一種基于高精度微慣性傳感器的防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐陶祎，郝東，肖城逸

（武漢科技大學(xué)城市學(xué)院，武漢 430083）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，流動(dòng)人口迅速增加，治安問(wèn)題也變得日漸突出，家庭防盜早已成為社會(huì)熱議的話題。然而目前中國(guó)眾多家庭的安防還是主要依靠防盜門窗，這種安防設(shè)施不僅有礙美觀，并且在實(shí)際使用過(guò)程中暴露出諸如：容易遭到破壞、火災(zāi)時(shí)不易逃生，功能單一，安防效果差等多種問(wèn)題?，F(xiàn)在市面上銷售的電子式防盜器，多為觸摸式、門磁式、紅外式、光電對(duì)射，接收或折射式。這幾類防盜產(chǎn)品大多價(jià)格昂貴、安裝不便并易產(chǎn)生干擾誤報(bào)漏報(bào)，人們迫切需要一種智能型經(jīng)濟(jì)實(shí)用的家用防盜裝置。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)一款基于高精度陀螺儀MPU6050的小型家用遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)安防裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶安裝、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)自帶電源，外觀小巧輕薄，便于攜帶且易于拆裝。根據(jù)使用者需求，可將該設(shè)備安裝在防盜門、保險(xiǎn)箱、臥室門窗甚至抽屜書柜等需要保護(hù)監(jiān)控的地方，一旦檢測(cè)非合法用戶入侵，便可立即向主人發(fā)送信息預(yù)警。

1.1外觀結(jié)構(gòu)

防盜報(bào)警器的外觀與傳統(tǒng)報(bào)警器單一的方形結(jié)構(gòu)不同，其設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于鉆石，采用風(fēng)箏面切割造型提升外形美感，增加用戶體驗(yàn)欲望。如圖1所示。

圖1 報(bào)警器外觀結(jié)構(gòu)

報(bào)警器內(nèi)置控制器和獨(dú)立電源用分層結(jié)構(gòu)放置，大大減少產(chǎn)品的外形尺寸，便于用戶攜帶，跟換固定位置。整個(gè)裝置采用一體化結(jié)構(gòu)，控制、電源、網(wǎng)絡(luò)、攝像頭機(jī)械結(jié)合，攝像頭與報(bào)警器本身的結(jié)合巧妙采用了易于用戶調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)拉伸結(jié)構(gòu)。

1.2控制結(jié)構(gòu)

該報(bào)警系統(tǒng)由主控制器MSP430、高精度微慣性傳感器MPU6050、獨(dú)立電源、互聯(lián)網(wǎng)短信息發(fā)送模塊“便攜式防盜報(bào)警裝置”的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由MPU6050檢測(cè)部分、攝像頭拍攝部分。由中央控制器統(tǒng)一管理，通過(guò)網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)為用戶實(shí)現(xiàn)財(cái)產(chǎn)和安全等方面的防盜報(bào)警。

將報(bào)警器安裝到開(kāi)關(guān)門上時(shí)，具體工作情景如下：當(dāng)盜賊使用工具將門撬開(kāi)之后，門打開(kāi)并產(chǎn)生一定的加速度，MPU6050檢測(cè)到加速度有大幅度變化之后，可繼而驅(qū)動(dòng)程序使攝像頭打開(kāi)，開(kāi)啟智慧自動(dòng)拍攝，然后將拍攝后的照片通過(guò)SMTP協(xié)議發(fā)送到主人郵箱，主人看到之后可遠(yuǎn)程通過(guò)訪問(wèn)IP地址，驅(qū)動(dòng)程序打開(kāi)攝像頭，觀察房間內(nèi)的狀況，若確認(rèn)為盜竊情況，則可決定防盜報(bào)警過(guò)程完成。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1主控芯片

主控芯片為高性能16位單片機(jī)MSP430G2553，使用20引腳的TSSOP封裝。內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，工作電壓范圍為1.8～3.6V。主控電路如圖2所示，采用3.3V電壓供電，擁有UART、I2C接口、下載調(diào)試端口及上電復(fù)位端口。

圖2 MSP430G2553電路接線圖

2.2傳感單元結(jié)構(gòu)

MPU6050傳感器是全球首例六軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器芯片，它集成有三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可供擴(kuò)展的數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)處理器DMP，并且該傳感器的輸出為數(shù)字量，可直接傳送到主控單元中處理。利用MPU6050傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警器所安裝對(duì)象的三軸加速度或角度的變化，它和STM32單片機(jī)之間的通信采用400KHz的I2C接口，將MSP430G2553和MPU6050的SDA和SCL引腳對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)傳感器和微處理器通信。

2.3無(wú)線單元結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用WSN-1101無(wú)線數(shù)據(jù)傳送模塊，是一款高穩(wěn)定、低功耗的無(wú)線微功率數(shù)據(jù)手法模塊，應(yīng)用于水電自動(dòng)抄表系統(tǒng)、燈光智能控制以及智能家居管理等方面。該模塊具有尺寸小、靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)、可內(nèi)部自動(dòng)完成通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)控制等特點(diǎn)。WSN-1101無(wú)線模塊工作電壓為3～5.5V，工作頻段為433MHz，通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換及射頻收發(fā)切換自動(dòng)完成，可通過(guò)串口用戶可以對(duì)串口關(guān)聯(lián)、發(fā)射功率和工作信道進(jìn)行控制。

圖3 MPU6050接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分是在與MSP430系列芯片開(kāi)發(fā)配套的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS上完成的，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)加速度變化、拍照、發(fā)送郵件等功能，最終完成自動(dòng)化防盜報(bào)警的全部過(guò)程。

該系統(tǒng)主要功能是控制處理器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集和讀取操作主要過(guò)程為微控制器的初始化配置，無(wú)線模塊初始化配置，微慣性傳感器初始化配置，配置過(guò)程結(jié)束后的數(shù)據(jù)采集和郵件發(fā)送?？煞譃镸CU控制程序和無(wú)線模塊兩大部分，軟件流程如圖4所示。將采集的數(shù)字信號(hào)通過(guò)閾值判定得到被保護(hù)對(duì)象出入侵入還是安全狀態(tài)，MSP430G2553將針對(duì)被保護(hù)對(duì)象入侵的現(xiàn)象，向主人郵箱發(fā)送拍攝照片，等待主人確認(rèn)，若確認(rèn)險(xiǎn)情則打開(kāi)系統(tǒng)中另一組隱蔽攝像頭查看被保護(hù)對(duì)象情況。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種便攜式式防盜報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MSP430G2553為主處理器，接收來(lái)自MPU6050傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析判斷，并提出一種有效的檢測(cè)算法。該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了有效的檢測(cè)報(bào)警裝置，藍(lán)牙4.0模塊向匹配的Android手機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，手機(jī)打開(kāi)GPS，將所拍攝的照片信息通過(guò)郵件形式向預(yù)設(shè)的郵箱發(fā)送報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該設(shè)備安裝方便，對(duì)于非法闖入事件的判斷具有較高的準(zhǔn)確性，能第一時(shí)間報(bào)告給主人。