基于STM32的宿舍智能防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李宇航，秦紅星，史苗紅，蔡佳宸，張墨涵

（唐山學(xué)院 河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過(guò)程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063000）

0 引 言

經(jīng)調(diào)查，國(guó)內(nèi)多數(shù)高校宿舍仍采用較為傳統(tǒng)的木門(mén)和掛鎖，樓道內(nèi)也未能覆蓋監(jiān)控系統(tǒng)，這對(duì)學(xué)生的財(cái)產(chǎn)安全來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的隱患[1]。大多數(shù)高校禁止學(xué)生在宿舍內(nèi)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行相關(guān)改造，諸如禁止更換門(mén)鎖和門(mén)窗、墻上釘釘、私拉電線等。同時(shí)學(xué)校為了方便宿管和其他管理人員在白天無(wú)人時(shí)進(jìn)行查宿，禁止使用一些諸如門(mén)塞、阻門(mén)器等器件將門(mén)鎖死。此外，部分高校還存在晚上斷電、網(wǎng)絡(luò)條件有限等問(wèn)題，安裝為家庭設(shè)計(jì)的防盜系統(tǒng)具有較大的局限性。因此需要一套簡(jiǎn)單的設(shè)備來(lái)防盜。經(jīng)調(diào)查，目前市場(chǎng)上暫無(wú)相關(guān)產(chǎn)品，本文設(shè)計(jì)可以在上述限制條件下發(fā)揮作用。

本文就上述現(xiàn)象提出一種簡(jiǎn)單的方案：使用STM32作為主控芯片，通過(guò)電容指紋識(shí)別技術(shù)對(duì)進(jìn)入人員進(jìn)行身份核驗(yàn)，輔以外接雷達(dá)模塊、干簧管模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、服務(wù)端和用戶APP，可以在夜間斷電或網(wǎng)絡(luò)條件限制的情況下，為高校宿舍提供簡(jiǎn)單的、低成本的、符合規(guī)定的宿舍防盜解決方案，以期為學(xué)生的財(cái)產(chǎn)安全提供有效的保護(hù)，對(duì)校內(nèi)治安乃至社會(huì)層面的治安都會(huì)產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)的影響。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

宿舍智能防盜系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)門(mén)狀態(tài)、監(jiān)測(cè)室內(nèi)人員狀態(tài)、指紋識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、日志記錄和上報(bào)等功能。服務(wù)端具有接收和儲(chǔ)存事件日志、上報(bào)APP通知等功能。用戶APP具有查詢?nèi)罩尽⒔邮請(qǐng)?bào)警信息等功能。

本設(shè)計(jì)的主體部分為主控制器，通過(guò)前面板按鍵，手動(dòng)設(shè)置布防或設(shè)定自動(dòng)定時(shí)布防后，設(shè)備在最后一次關(guān)門(mén)后進(jìn)入布防狀態(tài)。雷達(dá)電源開(kāi)啟，此時(shí)門(mén)若再次打開(kāi)，則語(yǔ)音提示進(jìn)入的人員刷取指紋進(jìn)行身份核驗(yàn)；核驗(yàn)成功后，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)模式，雷達(dá)電源關(guān)閉以降低輻射。如果未能根據(jù)指引進(jìn)行身份核驗(yàn)，在宿舍內(nèi)部行走，被雷達(dá)檢測(cè)到后，則會(huì)觸發(fā)報(bào)警程序，系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊，將信息上報(bào)給遠(yuǎn)程服務(wù)器，并通知手機(jī)APP，同時(shí)擴(kuò)大音量報(bào)警并警告離開(kāi)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分包含主控制板、擴(kuò)展板、24 GHz毫米波雷達(dá)模塊、干簧管模塊和指紋模塊。主控制器模塊如圖1所示。其中主控制板搭載STM32F302RBT6單片機(jī)，包含一個(gè)3.5寸LCD液晶屏、4個(gè)按鍵、外圍穩(wěn)壓電路和內(nèi)外擴(kuò)展接口電路。擴(kuò)展板包含2G模塊接口、WiFi模塊接口、語(yǔ)音模塊接口、2S鋰電池充電電路和DC-DC降壓電路。主控制板線路如圖2所示。

圖1 主控制器功能框圖

圖2 主控制板線路

2.1 指紋模塊

指紋具有相對(duì)的唯一性，即每個(gè)個(gè)體的指紋都是獨(dú)一無(wú)二的，因此通過(guò)指紋方式識(shí)別進(jìn)入人員具有較高的安全性和可靠性[2]。綜合體積、識(shí)別率、用戶體驗(yàn)等因素，本設(shè)計(jì)采用R502A電容式指紋識(shí)別模塊，其具有體積小、識(shí)別率高、協(xié)議簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，通過(guò)TTL串口和STM32進(jìn)行通信[2]。

檢測(cè)流程如下：當(dāng)手指按下指紋模塊，觸摸檢測(cè)引腳電平改變，觸發(fā)STM32外部中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中通過(guò)DMA發(fā)送采集圖像指令，此時(shí)模塊采集指紋圖像進(jìn)入自身的圖像緩沖區(qū)；如果采集成功，反饋結(jié)果到主控，主控繼續(xù)發(fā)送提取特征指令，并等待結(jié)果；若提取成功，則發(fā)送指紋搜索指令，等待最終識(shí)別結(jié)果，并生成相關(guān)事件。其流程如圖3所示。

圖3 指紋模塊識(shí)別流程

2.2 毫米波雷達(dá)模塊

本系統(tǒng)通過(guò)毫米波雷達(dá)技術(shù)，檢測(cè)人員流動(dòng)情況，具有較高的抗干擾性和準(zhǔn)確度[3]。系統(tǒng)所選用的毫米波雷達(dá)模塊HLK-LD303-24G，其發(fā)射頻率為24.000～24.250 GHz，天線視角為水平43°、垂直116°，延遲時(shí)間經(jīng)實(shí)際測(cè)試大于等于60 ms，通過(guò)TTL串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。探測(cè)距離為10～350 cm，盲區(qū)為10 cm。相比于行業(yè)內(nèi)常用的諸如人體紅外檢測(cè)模塊，其具有靈敏度高、安裝方便、體積小、功耗低、抗干擾性極強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。本系統(tǒng)充分利用其優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用在禁區(qū)檢測(cè)中。

實(shí)測(cè)中，基本延時(shí)在200 ms以內(nèi)，且可以穩(wěn)定持續(xù)地檢測(cè)到人員流動(dòng)。無(wú)誤報(bào)漏報(bào)，達(dá)到要求。同時(shí)為了保證檢測(cè)效果，模塊需要縱向安裝。安裝示意圖如圖4所示。

圖4 模塊安裝示意圖（俯視圖）

系統(tǒng)需要保證在檢測(cè)線附近的縱向盲區(qū)盡可能小且橫向盲區(qū)不干擾正常掃指紋的人員。經(jīng)計(jì)算，在檢測(cè)線上的盲區(qū)以模塊為中心分布在上下兩側(cè)、與墻呈32°夾角的范圍內(nèi)。盲區(qū)側(cè)視示意圖如圖5所示。

圖5 模塊盲區(qū)側(cè)視圖

盲區(qū)寬度計(jì)算公式如下：

故當(dāng)模塊安裝高度h=1 000 mm、房屋高度H=2 800 mm時(shí)，代入式（1）和（2）求得：地面盲區(qū)為一個(gè)高1 000 mm、寬630 mm的直角三角形，頂部為高1 800 mm、寬1 126 mm的直角三角形。在入侵人員不知情的情況下極難越過(guò)雷達(dá)監(jiān)測(cè)進(jìn)入室內(nèi)而不觸發(fā)報(bào)警裝置。當(dāng)房屋寬度D取3 000 mm時(shí)，模塊的橫向檢測(cè)區(qū)域是以模塊為頂點(diǎn)、寬2 363.46 mm，高3 000 mm的等腰三角形。其中D=1 500 mm（即門(mén)的中心線位置）時(shí)寬度為1 181.72 mm（考慮到人員進(jìn)入動(dòng)作和指紋識(shí)別動(dòng)作等）。

2.3 干簧管模塊

本系統(tǒng)使用的是單觸點(diǎn)常開(kāi)式干簧管[5]，使用兩個(gè)干簧管來(lái)檢測(cè)門(mén)的開(kāi)關(guān)，使用干簧管將3.3 V電源和MCU引腳相連，MCU內(nèi)部將引腳拉低。將干簧管端貼于門(mén)框上，磁鐵貼于門(mén)上同樣高度，安裝示意圖如圖6所示。

圖6 干簧管安裝示意圖

當(dāng)門(mén)關(guān)閉后，磁鐵和干簧管靠近，干簧管吸合，此時(shí)擴(kuò)展引腳電平為高電平，不易受到干擾。門(mén)打開(kāi)后，干簧管斷開(kāi)，等效擴(kuò)展引腳懸空，由于MCU內(nèi)部下拉的作用，此時(shí)讀取引腳狀態(tài)為低電平，合理設(shè)置中斷，進(jìn)而判斷門(mén)的狀態(tài)。

2.4 擴(kuò)展板

擴(kuò)展板主要包含三部分，即網(wǎng)絡(luò)模塊、語(yǔ)音模塊和電池管理模塊。網(wǎng)絡(luò)模塊分為2G模塊和WiFi模塊。2G模塊使用Tastek-E16，通過(guò)上位機(jī)設(shè)置IP地址、端口等信息，可以在上電后自動(dòng)連接到服務(wù)器，并拉低LINKA和LINKB引腳，同時(shí)進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ?。WiFi模塊使用ESP8266-01S模組，通過(guò)自編固件，上電后自動(dòng)連接WiFi，連接服務(wù)器[6]，IO2作為模塊的LINK引腳顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)[7]。底板同時(shí)只能插一個(gè)模塊，輸出單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)LINK引腳電平狀態(tài)，即可獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為成功連接，即可開(kāi)啟串口DMA接收定長(zhǎng)的自定義協(xié)議數(shù)據(jù)包。語(yǔ)音模塊使用的是JQ8400FL串口音頻模塊[8]，其板載D類3W功放和W25Q64 FLASH。通過(guò)USB將預(yù)定的語(yǔ)音播報(bào)內(nèi)容拷貝進(jìn)入FLASH，即可通過(guò)串口協(xié)議控制進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。設(shè)備使用2S 2 100 mAh鋰電池，可以在斷電條件下續(xù)航3 h左右，充電電路使用的是CS5086E解決方案。降壓電路使用的是TPS5430方案，可滿足設(shè)備用電要求[9]。

2.5 用戶交互界面

用戶交互界面主要包含屏幕、按鍵。屏幕選用ILI9488驅(qū)動(dòng)的3.5寸LCD液晶屏，分辨率為320×480；采用SPI總線與STM32主控進(jìn)行通信，總線時(shí)鐘頻率為10.5 MHz。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在STM32平臺(tái)主要包含系統(tǒng)狀態(tài)模塊、用戶交互模塊、日志查詢模塊、系統(tǒng)界面模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊及各個(gè)器件的底層驅(qū)動(dòng)；在服務(wù)器平臺(tái)主要包含JAVA服務(wù)端、PHP后端和APP前端。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)在啟動(dòng)后先進(jìn)行各個(gè)器件的初始化，完成后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，可以在主界面通過(guò)按鍵來(lái)控制進(jìn)入各個(gè)菜單，進(jìn)行諸如查詢?nèi)罩尽⒃O(shè)置布防狀態(tài)、查看傳感器狀態(tài)等操作。

3.1 系統(tǒng)狀態(tài)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)狀態(tài)模塊是單片機(jī)模塊部分的整體控制核心，負(fù)責(zé)防盜邏輯的實(shí)現(xiàn)，其流程如圖8所示。

圖8 防盜邏輯流程

系統(tǒng)狀態(tài)模塊會(huì)產(chǎn)生各類事件，并處理輸入的各類控制信號(hào)，輸入控制主要是由用戶交互模塊的用戶按鍵或APP內(nèi)設(shè)定定時(shí)任務(wù)產(chǎn)生。事件主要由傳感器產(chǎn)生，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)模塊感知到各類傳感器狀態(tài)發(fā)生改變，諸如報(bào)警、布防、撤防、掉電、電池電量低等，各類事件會(huì)經(jīng)過(guò)日志模塊記錄到FLASH里，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊將事件傳遞到服務(wù)器。

3.2 用戶交互模塊

用戶交互模塊主要包含按鍵信號(hào)處理和屏幕顯示驅(qū)動(dòng)。

按鍵信號(hào)處理主要是在STM32的GPIO中斷服務(wù)函數(shù)內(nèi)部，觸發(fā)自定義的事件函數(shù)，并在函數(shù)內(nèi)部設(shè)置 flag，配合1 kHz TIM中斷來(lái)達(dá)到長(zhǎng)按、短按監(jiān)聽(tīng)的效果，區(qū)分長(zhǎng)按短按等事件。

屏幕顯示驅(qū)動(dòng)主要是由若干結(jié)構(gòu)體構(gòu)成的狀態(tài)機(jī)來(lái)儲(chǔ)存界面信息，通過(guò)按鍵設(shè)置切換到不同的界面，在主循環(huán)內(nèi)不斷刷新；當(dāng)狀態(tài)機(jī)更新后，對(duì)屏幕顯示內(nèi)容進(jìn)行更新。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

主控制器和PHP服務(wù)器之間通過(guò)TCP連接進(jìn)行通信，在TCP連接成功、LINK引腳電平拉低后，使用自定義協(xié)議進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)協(xié)議見(jiàn)表1所列。

表1 自定義協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

每個(gè)宿舍有一個(gè)4位的宿舍號(hào)，MCU向服務(wù)器透?jìng)鞯卿洶T如當(dāng)宿舍號(hào)為0xABCDEFAA，則內(nèi)容為0xEE、0xA0、0x04、0xAB、0xCD、0xEF、0xAA、0xB5、0xFE。服務(wù)器收到后標(biāo)記宿舍號(hào)，向主控反饋包類型為0x11的確認(rèn)包，此時(shí)連接確認(rèn)建立。

當(dāng)系統(tǒng)事件發(fā)生時(shí)，將事件類型、時(shí)間等信息上報(bào)到服務(wù)器，由PHP服務(wù)端進(jìn)行后續(xù)處理，流程如圖9所示。

圖9 事件記錄流程

3.4 日志模塊

日志模塊的核心是一塊W25Q64的FLASH儲(chǔ)存芯片，存儲(chǔ)發(fā)生時(shí)間、事件類型、編號(hào)等，可以通過(guò)屏幕進(jìn)行查詢。

我開(kāi)始研究如何去未來(lái)。無(wú)意間，我發(fā)明了一種藥水——時(shí)光藥水。喝了這種藥水，可以穿越到三千年后的某一天，還可以在那里待上一整天。

3.5 PHP服務(wù)器

在PHP服務(wù)端，系統(tǒng)運(yùn)用PHP+MySQL技術(shù)，來(lái)完成人員信息的管理和日志信息的存儲(chǔ)。

服務(wù)端擁有一個(gè)常駐進(jìn)程，負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)客戶端TCP連接，同時(shí)配合前端HTML5+CSS+JS，使用JQuery和Bootstrap，簡(jiǎn)單地通過(guò)APP/B/S架構(gòu)[10]，實(shí)現(xiàn)了一套響應(yīng)式的APP界面，提供手機(jī)查詢、控制等功能[11]。

服務(wù)端具有完整的登錄和注冊(cè)界面，每個(gè)宿舍成員可以注冊(cè)一個(gè)自己的賬號(hào)，并綁定自己所在的宿舍號(hào)。通過(guò)Post上傳終端的事件，PHP服務(wù)端會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于需要通過(guò)APP通知反饋給用戶的，則通過(guò)CID檢索同一宿舍下所有人員的app_taken并以JSON形式返回給服務(wù)端[12]。

4 系統(tǒng)結(jié)果分析

4.1 門(mén)狀態(tài)傳感器測(cè)試

兩個(gè)傳感器安裝距離為50 cm，安裝于門(mén)的中上部。

實(shí)驗(yàn)持續(xù)9天，24 h誤報(bào)次數(shù)表示在關(guān)門(mén)狀態(tài)下連續(xù)24 h門(mén)狀態(tài)不變，受到外界干擾導(dǎo)致的誤判開(kāi)門(mén)次數(shù)。開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)監(jiān)測(cè)成功率指的是連續(xù)開(kāi)關(guān)門(mén)100次有效檢測(cè)率。干簧管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

表2 干簧管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 雷達(dá)測(cè)試

雷達(dá)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3 雷達(dá)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

最大測(cè)量距離取10次平均值2 740 mm 。觸發(fā)寬度范圍指的是以雷達(dá)為中線、距離1 200 mm處的觸發(fā)寬度范圍。檢測(cè)率指的是距離雷達(dá)1 500 mm處越過(guò)中線時(shí)雷達(dá)是否成功檢測(cè)到人。下部盲區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果指的是實(shí)驗(yàn)對(duì)象為1 800 mm且盡力蹲下貼墻走時(shí)盲區(qū)規(guī)避是否成功，試驗(yàn)次數(shù)為10次時(shí)8次成功檢測(cè)到即標(biāo)記True。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，模塊安裝距離門(mén)邊1 300 mm時(shí)誤報(bào)率降低，最佳的安裝距離為2 000 mm以上。推薦安裝高度h=1 000 mm，同時(shí)在盲區(qū)內(nèi)鋪設(shè)桌子等。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)目前高校宿舍安全的問(wèn)題，基于STM32單片機(jī)，配合外圍的傳感器，實(shí)現(xiàn)了一套切實(shí)可行的防盜報(bào)警方案，并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)際測(cè)試中，整個(gè)系統(tǒng)能達(dá)到防盜報(bào)警預(yù)期效果，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。