以從液晶屏上看到相應(yīng)的字符出現(xiàn)，則能滿足預(yù)期的設(shè)置。紅外遙控器的調(diào)試思路是：首先將紅外接收頭的輸出信號和示波器相連，按下紅外遙控器的任意鍵時，會在示波器上看到波形，然后進行解碼，再用液晶顯示，可以看到每個鍵按下的正確碼值[9]。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)以智能家居為目標(biāo)，設(shè)計了一套防火、防盜的家庭安全系統(tǒng)，對智能家居進行了初步試探性的研究。

1)CM3構(gòu)架的STM32擁有豐富的資源;

2)采用彩屏顯示，可以方便地控制整個系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)的操作非常人性化。彩屏顯示是人機交互的必然走勢，相信在以后越來越多的產(chǎn)品會使用[10];

3)芯片廠家提供的技術(shù)資料以及器件上的標(biāo)注不一定都正確，有的時候必須結(jié)合實際分析，才能解決問題;

4)KEIL FOR ARM對STM32的開發(fā)提供了非常好的支持，該軟件支持仿真，能為軟件開發(fā)提供很大的方便。

[1] 黃欣榮.基于GSM 短信模塊的家庭防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國新通信,2010(9):83-85.

[2] 劉火良,楊森.STM32 庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3] 劉濤，張春頁.基于手機模塊TC35的單片機短消息收發(fā)系統(tǒng)[J].電子技術(shù),2003(3):32-35.

[4] 何丹.基于ARM 無線智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：長安大學(xué),2009.

[5] 劉輝.智能LED燈控制系統(tǒng)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，36(1):53-56.

[6] 潘斌,郭紅霞.短信收發(fā)模塊TC35i的外圍電路設(shè)計[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2004(7):48-50.

[7] 葉衛(wèi),胡俊達.基于TC35iGSM模塊的短消息收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計[J].測試測量技術(shù),2008(5):27-29.

[8] 王海民，王宏志.STM32以太網(wǎng)控制系統(tǒng)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，35(1):60-65.

[9] 張有迪，張傳勝.基于ARM控制器的TFT-LCD顯示系統(tǒng)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，33(6):681-685.

[10] 劉延青，費凌，任書君.基于ARM的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)[J].西華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，30(2):28-31.

Family safety system based on ARMCortex-M3

WEI Lin, YANG Lin, CHEN Geheng*

(School of Computer Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

The system mainly consists of a microcontroller and active infrared pyroelectric sensors. With GSM network, the information at alarmed location will be directly sent to cell phone by SMS to prompt the householder.

alarm; GSM; LCD display.

2016-03-19

吉林省科技廳科技攻關(guān)計劃項目(20150204073GX)

魏 林(1976-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事信號與信息處理方向研究,E-mail:1026459117@qq.com. *通訊作者：陳戈珩(1961-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)教授，主要從事信號與信息處理方向研究,E-mail:chengeheng@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.11

TP 393

A

1674-1374(2016)06-0570-06