基于Arduino DUE的防跟蹤遇襲報(bào)警系統(tǒng)

蘇 琳， 馬子杰， 方穎宏

(重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400044)

基于Arduino DUE的防跟蹤遇襲報(bào)警系統(tǒng)

蘇 琳， 馬子杰， 方穎宏

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶400044)

介紹了一種集被動(dòng)式與主動(dòng)式于一體的防跟蹤遇襲報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跟蹤、遇襲監(jiān)測(cè)，鳴笛警告以及發(fā)送定位報(bào)警信息等功能。系統(tǒng)以Arduino DUE作為微處理控制系統(tǒng)，熱釋電紅外傳感器作為前端傳感單元，全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)/通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)(GSM/GPRS)模塊作為定位和通信模塊。介紹了總體方案設(shè)計(jì)，同時(shí)闡述了系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件算法，給出了測(cè)試結(jié)果。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)：系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，同時(shí)具備攜帶方便的特點(diǎn)。

被動(dòng)式與主動(dòng)式報(bào)警器； 熱釋電紅外傳感器； 全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊； 全球移動(dòng)通信系統(tǒng)/通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)模塊

0 引 言

針對(duì)女性失聯(lián)遇害案件的預(yù)防，市場(chǎng)上主動(dòng)式報(bào)警器已不足夠滿足廣大客戶的需求，正迫切需求集被動(dòng)式與主動(dòng)式于一體的防跟蹤遇襲報(bào)警系統(tǒng)[1～4]。同時(shí)研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上的家居安防報(bào)警系統(tǒng)具有誤報(bào)率漏報(bào)率較高、可靠性差、且形式單一，安裝固定等缺點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種專為女性單獨(dú)行走夜路，防跟蹤遇襲的報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式與被動(dòng)式兩種監(jiān)測(cè)模式同時(shí)工作，主動(dòng)式監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5m范圍以內(nèi)環(huán)境情況，以鳴笛報(bào)警聲與振動(dòng)提醒使用者，并決定是否報(bào)警；被動(dòng)式監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)50cm范圍以內(nèi)環(huán)境情況，接收全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)或通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)返回定位信息，及時(shí)發(fā)送報(bào)警定位信息。本文基于熱釋電紅外傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)了以Arduino DUE為微處理器的防跟蹤遇襲報(bào)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

防跟蹤遇襲報(bào)警器以非接觸形式監(jiān)測(cè)人體，并實(shí)施聯(lián)網(wǎng)報(bào)警的設(shè)備，主要由監(jiān)測(cè)單元、通信單元、電源驅(qū)動(dòng)單元幾部分組成，各部分的協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)傳輸由主微控制器Arduino DUE完成。在接收工作指令后，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)使用者身后被檢測(cè)范圍內(nèi)有無(wú)人體以及使用者(擁有主動(dòng)意識(shí))是否報(bào)警，并可對(duì)被監(jiān)測(cè)人體與使用者的距離進(jìn)行自動(dòng)遠(yuǎn)近判斷。監(jiān)測(cè)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)獲取定位信息與時(shí)間信息，將其打包存儲(chǔ)，自動(dòng)判斷是否執(zhí)行報(bào)警指令，并自動(dòng)復(fù)位。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為：主動(dòng)式和被動(dòng)式監(jiān)測(cè)分別選用不同性能指標(biāo)的紅外線熱釋電傳感器，以滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求。采用傳感器HC—SR501作為主動(dòng)式監(jiān)測(cè)傳感器，采用型號(hào)為PM—2的低靈敏度檔微型人體紅外感應(yīng)傳感器模塊作為被動(dòng)式監(jiān)測(cè)傳感器。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

防跟蹤遇襲報(bào)警系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)單元、報(bào)警單元、電源驅(qū)動(dòng)單元幾部分組成，各部分的協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)傳輸由主微控制器Arduino DUE完成。以Arduino DUE為微控制器核心，以Arduino IDE為軟件開發(fā)環(huán)境。分別預(yù)設(shè)傳感器報(bào)警條件，通過(guò)數(shù)字串口連接實(shí)現(xiàn)主控芯片與傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以控制報(bào)警單元振動(dòng)鳴笛部分的啟動(dòng)；通過(guò)TTL串口實(shí)現(xiàn)主控芯片與GSM/GPS之間的數(shù)據(jù)和指令傳輸；最后通過(guò)數(shù)字接口連接實(shí)現(xiàn)主控芯片與報(bào)警單元之間的數(shù)據(jù)和指令傳輸，實(shí)現(xiàn)以經(jīng)緯度、時(shí)間為內(nèi)容的報(bào)警短信發(fā)送。同時(shí)，報(bào)警取消開關(guān)設(shè)定在傳感器滿足報(bào)警條件之后，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能之前，以實(shí)現(xiàn)發(fā)生誤報(bào)時(shí)可及時(shí)取消報(bào)警的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.1.1監(jiān)測(cè)單元

監(jiān)測(cè)單元由2只HC—SR501、微型人體感應(yīng)模塊PIR(PM—2)組成。人體紅外傳感器不需要紅外線或電磁波等發(fā)射源；靈敏度高，控制范圍大；隱蔽性好，可流動(dòng)安裝等優(yōu)點(diǎn)，其紅外探頭依靠探測(cè)人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的[5]，增加菲涅耳透鏡，使熱釋電人體紅外傳感器(PIR)靈敏度大大增加，監(jiān)測(cè)角度達(dá)100°。為了實(shí)現(xiàn)180°大范圍遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，采用2只HC—SR501。監(jiān)測(cè)需實(shí)現(xiàn)HC—SR501主動(dòng)式監(jiān)測(cè)以及PM—2被動(dòng)式監(jiān)測(cè)2種方式，因此，設(shè)計(jì)邏輯電路以對(duì)目標(biāo)有無(wú)以及遠(yuǎn)近進(jìn)行判斷，真值表如表1。

表1 監(jiān)測(cè)單元真值表

輸出端口TF_flag,D_flag分別為目標(biāo)有無(wú)及遠(yuǎn)近的判斷標(biāo)志位，統(tǒng)一使用數(shù)字接口連接與單片機(jī)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用浮空輸入(高阻抗輸入)模式，電路如圖2。當(dāng)HC—SR501與PM—2同時(shí)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)時(shí)，判斷為被動(dòng)式監(jiān)測(cè)，滿足條件，實(shí)施短信報(bào)警；當(dāng)二者均未監(jiān)測(cè)到目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，重新監(jiān)測(cè)。

圖2 監(jiān)測(cè)單元電路

PM—2靜態(tài)功耗小，體積小巧，易于安裝。因原靈敏度較高，達(dá)1 m，不符合系統(tǒng)需求，需通過(guò)調(diào)節(jié)模塊上分壓阻值使輸出靈敏度最低，實(shí)現(xiàn)50 cm范圍以內(nèi)監(jiān)測(cè)。當(dāng)Usens=0.15 V時(shí)檢測(cè)靈敏度最低，監(jiān)測(cè)范圍為50 cm。依照電阻分壓公式

(1)

式中R1,R2為靈敏度調(diào)節(jié)電阻，可適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)電阻的阻值，實(shí)現(xiàn)靈敏度調(diào)節(jié)。圖3為調(diào)節(jié)示意圖。

圖3 PM—2調(diào)節(jié)

1.1.2 電源驅(qū)動(dòng)單元

根據(jù)系統(tǒng)的供電需求，需要3.3 V供給單片機(jī)Arduino DUE和5.0 V供給其他單元模塊，且保持供電穩(wěn)定，多負(fù)載穩(wěn)壓芯片總輸出功率大于各個(gè)負(fù)載總功率。電源模塊如圖4所示，采用7.5 V直流供電，通過(guò)2個(gè)帶集成延時(shí)復(fù)位功能的低壓差穩(wěn)壓器：TPS7333(3.3 V)和TPS7350(5.0 V)，分別控制輸出3.3 V和5.0 V電壓?？傠妷洪_關(guān)及各輸出電壓開關(guān)分別串聯(lián)一個(gè)LED小燈以監(jiān)控其工作情況。輸出端引出一個(gè)3.3 V和一個(gè)5.0 V以備使用。

圖4 電源模塊原理

TPS7350總功率計(jì)算

PTotal=(Vi-Vo)×Io+Vi×Istatic

(2)

GSM工作功率計(jì)算

PGSM=VGSM×IGSM

(3)

GPS功率計(jì)算

PGPS=VGPS×IGPS

(4)

紅外線傳感器工作電流極低，因此，功耗可以忽略。

負(fù)載總功率滿足

PGPS+PGSM

(5)

則驅(qū)動(dòng)電路輸出功率滿足負(fù)載要求。

1.1.3 報(bào)警單元

SIM900A與U—BLOX NEO—6M GPS配套工作，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)百度API IP定位[6]與室外GPS定位雙定位模式與短信報(bào)警功能，保證系統(tǒng)高可靠性，減少漏洞。SIM900A與U—BLOX NEO—6M GPS統(tǒng)一使用TTL電平的串行協(xié)議與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)實(shí)時(shí)接收通信模塊傳回的定位信息，并打包存儲(chǔ)，在滿足條件下，通過(guò)SIM900A向外界發(fā)送報(bào)警信息，保證報(bào)警的可靠性，信息的準(zhǔn)確性。1027手機(jī)震動(dòng)馬達(dá)與有源蜂鳴器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及時(shí)提醒使用者的預(yù)防性與引起周圍群眾注意的警示性。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)[7]。全部軟件由初始化程序、主程序、信息采集子程序、報(bào)警程序、振動(dòng)器與蜂鳴器控制程序組成。主程序是控制和管理的核心。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化和中斷處理操作。初始化主要完成對(duì)各通信串口的配置及波特率等參數(shù)的設(shè)定和初次檢查，同時(shí)斷開各模塊的電源。初始化完成后，系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行人體監(jiān)測(cè)和報(bào)警等操作，主程序流程如圖5所示。

為降低報(bào)警系統(tǒng)的漏判率與誤判率，監(jiān)測(cè)單元采用周期監(jiān)測(cè)法。系統(tǒng)通過(guò)在5 min監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，判斷監(jiān)測(cè)條件滿足的時(shí)間是否達(dá)到3 min，從而提高監(jiān)測(cè)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤者時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的跟蹤方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，降低漏判率。

為了保證定位信息準(zhǔn)確，對(duì)雙定位方式設(shè)置優(yōu)先級(jí)。當(dāng)GPS定位方式可用，而且獲取了定位結(jié)果時(shí)，不再發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，直接返回給單片機(jī)定位信息。如果GPS不可用，再發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，進(jìn)行百度API IP定位。在百度API IP定位中，采用字符串匹配算法獲取定位經(jīng)緯度信息[8，9]，并調(diào)用谷歌IP獲取地址路徑并實(shí)行位置校正，再次對(duì)返回JSON格式的信息進(jìn)行字符串匹配獲取實(shí)際地址。

圖5 軟件流程

2 結(jié) 論

實(shí)踐表明：防遇襲跟蹤報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求：實(shí)現(xiàn)5 m以內(nèi)周期性監(jiān)測(cè)，降低誤報(bào)率；50 cm以內(nèi)監(jiān)測(cè)，保證無(wú)意識(shí)時(shí)保護(hù)；實(shí)現(xiàn)手動(dòng)報(bào)警功能，達(dá)到自衛(wèi)目的；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用者身后危險(xiǎn)情況，提高使用者夜行安全。該系統(tǒng)所采用的模塊均高度集成化，又具有一定的通用性，可以作為日常防護(hù)報(bào)警器使用。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，攜帶方便，運(yùn)行良好。

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AntitrackingattackwarningsystembasedonArduinoDUE

SU Lin, MA Zi-jie, FANG Ying-hong

(SchoolofOptoElectronicEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

A kind of passive and active anti-tracking attack alarm system is described to achieve monitoring whether someone are tracking or attacking,issue a whistle warning and send positioning alarm information and other functions.The system uses Arduino DUE as microprocessor control system,pyroelectric infrared sensor as front sensing unit,GPS module and GSM / GPRS module as positioning and communication module.Overall design of program is introduced,and design of system module is expatiated,which includes hardware design and software algorithm,and test results is given.After several experiments,the system is responsive,it has strong anti-interference ability,safe and reliable,at the same time,it is easy to carry.

passive and active alarm; pyroelectric infrared sensor; GPS module; GSM/GPRS module

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0105—03

2016—09—06

TP 391

B

1000—9787(2017)10—0105—03

蘇 琳(1994-)，女，本科，專業(yè)方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器。