基于STM32與圖像復(fù)原技術(shù)的紅外報警裝置

郝真鳴，馬征，郝晉淵，張祐齊，張利娜

(1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002;2.河北大學(xué) 中央蘭開夏傳媒與創(chuàng)意學(xué)院,河北 保定 071002)

基于STM32與圖像復(fù)原技術(shù)的紅外報警裝置

郝真鳴1，馬征1，郝晉淵2，張祐齊1，張利娜1

(1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002;2.河北大學(xué) 中央蘭開夏傳媒與創(chuàng)意學(xué)院,河北 保定 071002)

設(shè)計了一種基于STM32單片機的紅外報警系統(tǒng).系統(tǒng)采用了基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器來實現(xiàn);對系統(tǒng)的工作原理、硬件組成以及圖像復(fù)原的算法進行了詳細(xì)的敘述.經(jīng)過多次實驗，證明了系統(tǒng)簡單實用，安全可靠，適用于家庭防盜、警戒等多個場合.針對圖像有運動模糊的問題，采用維納濾波的算法進行了圖像復(fù)原，通過實驗測試，證實算法可行.

STM32;紅外報警;運動模糊;維納濾波

隨著社會的不斷進步，社會對智能家居提出了更高的要求，特別是對于住宅的安全方面有了進一步的要求.目前市場上的各種防盜報警產(chǎn)品種類繁多，但就其特點而言，大多數(shù)報警產(chǎn)品只能做到聲光報警或?qū)τ谥魅诉M行語音短信提示，不能采集非法入侵者的圖像信息，或者拍攝下來的入侵者的圖像模糊不清，不能從中得到太多有用的信息[1-3].針對上述報警產(chǎn)品的局限性，本文給出了一種基于Cortex-M3內(nèi)核的單片機STM32和紅外檢測技術(shù)的新型圖像報警系統(tǒng)(precision infrared radiometer,PIR).該系統(tǒng)不僅可以檢測到入侵者并進行報警，同時對于事先綁定的手機號進行短信語音提示，而且能夠捕捉到入侵者的圖像信息[1]，且對運動模糊的圖像進行了算法處理，價格相對比較便宜，能夠滿足市場對于此類產(chǎn)品的需求.

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用了被動式的熱釋電人體紅外傳感器模塊，只要有人進入相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，傳感器將會探測到人體產(chǎn)生的紅外輻射能量，傳感器模塊就將接收到的信號通過輸出高電平的方式反饋給單片機，單片機接收到傳感器輸出的高電平之后，就會觸發(fā)中斷，在中斷程序中，單片機會驅(qū)動聲光裝置發(fā)出警笛聲和光照，并同時驅(qū)動GSM模組打電話給主人，播放事先錄制好的警示語，提示主人發(fā)生異常情況;在撥打電話的同時，將事先編寫好的警示短信發(fā)送到系統(tǒng)綁定的號碼，最后將GSM模組獲取到的侵入者的圖像信息發(fā)送到中心服務(wù)器上，以便于主人可以隨時隨地查看侵入者的圖像信息，主人只要登錄建立好的服務(wù)器地址，就可以看到GSM模組上的攝像頭拍攝下來的侵入者的圖像.

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

2 硬件設(shè)計

本設(shè)計中下位機使用STM32系列的STM32F103ZET6單片機芯片，其是由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導(dǎo)體合并而成的意法半導(dǎo)體集團推出的超低功耗微控制器，具有運行速度較快和支持位數(shù)較多的內(nèi)核Cortex-M3，而且包含較多的片上外設(shè).熱釋電人體紅外傳感器采用的是深圳市趣味電子科技有限公司生產(chǎn)的人體感應(yīng)模塊pm-4.GSM模組采用的是深圳市安信可科技有限公司生產(chǎn)的A6C模塊，相應(yīng)的應(yīng)用程序是Keil環(huán)境下C語言開發(fā).

2.1 PIR的工作原理

熱釋電紅外傳感器是一種新型的高靈敏度的通過非接觸形式檢測人體發(fā)射的特定波長的紅外線的人體探測元件，它可以將人體紅外能量的幅度變化轉(zhuǎn)化為電壓變化.人體感應(yīng)模塊上安裝有光學(xué)元件菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡鏡頭表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，依據(jù)這種獨特的結(jié)構(gòu)，菲涅爾透鏡可以使傳感器接收到的信號以強弱交替變化的脈沖形式輸入，通過這種形式增強能量幅度，提高傳感器的靈敏度，增加傳感器的探測距離[2].系統(tǒng)在工作中傳感器全部依靠吸收獲取外部的紅外線能量進行探測.另外本系統(tǒng)的使用需要注意以下幾點：

1)系統(tǒng)的工作電壓是3～15 V.

2)系統(tǒng)應(yīng)安裝在視野不受遮擋的墻壁上，大致與人的頭胸等高.

3)監(jiān)測視野中不能有暖氣片等溫度快速變化物體，以免誤報.

4)當(dāng)系統(tǒng)用于照度較低環(huán)境時，GSM模塊上的攝像頭應(yīng)配置成閃光燈模式.

2.2 電路設(shè)計

圖2所示為系統(tǒng)的部分原理圖，熱釋電人體紅外傳感器模塊的輸出級引腳接入單片機的PB2引腳，GSM模塊的串口接收引腳接入單片機的串口發(fā)送引腳PA9，GSM模塊的串口發(fā)送引腳接入單片機的串口接收引腳PA10，單片機的中斷方式選擇為上升沿中斷，無異常情況時，紅外傳感器模塊輸出低電平信號，當(dāng)傳感器探測到感應(yīng)范圍內(nèi)產(chǎn)生人體輻射的紅外線，輸出級引腳的工作狀態(tài)由低電平轉(zhuǎn)化為高電平，單片機的PB2引腳接收到高電平時，觸發(fā)中斷，單片機開始工作.首先，單片機利用LED和蜂鳴器進行聲光報警用于恐嚇進入感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的非法入侵者并且指示當(dāng)前的工作狀態(tài);然后，單片機向GSM模塊發(fā)送一系列相應(yīng)的AT指令，GSM模塊接收到單片機發(fā)送的AT指令后，發(fā)送事先編寫好的報警短信“SOS報警”給事先綁定好的手機號碼，在發(fā)送短信的同時，對該號碼打電話進行報警提示[3].同時，GSM模塊啟動對應(yīng)的攝像頭，將紅外傳感器探測范圍內(nèi)的區(qū)域拍攝照片，然后將拍攝下來的圖片信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到管理中心服務(wù)器.

圖2 系統(tǒng)部分原理Fig.2 System part schematic

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用C語言編程.軟件采用利于修改和調(diào)試的模塊化設(shè)計方法，程序主要分為主程序、中斷服務(wù)程序和串口程序3部分.主程序首先對各個數(shù)據(jù)寄存器和外圍電路進行初始化，中斷服務(wù)程序中處理LED和蜂鳴器聲光報警電路，串口程序中處理GSM模塊的相應(yīng)電路.圖3為系統(tǒng)的程序流程.

圖3 系統(tǒng)流程Fig.3 Flow chart of system program

4 去運動模糊的基本算法

在圖像采集的過程中，因被拍攝物與照相機之間的相對運動而造成的圖像出現(xiàn)模糊不清的現(xiàn)象叫做運動模糊.運動模糊會造成圖像幾何畸變，也被叫做圖像退化，引起圖像質(zhì)量下降，在低照度的情況下這種現(xiàn)象尤為明顯，改善這種幾何畸變的過程叫做圖像復(fù)原[4].圖像復(fù)原是針對圖像退化的相反過程去復(fù)原原始的圖像，使退化圖像無限接近于原圖像.復(fù)原技術(shù)的過程很大程度上是一個客觀的過程，即需要知道引起圖像變劣現(xiàn)象的某種先驗知識來復(fù)原退化的圖像.現(xiàn)在的一些復(fù)原技術(shù)在空間域和頻域上都得到了很好的應(yīng)用，對于某些場合來說，復(fù)原技術(shù)已經(jīng)被很好的公式化了，而對于另一些場合來說，復(fù)原技術(shù)可能更好地應(yīng)用于頻域.針對人體快速移動時，GSM模塊上的攝像頭所攝取的圖像出現(xiàn)運動模糊這一問題，本系統(tǒng)采用了維納濾波算法實現(xiàn)圖像的恢復(fù).

4.1 圖像降質(zhì)模型

進行圖像復(fù)原之前要先將圖像退化的過程模型化,如圖4所示,并根據(jù)此模型采取相反的過程以求得清晰的圖像.變劣圖像k(x,y)可以看做由原始圖像p(x,y)經(jīng)過一個退化函數(shù)Q的作用再加上噪聲等加性噪聲a(x,y).這個數(shù)學(xué)模型[5]是進行圖像復(fù)原的基礎(chǔ).

圖4 圖像退化模型Fig.4 Image deterioration model

圖像降質(zhì)模型可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式寫成如下的形式：

k(x,y)=p(x,y)*q(x,y)+a(x,y),

(1)

其中，“*”表示空間卷積，q(x,y)表示所有的退化因子，對于頻域下的退化模型，由于空間域上的卷積等同于頻域上的乘積，因此可以把降質(zhì)模型用下面的頻域表達(dá)式表示：

K(u,v)=Q(u,v)P(u,v)+A(u,v),

(2)

式中，K(u,v)、Q(u,v)、P(u,v)、A(u,v)分別是k(x,y)、q(x,y)、p(x,y)、a(x,y)的傅里葉變換.

模糊圖像可看作是由人體在x方向上作均勻直線運動造成的，則模糊后圖像任意點的值為

(3)

(4)

Q(u,v)是退化模型的傅里葉變換.

4.2 維納濾波復(fù)原方法

維納濾波是Wiener在1942年第1次提出的概念，也被叫做最小二乘方誤差濾波.維納濾波方法建立在認(rèn)為圖像和噪聲是隨機過程的基礎(chǔ)上，找到一個原始圖像的估計值，使它們均方誤差的期望最小[6].誤差度量由下式給出：

(5)

E{}是數(shù)學(xué)期望算子.假定：噪聲和圖像不相關(guān)；其中一個有零均值；估計的灰度級是污染圖像灰度級的線性函數(shù).上式在頻域可表示為

(6)

其中，Q(u,v)表示退化函數(shù)；Q*(u,v)表示Q(u,v)的復(fù)共軛；Sn(u,v)=|A(u,v)|2表示噪聲的功率譜；Sf(u,v)=|K(u,v)|2表示原始圖像的功率譜；比率Sn(u,v)/Sf(u,v)稱為躁信功率比.若u和v取任意值，Sn(u,v)都為零，那么躁信功率比就為零.此時維納濾波退化為逆濾波.

當(dāng)處理白噪聲時，噪聲功率譜Sn(u,v)是一個常數(shù)，大大簡化了處理過程.但是，未退化圖像的功率譜Sf(u,v)很少是已知的，當(dāng)這些值未知或不能估計時[7]，經(jīng)常使用的方法是用下面的表達(dá)式近似:

(7)

其中，C代表一個特殊常數(shù).

4.3 仿真實驗研究

為了驗證算法的有效性，在Matlab軟件下進行了圖像復(fù)原的實驗.圖5為在紅外傳感器探測區(qū)域內(nèi)GSM模塊攝像頭所拍攝的非法入侵者的運動模糊圖像，圖6為經(jīng)過維納濾波方法還原的圖像.從圖像可以看出經(jīng)過復(fù)原后圖像質(zhì)量有了很大的改善，基本上能夠獲取圖像上的重要信息.

圖5 運動模糊圖Fig.5 Motion blurred image

圖6 經(jīng)過維納濾波處理過的圖像Fig.6 Image processed by Wiener filtering

5 結(jié)語

在實驗室的測試環(huán)境下，模擬入侵系統(tǒng)監(jiān)測的區(qū)域，系統(tǒng)實時報警并將拍攝的非法入侵者的圖像上傳至服務(wù)器，在登錄服務(wù)器地址后查看到了圖像，并在Matlab軟件平臺上用維納濾波算法對模糊的圖像進行了圖像復(fù)原處理.經(jīng)過多次實驗，基于STM32的紅外報警系統(tǒng)工作穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，為智能家居的防盜領(lǐng)域提供了一種可靠的方案,對于家庭檢測報警領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值[8].同時，本文從運動模糊產(chǎn)生的原因出發(fā)，建立了圖像降質(zhì)模型，清晰直觀地給出了圖像退化的機理，介紹了圖像復(fù)原的原理和具體實現(xiàn)的過程，解決了由于攝像頭與被拍攝物的相對運動產(chǎn)生圖像失真的問題，使退化的圖像得到最大程度的復(fù)原.

[1] 王建國,李宇宏,王北鎮(zhèn).無線網(wǎng)技術(shù)的區(qū)域家庭防盜報警系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010,10(3):12-15.DOI:10.3969/j.issn.1009-623X.2010.03.003.

WANG J G，LI Y H，WANG B Z.Domestic anti-theft alarm system based on wireless sensor network[J].Microcontrollers & Embedded Systems，2010，10(3): 12-15. DOI:10.3969/j.issn.1009-623X.2010.03.003.

[2] 崔永俊,賈磊,王希鵬,等.一種熱釋電紅外探測器的單目設(shè)計[J].自動化儀表,2016,37(4):97-99.DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604023.

CUI Y J，JIA L，WANG X P，et al.Design of the monocular pyroelectric infrared detector[J].Process Automation Instrumentation，2016，37(4): 97-99.DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604023.

[3] 陳玉敏,謝瑋,孟憲民,等.智能無線防盜報警系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2016,24(1):240-242.DOI:10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.066.

CHEN Y M，XIE W，MENG X M，et al.Design of intelligent wireless burglar alarm system[J].Computer Measurement & Control，2016，24(1): 240-242.DOI:10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.066.

[4] 崇元,徐曉剛.單幅圖像去運動模糊的新方法[J].計算機工程與設(shè)計,2012,33(11):4305-4308.DOI:10.3969/j.issn.1000-7024.2012.11.053.

CHONG Y，XU X G.New method of motion deblurring from a single imag[J].Computer Engineering and Design，2012，33(11): 4305-4308.DOI:10.3969/j.issn.1000-7024.2012.11.053.

[5] 金飛,張彬,司璇,等.基于維納濾波的圖像復(fù)原[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,18(4):19-23.DOI:10.3969/j.issn.1673-4793.2011.04.004.

JIN F，ZHANG B，SI X，et al.Image restoration based on wiener filtering[J].Journal of Communication University of China Science and Technology，2011，18(4): 19-23.DOI:10.3969/j.issn.1673-4793.2011.04.004.

[6] 阮秋琦.數(shù)字圖像處理學(xué)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:312-320.

[7] 景曉軍,周賢偉,付婭麗.圖像處理技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005:121-152.

[8] 張會敏,謝澤奇,張云龍.紅外圖像報警系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2011,19(2):432-435.

ZHANG H M，XIE Z Q，ZHANG Y L.Research and implementation of infrared image alarm system[J].Computer Measurement & Control ，2011，19(2): 432-435.

BasedonSTM32infraredalarmdeviceandimagerepairtechnology

HAOZhenming1,MAZheng1,HAOJinyuan2,ZHANGYouqi1,ZHANGLina1

(1.College of Electronic Informational Engineering，Hebei University，Baoding 071002，China; 2.HBU/UCLAN School of Media，Communication and Creative Industries，Baoding 071002，China)

The design of an infrared alarm system based on STM32 single chip microcontroller was introduced.Working principle，hardware composition of system and carried on the detailed narration of image restoration algorithm.After many experiments，proved that the system is simple and practical，safe and reliable，suitable for family security，alert，and many other occasions.In view of the image motion blur problem，the wiener filtering algorithm is used for image restoration，through the experiment testing，confirmed that the algorithm is feasible.

STM32;infrared alarm;motion blur;Wiener filtering

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.06.015

2017-04-02

教育部中西部高校綜合實力提升計劃項目

郝真鳴(1964—)，男，山西壽陽人，河北大學(xué)正高級工程師，主要從事自動化控制、檢測技術(shù)等研究.

E-mail:hbdxhzm@163.com

TN919

A

1000-1565(2017)06-0667-06

王蘭英)