基于無線通信控制的家用智能車庫系統(tǒng)

張倫++潘秀秀++張亞洲

摘 要：本項目針對家用車庫存在的安全性、便捷性等問題進(jìn)行研究，通過無線通信實現(xiàn)便捷的車庫控制、防盜、視頻監(jiān)控等，并實現(xiàn)利用超聲波測距方式解決汽車出入庫過程中的刮蹭問題。項目基于ARM內(nèi)核的STM32嵌入式處理器進(jìn)行設(shè)計與研究，實現(xiàn)的功能包括無線遙控車庫門、視頻監(jiān)控、紅外防盜、車距探測與預(yù)警、電子密碼鎖等，本項目力求在未來的智能家居中發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；STM32；嵌入式處理器；智能車庫；視頻監(jiān)控

中圖分類號：TP393；TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-03

0 引 言

隨著別墅型住宅日漸流行，智能車庫的控制和管理系統(tǒng)也得到了廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)車庫控制通常依賴互聯(lián)網(wǎng)，存在網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險與缺陷。例如家用私人車庫面積有限，車主駕駛車輛進(jìn)出車庫時經(jīng)常會發(fā)生刮蹭；車庫防盜系統(tǒng)依賴車庫攝像探頭，但它只支持發(fā)生盜竊后的證據(jù)記錄，并不能做到真正的防盜報警，且攝像頭一直處于工作中，對存儲、查看、耗能等都是一個考驗。我們針對傳統(tǒng)智能車庫存在的網(wǎng)絡(luò)安全、缺少刮蹭警示、車庫防盜等級較低、便捷性較差等問題提出了合理的解決方案，并建立了基于ARM處理器和無線全雙工通信控制的家用智能車庫系統(tǒng)。

1 設(shè)計目標(biāo)

本項目力求實現(xiàn)智能車庫性價比高、成本低、操作簡便、安全性強(qiáng)、更加智能與人性化的目標(biāo)，支持低成本、低功耗、高質(zhì)量的智能化家居理念，為未來人性化智能私人車庫的發(fā)展做鋪墊。主要實現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）用戶使用遙控板無線控制車庫大門的啟閉；

（2）利用紅外人體感應(yīng)模塊和報警器（在設(shè)計中使用蜂鳴器，蜂鳴頻率5 Hz）實現(xiàn)車庫的防盜報警；

（3）利用超聲波測距模塊實現(xiàn)探測與顯示車庫墻壁與車兩側(cè)的距離，并在距離小于等于4 cm時提醒報警（在設(shè)計中使用蜂鳴器，蜂鳴頻率2 Hz）；

（4）車庫門同時支持電磁鎖，在無線控制失效的情況下仍然可以開關(guān)門；

（5）遙控板可以打開或關(guān)閉車庫內(nèi)的攝像探頭，亦可在遙控板上查看視頻圖像。

設(shè)計指標(biāo)要求如下：

（1）實現(xiàn)遙控板和車庫主控板之間的全雙工無線通信；

（2）無線圖像傳輸分辨率不低于CIF圖像格式（352×288像素）標(biāo)準(zhǔn)，顏色信息為國際廣播電視標(biāo)準(zhǔn)RGB422；

（3）超聲波測距模塊在40 kHz載頻下探測誤差小于或等于2 cm；

（4）紅外人體感應(yīng)范圍不小于20 m2；

（5）系統(tǒng)能夠長時間可靠工作。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

本項目基于低成本考慮和外圍接口的設(shè)計需求，選用ST公司生產(chǎn)的ARMCortex?-M4結(jié)構(gòu)嵌入式處理器ST M32F407作為系統(tǒng)核心。該處理器具有實時控制、高速存儲、FSMC、DMA等功能，能夠滿足項目需求。軟件開發(fā)平臺選用Keil Software公司的MDK5，它滿足ARM Cortex?微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（Cortex Microcontroller Software Interface Standard，CMSIS），可方便的添加STM32處理器的固件庫。

2.1 無線全雙工通信的實現(xiàn)

目前常用的無線傳輸模塊有藍(lán)牙模塊，WiFi模塊、433長波模塊、nRF模塊等。藍(lán)牙模塊應(yīng)用最廣泛，其優(yōu)點是近距離匹配容易、成本較低、編程簡單；缺點是遠(yuǎn)距離匹配失效、穿墻效果差、傳輸速度低，不適合視頻圖像的遠(yuǎn)距離傳輸。WiFi模塊主要應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)通信，它是目前傳輸速率最快的無線通信模塊，具有高穿透性和高數(shù)據(jù)流傳輸特性，但其協(xié)議棧過于復(fù)雜、編程匹配困難、成本與功耗相對較高；433長波模塊適合遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，但成本過高；nRF模塊傳輸速度快、功耗低、協(xié)議棧簡單、成本低，廣泛應(yīng)用于智能家居中的短距離信號流傳輸，不論成本、性能還是功耗，均符合本系統(tǒng)的要求。

通過比較廠家資料可知，選擇nRF24L01作為本系統(tǒng)的無線通信模塊。nRF24L01采用2.4 GHz國際開放的ISM頻段。該模塊利用高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制信號，功率譜密度集中且具有恒幅包絡(luò)特性。調(diào)制出的恒定包絡(luò)單位時間內(nèi)傳輸內(nèi)容較多，不僅速度快、節(jié)能，還能使數(shù)據(jù)在空中的停留時間較短，確保收到的干擾較少，誤碼率大幅降低，傳輸過程可靠、高效。

本系統(tǒng)需要傳輸格式為CIF的圖像數(shù)據(jù)，CIF的分辨率為352×288，RGB422色彩模式下每像素色彩信息占用8位二進(jìn)制數(shù)，每幀所需的位數(shù)為352×288×8=811 008 b。假設(shè)每秒傳輸18幀畫面，則每秒需要的位數(shù)為14.6 Mb，即每秒需要的字節(jié)數(shù)為1 825 KB。增加無線通信的起始位和校驗位后，無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率大約為1.9 Mb/s，小于nRF24L01的最大數(shù)據(jù)傳輸速度2 Mb/s。該模塊完全能夠滿足本項目的需求。以上計算基于非壓縮的圖像數(shù)據(jù)格式，如果選擇支持幀內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮的MJPEG數(shù)據(jù)傳輸格式，還可以進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬，提高系統(tǒng)冗余度，或根據(jù)需要選擇更高的圖像分辨率。

nRF24L01采用SPI通信總線，確保收發(fā)信號能夠同步進(jìn)行，但單一的收發(fā)不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，高速的?shù)據(jù)傳輸需要校驗和收發(fā)確認(rèn)。nRF24L01提供了兩種不同的收發(fā)模式，分別為Enhanced ShockBurstTM和ShockBurstTM，兩種模式由CE端口和CONFIG寄存器共同控制。本系統(tǒng)使用的編程方式（引腳電平使能和寄存器寫值）選擇Enhanced ShockBurstTM模式，它支持自動確認(rèn)字符（ACK）和自動重發(fā)。通信收發(fā)的地址和頻道同樣由程序來控制。

2.2 超聲波測距的實現(xiàn)

超聲波在相同的傳播媒介中（大氣條件）傳播速度相同，它借助傳播介質(zhì)的分子運動而傳播，波動方程描述方法與電磁波類似。endprint

A = A（X）cos（ωt+ kx） （1）

A（X） = A0e-αx （2）

其中：A（X） 為振幅，A0為常數(shù)，ω為圓頻率，t為時間，X為傳播距離，k=2π/λ為波數(shù)，λ為波長，α為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系如下：

α=af2 （3）

式中：a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率?？諝庵校琣=2×10-13s2/cm，將振動的聲波頻率f=40 kHz（超聲波）代入式（3）可得：α=3.2×10-4cm-1，即1/α=31 m；若f=30 kHz，則1/α=56 m。其物理意義為：聲波在空氣媒介里傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗。在（1/α）長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的e分之一。

由此可以看出，頻率越高，衰減越大，傳播的距離也就越短。但頻率太低則不易測準(zhǔn)。在30～40 kHz范圍內(nèi)的波長為8～10 mm，可滿足測量要求。本系統(tǒng)選用信號載波頻率f=40 kHz的超聲波測距模塊HC-SR04。

HC-SR04有兩個編程控制I/O口，分別為TRIG和ECHO，編程實現(xiàn)測距的步驟為：

（1）首先TRIG口高電平觸發(fā)測距，給出≤10 μs的高電平信號；

（2）TRIG觸發(fā)后，模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；

（3）若有信號返回，則通過ECHO口輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，讀出定時計數(shù)器時間。測試距離=（高電平時間×聲速（340 m/s））/2。

單片機(jī)的信號采集與處理會出現(xiàn)延時，通過實驗測量，HC-SR04的最小探測距離為2 cm，將4 cm作為車與墻壁的報警提醒距離，則不會出現(xiàn)由于系統(tǒng)誤差導(dǎo)致報警距離失效的情況出現(xiàn)。當(dāng)車與墻壁的距離小于4 cm時，則蜂鳴器發(fā)出2 Hz報警聲，即單片機(jī)將一個2 Hz（高電平持續(xù)和間距時間為500 ms）的方波傳送給蜂鳴器的使能端，2 Hz方波通過定時器控制產(chǎn)生。

2.3 監(jiān)控圖像的處理

為了產(chǎn)生系統(tǒng)需求的CIF格式（或相近格式）圖像且圖像顏色信息質(zhì)量不低于RGB422標(biāo)準(zhǔn)，選擇OV2640作為圖像采集模塊。OV2640是OmniVision公司生產(chǎn)的一顆1/4英寸的CMOS UXGA（1 632×1 232）圖像傳感器，該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片UXGA攝像頭和影像處理器的所有功能，它利用窗縮小方式提供按任何比例縮小的UXGA圖像，這里根據(jù)顯示屏的大小，選用圖像大小為400×300、每秒15幀的圖像。圖像傳感器與STM32通過DCMI接口連接，圖像數(shù)據(jù)利用DMA方式采集到內(nèi)存中。

圖像使用高斯最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）調(diào)制方式，這種方式使信號具有低通效應(yīng)，所以設(shè)計中無需在解調(diào)之后加裝低通濾波器。系統(tǒng)本身的電器特征會產(chǎn)生高頻雜波，對圖像產(chǎn)生干擾，使400×300分辨率的圖像內(nèi)產(chǎn)生與原信號不同的噪點，需要用軟件編程方式濾除這些噪點從而矯正圖像，矯正方式如圖1所示。采用均值濾波法修正噪點的顏色信息，即把噪點周圍圖像的顏色信息相加后求均值，將該均值賦給噪點，從而達(dá)到修正圖像的目的。

2.4 紅外人體感應(yīng)報警的實現(xiàn)

自然光包含著各種頻譜的光，利用菲涅爾透鏡從自然光中取出特定區(qū)域頻譜的光，即人體的紅外光，再利用光感探頭將篩選出的光轉(zhuǎn)化成電信號并放大，最終將電信號傳入單片機(jī)內(nèi)，從而實現(xiàn)紅外人體感應(yīng)。

菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高其探測準(zhǔn)確度。當(dāng)有人從菲涅爾透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷交替，從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣使得接收到的紅外信號以強(qiáng)弱交替的脈沖形式輸入，所以只有當(dāng)帶有一定可被探測到的紅外光譜的物體或人正在運動時才能被探測到。

本系統(tǒng)選擇HR-SR501模塊實現(xiàn)紅外線人體感應(yīng)功能。HR-SR501模塊由一個菲涅爾透鏡和一個德國原裝進(jìn)口LHI778光感探頭組成，具有全自動感應(yīng)、光敏控制、高靈敏度、溫度補(bǔ)償、雙觸發(fā)方式、支持感應(yīng)封鎖時間、工作電壓范圍寬、微功耗等特點。

HR-SR501有三個端口，分別是兩個電源口和一個OUT信號口，當(dāng)單片機(jī)采集到OUT口有上升沿電平時，開啟定時器中斷并執(zhí)行中斷程序，中斷程序內(nèi)放置蜂鳴器5 Hz聲響警報的控制程序。為了區(qū)分車主和盜竊者，我們在車庫門控制程序處設(shè)置了一個狀態(tài)位OPEN，當(dāng)OPEN值為1時代表車主正在車庫內(nèi)，此時即使OUT輸出上升沿信號，也不會觸發(fā)警報，只有當(dāng)OPEN為0且OUT輸出信號后才會觸發(fā)警報。5 Hz警報同樣用定時計數(shù)器來實現(xiàn)（端口電平變化時間為200 ms）。

2.5 車庫門自動開關(guān)

為確保車庫門打開或關(guān)閉時不發(fā)生損壞，車庫的開關(guān)門必須由一個擁有精確轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)距離的電機(jī)控制，即需要一個步進(jìn)電機(jī)。為了便于研究，本項目使用小型五線四相步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48進(jìn)行模擬，該電機(jī)是一個四端控制一端公共的5V供電步進(jìn)電機(jī)，減速比為1/64，廣泛用于教學(xué)科研中。嵌入式處理器無法直接驅(qū)動這樣的高耗能器件，必須為步進(jìn)電機(jī)增加一個穩(wěn)壓且高電流的驅(qū)動器。在此選用由LN2003驅(qū)動芯片做成的驅(qū)動器，LN2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)是8個達(dá)林頓管的列陣，達(dá)林頓管由兩個三極管組成，兩個三極管串聯(lián)。第一個管子的發(fā)射極接第2個管子的基極，所以達(dá)林頓管的放大倍數(shù)是兩個三極管放大倍數(shù)的乘積，具有很高的放大倍數(shù)。集電極開路，能輸出較大的電流（集電極電位高）。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動LN2003連接到單片機(jī)的引腳有四個，分別對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的四個控制端，所以控制電機(jī)的方式也是這四個端口如何獲得電平的方式。這四個端口同時被賦值以控制方向，步進(jìn)電機(jī)的速度由端口兩種賦值間的延時時間決定。endprint

車庫的開關(guān)門設(shè)置一個OPEN狀態(tài)標(biāo)志位，同時還設(shè)置一個ORC（OPEN or CLOSE）狀態(tài)位，該狀態(tài)位的值直接取自nRF24L01無線接收數(shù)據(jù)的第1位，接收的數(shù)據(jù)來自控制板發(fā)送的字串，該字串第一位的值由是否按下開門按鈕決定。當(dāng)按下開門按鈕時，車庫控制核心辨別nRF24L01接收數(shù)據(jù)的第一位數(shù)據(jù)值，為1則開門，并將OPEN設(shè)為1；為0則關(guān)門，同時將OPEN設(shè)為0，從而實現(xiàn)自動門的控制。在開關(guān)門程序失效或無線模塊不工作的情況下，系統(tǒng)將自動打開電磁鎖的繼電器，即使控制系統(tǒng)不工作，車主仍可以使用鑰匙開關(guān)門。

2.6 遙控板

遙控板使用飛思卡爾公司的嵌入式處理器K60作為控制核心，同時，還配置了4個按鈕、1個nRF24L01無線模塊和1個LCD顯示屏。4個按鈕分別對應(yīng)OV2640攝像頭的開關(guān)、超聲波測距警告開關(guān)、紅外人體感應(yīng)報警開關(guān)、車庫門開關(guān)。

攝像頭開啟及其他功能的控制實現(xiàn)與車庫門開關(guān)所用方式相同，即控制按鈕按下后，nRF24L01隨即將發(fā)送字串的第x位置數(shù)，接收端車庫控制核心提取接收字串的第x位數(shù)值并進(jìn)行相應(yīng)控制。顯示屏為一塊4.0英寸TFTLCD屏，具有亮度好、對比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷的特點，控制核心K60通過FSMC（可變靜態(tài)存儲控制器）與其通信。

2.7 系統(tǒng)長時間工作的實現(xiàn)

在由單片機(jī)構(gòu)成的微型計算機(jī)系統(tǒng)中，由于單片機(jī)的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成程序異常而陷入死循環(huán)，導(dǎo)致程序的正常運行被打斷，由單片機(jī)控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，使系統(tǒng)陷入停滯狀態(tài)，因此要使整個車庫系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的工作，就必須用到看門狗電路。看門狗電路在啟動正常運行時系統(tǒng)不能復(fù)位，在系統(tǒng)陷入死循環(huán)的情況下強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，程序重新執(zhí)行。STM32F407單片機(jī)內(nèi)置了兩種看門狗電路，一種是獨立看門狗，另一種是窗口看門狗。獨立看門狗可使系統(tǒng)得到可靠的檢查糾錯機(jī)制，即使在CPU掉電的情況下依舊可工作，但檢錯時間周期長，精確任務(wù)中的細(xì)微錯誤并不能檢測出來；窗口看門狗和CPU同時工作，其檢錯周期可由開發(fā)人員根據(jù)實際情況任意設(shè)置，適合精確任務(wù)的判錯。智能車庫系統(tǒng)中有很多精確且高速的任務(wù)（比如超聲波測距），所以本系統(tǒng)選擇窗口看門狗進(jìn)行系統(tǒng)檢錯復(fù)位工作。

3 系統(tǒng)測試

3.1 無線通信測試

（1）圖像傳輸正常，其最大傳輸命令或圖像的速度可達(dá)1.92Mb/s。

（2）3 m內(nèi)近距離圖像無明顯失真；9.4 m內(nèi)中距離會導(dǎo)致圖像噪點增多，且部分圖像區(qū)域噪點不可抑制，經(jīng)天線進(jìn)行增益發(fā)射后，噪點可控。

（3）在450 m無建筑物阻擋長遠(yuǎn)距離測試中，圖像失穩(wěn)，但增高發(fā)射天線后，圖像可基本保持穩(wěn)定傳輸，控制指令略有延遲。

3.2 圖像顯示測試

在遙控板的圖像顯示實驗中，我們發(fā)現(xiàn)屏幕長時間顯示后會出現(xiàn)刷新緩慢且圖像拼合（上一幀和下一幀部分重合）的情況，改變刷屏方向和供電電壓特性后，上述現(xiàn)象消失。

3.3 紅外報警測試

菲涅爾透鏡廣角170°，我們將其設(shè)置在3.4 m范圍內(nèi)進(jìn)行人體探測時，可靠的探測區(qū)域面積大約為60 m2，可覆蓋探測整個車庫。但當(dāng)有火源、高溫物體時，探測結(jié)果會出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。

3.4 測距防撞報警結(jié)論

超聲波可實現(xiàn)精確測距，車與墻壁距離在4 cm范圍內(nèi)時，蜂鳴器立即報警。

3.5 開關(guān)門結(jié)論

（1）車庫門的開啟和關(guān)閉過程精確可靠，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度準(zhǔn)確勻速。

（2）在尚未完全閉合時進(jìn)行打開操作，系統(tǒng)略有延遲。

（3）將車庫主控板上的nRF24L01取下時，車庫成功自動給電磁鎖上電。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)雖然總體運行正常，但依舊存在許多問題，有待進(jìn)一步優(yōu)化。該系統(tǒng)實現(xiàn)了智能車庫的人性化和便捷化，用戶在安全性和智能化方面得到了保障，基于無線通信控制的家用智能車庫系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計取得了理想的效果。

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