一種基于紅外探測(cè)技術(shù)的住房入侵檢測(cè)系統(tǒng)

路文超+權(quán)偉+楊雯+郭培峰+和騰龍+楊應(yīng)山

摘 要：為了解決目前采用有線(xiàn)方式的住房入侵檢測(cè)系統(tǒng)所帶來(lái)的性能不可靠、成本高、安裝困難等問(wèn)題，本文分析并設(shè)計(jì)了一種基于熱釋電紅外傳感器（PIR）的住房入侵檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用HC-SR501紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)入侵，通過(guò)AT89C51單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理和控制，采用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通訊。本文首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體的方案設(shè)計(jì)，然后針對(duì)系統(tǒng)的組成及其功能進(jìn)行了相應(yīng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的入侵檢測(cè)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，功耗低，安裝簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：紅外探測(cè)；住房入侵檢測(cè)；HC-SR501；STC89C51單片機(jī)；nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The current house intrusion detection system through cable connections has some obvious disadvantages，such as unreliable performance，high cost and complicated installation.This paper analyzes and designs a house intrusion detection system based on Pyroelectric Infrared Sensor （PIR）.The system applies the HC-SR501 infrared sensor module to detect instructions，uses the AT89C51 single chip microcomputer to process and control signals，employs the nRF24L01 wireless module to implement wireless communication among nodes.The paper firstly designs the overall scheme of the system，and then designs the hardware and software according to the composition and functions of the system.The experimental results show that the system has high-level accuracy and real-time capability of intrusion detection with high stability，low power consumption，simple installation and good practicability.

Keywords：infrared detection；housing instrusion detection；HC-SR501；STC89C51 MCU；nRF24L01 wireless module

1 引言（Introduction）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代電子通訊為科學(xué)研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，高科技產(chǎn)品使人們的生活變得更加豐富多彩，同時(shí)也提高了人們的居住安防意識(shí)。盡管城市的小區(qū)都安裝了監(jiān)控系統(tǒng)，但入室盜竊率仍居高不下，這與人工監(jiān)控的反應(yīng)力低下有極大關(guān)系更與防盜報(bào)警設(shè)備老舊有密切聯(lián)系。

本文分析并設(shè)計(jì)了一種基于熱釋電紅外傳感器（PIR）的住房入侵檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用HC-SR501紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)入侵，通過(guò)AT89C51單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理和控制，采用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通訊。系統(tǒng)通過(guò)紅外探測(cè)模塊與單片機(jī)相連實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)住房是否有人入侵。熱釋電紅外傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)引起的紅外輻射變化十分敏感，適合用于家庭輔助生活[1]，同時(shí)無(wú)線(xiàn)分布式熱釋電紅外傳感器系統(tǒng)可以部署多個(gè)傳感器從多個(gè)角度收集測(cè)量信號(hào)[2]。由于紅外線(xiàn)是不可見(jiàn)光，便于隱蔽，受環(huán)境干擾影響小，因此廣泛使用在報(bào)警、防盜、控制等領(lǐng)域。此外熱釋電紅外傳感器使用了劃分檢測(cè)區(qū)明亮和黑暗區(qū)域的菲涅爾透鏡[3]，在防盜報(bào)警等方面比其他類(lèi)型的傳感器使用更加廣泛。當(dāng)今世界，移動(dòng)通信手段例如GSM、NCDMA等技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信在全世界的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多，如無(wú)線(xiàn)測(cè)控、無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表、無(wú)線(xiàn)視頻采集，這些技術(shù)為遠(yuǎn)距離通信的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。但在同一間屋內(nèi)或在相距不是很遠(yuǎn)的地方，無(wú)線(xiàn)通信的應(yīng)用同樣廣泛[4]。低功耗單片機(jī)和單片射頻收發(fā)模塊組成的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)住房檢測(cè)系統(tǒng)在區(qū)域上的局限性，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信。目前國(guó)內(nèi)外與住房檢測(cè)系統(tǒng)相關(guān)的文獻(xiàn)都只單獨(dú)研究了紅外探測(cè)技術(shù)防盜系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在防盜上的應(yīng)用[5]，因此本文給出了一種在設(shè)計(jì)上有創(chuàng)新性突破的設(shè)計(jì)方案即采用無(wú)線(xiàn)通信并基于紅外探測(cè)技術(shù)的住房入侵檢測(cè)系統(tǒng)。

2 住房入侵檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（Overall scheme

design of housing intrusion detection system）

目前國(guó)內(nèi)使用的各類(lèi)防盜、保安報(bào)警器基本都是以超聲波、主動(dòng)式紅外發(fā)射/接收，以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)[6]，這些防盜報(bào)警器都存在一些缺點(diǎn)，例如性能不穩(wěn)定、誤報(bào)率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。本文利用STC89C51單片機(jī)和nRF24L01設(shè)計(jì)的基于熱釋電紅外傳感器的住房入侵檢測(cè)系統(tǒng)是一款簡(jiǎn)易、便攜、高效的住房入侵檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)由主控終端、執(zhí)行終端組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。執(zhí)行終端和主控終端上均有一塊STC89C51單片機(jī)，執(zhí)行終端還安裝有nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的發(fā)射裝置，主控終端安裝nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的接收裝置。通過(guò)單片機(jī)和nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)射裝置和接收裝置的軟件程序編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的功能。主控終端負(fù)責(zé)接收?qǐng)?zhí)行終端發(fā)射的報(bào)警信息并將入侵點(diǎn)顯示在終端LCD顯示屏上，執(zhí)行終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解密，并根據(jù)解密出來(lái)的信息執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的作用[7]。本文的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的功能為用戶(hù)可將執(zhí)行終端安置在住宅需要防盜的位置，按下布防按鍵系統(tǒng)將進(jìn)入布防狀態(tài)，由于nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信模塊的主控終端可以與任意一個(gè)數(shù)據(jù)采集檢測(cè)點(diǎn)即執(zhí)行終端之間建立通信，因此當(dāng)有人闖入設(shè)置的任何一個(gè)執(zhí)行終端的檢測(cè)范圍，熱釋電紅外傳感器HC-SR501將探測(cè)到的人體紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)執(zhí)行終端上的STC89C51單片機(jī)軟件處理并通過(guò)nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控終端，當(dāng)只有一個(gè)執(zhí)行終端發(fā)送了數(shù)據(jù)時(shí)，主控終端便會(huì)識(shí)別該執(zhí)行終端編號(hào)并顯示在LCD顯示屏上，當(dāng)主控終端接收到多個(gè)執(zhí)行終端的數(shù)據(jù)，將會(huì)在LCD屏上依次顯示入侵位置的編號(hào)同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

3 硬件設(shè)計(jì)（Hardware design）

3.1 熱釋電紅外傳感器（PIR）簡(jiǎn)介

熱釋電紅外傳感器（PIR）是一種由高熱電系數(shù)材料制成的探測(cè)元件，每個(gè)探測(cè)器內(nèi)一般有一到兩個(gè)探測(cè)元件，紅外輻射熱量變化會(huì)引起元件的溫度變化，材料內(nèi)部極化強(qiáng)度發(fā)生改變，傳感器將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)引入場(chǎng)效應(yīng)管完成阻抗變換以獲得直接使用的電壓信號(hào)[6]。由于人體的紅外線(xiàn)中心波長(zhǎng)為9—10μm，而探測(cè)元件的波長(zhǎng)靈敏度在0.2—20μm內(nèi)基本穩(wěn)定不變[8]，為了提高探測(cè)器的靈敏度及響應(yīng)速度，采用菲涅爾透鏡增強(qiáng)紅外線(xiàn)并聚集在紅外感應(yīng)源上，使可通過(guò)紅外光波長(zhǎng)穩(wěn)定在人體紅外信號(hào)波段7—10μm，并在探測(cè)器前方產(chǎn)生交替變化的明區(qū)和暗區(qū)使熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生禁區(qū)內(nèi)移動(dòng)人體的紅外信號(hào)[9，10]。本文采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，內(nèi)置RD-624紅外傳感探頭，反應(yīng)靈敏，工作穩(wěn)定，工作于超低電壓模式適用于各類(lèi)自動(dòng)感應(yīng)設(shè)備。

3.2 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介

AT89C51是一種帶有4K可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，可反復(fù)擦除1000次，采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)將所需基本功能集成在芯片上。其基本結(jié)構(gòu)是微處理器與外圍芯片結(jié)合，其主要特性有：8kBFlash，256字節(jié)RAM，32位可編程I/O線(xiàn)，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器，5向量級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，可編程串行通信口，低功耗閑置，支持軟件選擇節(jié)電模式。CPU閑置時(shí)RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通道及中斷系統(tǒng)可正常工作。可在零頻率條件下靜態(tài)邏輯，掉電模式時(shí)可保護(hù)RAM存儲(chǔ)內(nèi)容，其他所有部件停止運(yùn)行直到下一個(gè)終端復(fù)位。

3.3 nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊簡(jiǎn)介

nRF24L01是一款新型微功率單芯片射頻收發(fā)模塊，工作在2.4—2.5GHz全球開(kāi)放ISM頻段，發(fā)射功率最大為0dBm[11]，工作電壓范圍為1.9—3.6V，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等主要功能模塊[12]，融合Shock Burst技術(shù)，可通過(guò)軟件程序配置其通信頻道。數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2Mbps，接收工作電流僅為18mA，共有125個(gè)頻道，滿(mǎn)足多點(diǎn)通訊和跳頻要求[4]，具有高效GFSK調(diào)制，可同時(shí)設(shè)置六路接收通道地址并可選擇性打開(kāi)接收通道，同時(shí)模塊內(nèi)置2.4GHz天線(xiàn)，體積小巧。nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊集抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)于一體，因此適用于多種環(huán)境下的小型場(chǎng)所，本文利用AT89C52單片機(jī)和nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊控制為實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了靈活和低成本的方案。

nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊接口共有8個(gè)引腳，分別為GND、VCC、CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ，其主要功能如表1所示。

3.4 系統(tǒng)硬件電路連接

系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為中心燒寫(xiě)代碼，外圍接單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵模塊、紅外熱釋電傳感器HC-SR501、LED指示燈、報(bào)警模塊、無(wú)線(xiàn)通信等子模塊。單片機(jī)AT89C51組成單片機(jī)最小系統(tǒng)，P1.3接收外接傳感器信號(hào)，P2.0控制工作指示燈，P2.2控制報(bào)警指示燈，P2.3控制外接SPEAKER。AT89C51單片機(jī)外界工作電壓為5V直流電源。單片機(jī)40腳接正極5V，20腳接電源地。

AT89C51單片機(jī)的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7分別于與nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的CE、CS、SCK、MOSI、MISO、IQR相連。GND為電源地，VCC為3.3V工作電壓，系統(tǒng)采用USB供電，電壓約為5V，而nRF24L01在3.3V時(shí)工作較穩(wěn)定[5]，因此需要將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V電壓，電源模塊選用LDO低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓電源RT9193-33GB組成模擬電源，通過(guò)調(diào)節(jié)可以使輸出電壓降為3.3V。

液晶顯示屏選用LCD1602，其采用標(biāo)準(zhǔn)16接口，5V電壓，內(nèi)含復(fù)位電路可提供各種控制命令例如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍等多種功能。3腳可調(diào)節(jié)液晶顯示器對(duì)比度，將2、3腳外接1K電位器用來(lái)調(diào)整屏幕背光亮度[5]。AT89C51單片機(jī)與外圍模塊及nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的硬件連接如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)（Software design）

4.1 AT89C51單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置為布防狀態(tài)后，禁區(qū)內(nèi)有移動(dòng)人體出現(xiàn)時(shí)，紅外熱釋電傳感器則捕捉紅外信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，該信號(hào)經(jīng)單片機(jī)的軟件程序處理，驅(qū)動(dòng)LED指示燈報(bào)警和蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)主控終端處的LCD顯示屏上也會(huì)出現(xiàn)入侵點(diǎn)的坐標(biāo)。單片機(jī)控制紅外傳感器探測(cè)信號(hào)部分程序如下：

4.2 nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)工作環(huán)境為近距離高速無(wú)線(xiàn)應(yīng)用條件，因此選用星型模式，nRF24L01有四種主要工作模式，如表2所示。

本文主要利用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的接收模式、發(fā)射模式、待機(jī)模式等模式。本文利用AT89C51單片機(jī)將主控終端配置為接收模式，將執(zhí)行終端配置為發(fā)送模式，采用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊的通道0，通過(guò)改變頻道和地址實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的無(wú)線(xiàn)通信。當(dāng)發(fā)送端緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)從待機(jī)模式進(jìn)入發(fā)送模式，nRF24L01配置為發(fā)射模式，把要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)地址和數(shù)據(jù)由SPI口寫(xiě)入單片機(jī)，通過(guò)把nRF24L01發(fā)射裝置的軟件程序嵌套在AT89C51單片機(jī)軟件程序中，上電后就可自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。CE置高電平，此時(shí)中控終端的nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入接收模式，單片機(jī)引腳P3.7變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生中斷，單片機(jī)判斷到已接收數(shù)據(jù)，此時(shí)單片機(jī)通過(guò)SPI口將接收到的數(shù)據(jù)讀取出來(lái)，通信成功。當(dāng)系統(tǒng)從待機(jī)模式進(jìn)入接收模式時(shí)，nRF24L01配置為接收模式，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器中，中斷標(biāo)志位RX_DR為高電平，IRQ變?yōu)榈碗娖剑a(chǎn)生中斷，向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機(jī)高速的運(yùn)行速度為獲取多個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息提供了保障。工作前要先對(duì)nRF24L01進(jìn)行初始化，CE置0，CSN置1，SCLK置0，IRQ置1，MCU將相關(guān)配置字寫(xiě)入配置字寄存器。單片機(jī)控制nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊部分程序如下：

5 結(jié)論（Conclusion）

本文分析并設(shè)計(jì)了一種基于紅外探測(cè)技術(shù)的住房入侵檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用HC-SR501紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)入侵，通過(guò)AT89C51單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理和控制，采用nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通訊，系統(tǒng)具有很好的移植性和通用

性，較高的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的布線(xiàn)，具有功耗低等特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：

路文超（1995-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電氣工程及其自動(dòng)化.

權(quán) 偉（1982-），男，博士，講師.研究領(lǐng)域：控制科學(xué)與工程. 本文通訊作者.

楊 雯（1996-），女，本科生.研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化.

郭培峰（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電氣工程及其自動(dòng)化.

和騰龍（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：車(chē)輛工程.

楊應(yīng)山（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電氣工程及其自動(dòng)化.