基于STM32的GPRS無線通訊新型智能安防儀的研究與開發(fā)

戴圣偉，王林，張婷

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

基于STM32的GPRS無線通訊新型智能安防儀的研究與開發(fā)

戴圣偉，王林，張婷

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

針對目前家居安防設(shè)備存在的實(shí)時性差、遠(yuǎn)程控制不理想等缺點(diǎn)，提出了在高性能處理器STM32中嵌入GPRS網(wǎng)絡(luò)功能的新型無線遠(yuǎn)程安防控制模型，該模型借助無線通訊網(wǎng)絡(luò)、高效煙霧傳感采集技術(shù)，以數(shù)據(jù)流形式實(shí)時地實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控；通過煙霧傳感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了家用設(shè)備的實(shí)時控制。實(shí)物模型運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。

GPRS；STM32；遠(yuǎn)程監(jiān)控；煙霧傳感器

0 引言

隨著人們生活水平的提高，科技的不斷進(jìn)步，及自身財產(chǎn)安全意識的加強(qiáng)，使人們對報警系統(tǒng)的需求日益擴(kuò)大。現(xiàn)在，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的無線化并不成熟，主流還是有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。無線視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展成熟以后，相對于有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)不受線纜的限制，具有靈活的擴(kuò)展性、增加位置不確定性、高移動性、高效維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，無線化將是未來視頻監(jiān)控的方向[1]。在使用STM32/GPRS智能控制技術(shù)之前，常用的無線視頻監(jiān)控方案有基于Zigbee技術(shù)的無線安防系統(tǒng)、基于GPS/GSM無線技術(shù)的安防系統(tǒng)。但基于Zigbee技術(shù)的系統(tǒng)，存在速率低、傳播距離受限制、成本高等缺點(diǎn)；而基于GPS/GSM無線技術(shù)的系統(tǒng)，成本過高，且因其覆蓋范圍相當(dāng)廣，難免存在信號盲區(qū)。STM32/GPRS技術(shù)有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、布防區(qū)域現(xiàn)場視頻資料隨處可查、適合家庭推廣使用等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。因此，本課題組選擇STM32/GPRS技術(shù)為核心的解決方案，利用高性能處理器STM32和GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成報警控制系統(tǒng)的核心，采用先進(jìn)智能型控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用視頻的即時可查及非正常進(jìn)入布防區(qū)域的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對匪情、盜竊等意外事故的自動報警；利用傳感器探測的實(shí)時氣體信息經(jīng)STM32/GPRS智能控制器處理后，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)、煤氣等意外事故的緊急求助。

1 STM32中GPRS智能安防控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

STM32廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、數(shù)據(jù)采集、氣象控制等領(lǐng)域。STM32系列相對51系列，單片機(jī)性能更高，相比ARM芯片成本更低。為滿足低成本、低功耗的要求，嵌入式控制系統(tǒng)選用STM32內(nèi)核。控制系統(tǒng)硬件主要包括STM32F103C8T6、GPRS無線通信模塊、315MHz無線接收模塊電路、PIR感應(yīng)信號處理模塊、圖像信息采集模塊、SD卡電路、煙霧感應(yīng)模塊、繼電器模塊、電源模塊等設(shè)計。智能防盜控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能安防控制圖Fig.1The diagram of intelligent security control

STM32F103C8T6的主控芯片使用高性能的ARM Corex-M3 32位的 RISC 內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器和聯(lián)接到2條APB總線的外設(shè)。STM32F103C8T63包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口（多達(dá)2個I2C 接口和SPI接口、3個USART 接口）。本控制中使用USART與攝像模塊、GPRS通訊模塊聯(lián)接，SPI與SD卡模塊聯(lián)接及利用豐富的I/O端口控制繼電器及無線接收模塊。STM32F103C8T6供電電壓為2.0～3.6V。

該系統(tǒng)采用最新的ARM Cortex-M3內(nèi)核的低功耗微處理器STM32F103作為核心處理器，以GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)作為無線數(shù)據(jù)傳輸通道，用煙霧氣敏傳感器MQ-2檢測可燃?xì)怏w，采用繼電器模塊實(shí)現(xiàn)了電器設(shè)備的實(shí)時控制，用熱釋電紅外感應(yīng)HC-SR501檢測入侵信號（防盜信號），采用內(nèi)部集成的PTC08攝像模塊完成入侵照片的采集，用SD卡模塊完成圖像儲存，采用具有彩信功能的PTM101無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊完成信號通訊，整個控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了入侵人員的檢測、現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)的采集、存儲以及無線數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)裙δ?。?dāng)有人員入侵或檢測到煙霧時，系統(tǒng)將向用戶手機(jī)發(fā)送短信，同時用戶可以通過手機(jī)發(fā)送命令，實(shí)時以彩信的方式查看現(xiàn)場情況及控制現(xiàn)場的電器設(shè)備。

1.1 GPRS通訊模塊

PTM101無線模塊是一款兩頻段（900/1800MHz）的GSM/GPRS無線模塊。GPRS通訊模塊連接原理如圖2所示[4-7]。

圖2 PTM101 GPRS連接原理圖Fig.2The schematic diagram for PTM101 GPRS link

如圖2所示，主控器通過全雙工的串口與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及使用PAI1為GPRS的使能端，STM32_TXD發(fā)送數(shù)據(jù)和STM32_RXD接收數(shù)據(jù)可以同時進(jìn)行和分時進(jìn)行，同時GPRS模塊通過單總線形式與它的SIM卡模塊對接與控制，SIM_CLK為SIM卡模塊提供時鐘信號，SIM_RST為SIM模塊復(fù)位控制信號，SIM_IO是數(shù)據(jù)輸入輸出信號通道，必須分時傳送輸入輸出數(shù)據(jù)，VSIM為SIM的電源電壓。

1.2 圖像信息采集模塊及SD 卡模塊

PTC08是一款集圖像采集、拍攝控制、數(shù)據(jù)壓縮、串口傳輸于一體的工業(yè)級圖像采集處理模塊。PTC08攝像模塊分為模塊本體和連接線部分，兩者之間用可任意插拔的4 pin 2.0mm 間距的標(biāo)準(zhǔn)插座連接，從DB9口第2，第3 pin 出來的TX，RX 是 RS232電平的信號，可以直接匹配標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)的串口，亦可外接SP3232EEN控制器。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。STM32外擴(kuò)SP3232E芯片，利用主控芯片STM_TXD3發(fā)送數(shù)據(jù)、STM_RXD3接收數(shù)據(jù)并且經(jīng)RS232電平轉(zhuǎn)換最終由RS232_TXD3發(fā)送到圖像采集模塊或由圖像采集模塊返回數(shù)據(jù)，同時STM32通過SP2_MOSI與SP2_MISO存儲數(shù)據(jù)到SD卡或從SD卡輸出數(shù)據(jù)[8]。

圖3 圖像采集頭模塊Fig.3The image acquisition module

在外接攝像頭時，可將拍攝的照片存儲到SD卡里。當(dāng)需要查看照片時，將SD卡取出，放入手機(jī)中瀏覽照片，或用SD讀卡器連接PC機(jī)，在 PC機(jī)中瀏覽照片。當(dāng)然SD卡還可根據(jù)客戶的系統(tǒng)需求，存儲其他的數(shù)據(jù)。

1.3 感應(yīng)模塊及無線收發(fā)模塊

感應(yīng)模塊防盜部分選用了HC-SR501來感應(yīng)人體紅外輻射。HC-SR501采用雙元探頭，當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時，雙元探頭輸出差值數(shù)據(jù)（時間差值、距離差值）；當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元探頭無差值及SD卡模塊連接電路數(shù)據(jù)輸出，因此安裝感應(yīng)器時應(yīng)使雙元探頭方向與人體活動最多的方向盡量平行[9-10]。

感應(yīng)模塊中安全部分選用MQ-2氣體傳感器來檢測有害氣體，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。當(dāng)檢測到有害氣體時，由無線模塊把數(shù)據(jù)送到STM32端口。

無線收發(fā)模塊選用SY-T01發(fā)送模塊、SY-RF-5V接收模塊來接收聯(lián)機(jī)安防傳感器的報警信息[11]。其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 紅外感應(yīng)及無線收發(fā)模塊圖Fig.4The infrared induction and wireless transceiver module

1.4 繼電器模塊

使用光耦繼電器模塊來控制電器設(shè)備的開斷。本系統(tǒng)選用優(yōu)質(zhì)松樂2路帶光耦繼電器模塊，光耦隔離，抗干擾性好。其電路模塊如圖5所示。STM32通過PA4, PA5控制繼電器。

圖5 繼電器模塊Fig.5The relay module

2 STM32中GPRS智能控制算法

本控制算法分為系統(tǒng)主程序、GPRS/GSM通訊、信號采集、串口攝像等控制程序。利用STM32內(nèi)部定時器、I2C及SPI通信接口、USART模塊實(shí)現(xiàn)了 控制信號的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、測檢、無線數(shù)據(jù)通信。智能安防算法詳細(xì)流程如圖6所示。

圖6 智能安防控制流程圖Fig.6The flow chart of intelligent security control

當(dāng)智能安防儀進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時，紅外傳感設(shè)備不斷偵測工作區(qū)域范圍內(nèi)的信息，HC-SR501人體紅外傳感器獲取有效信號后，經(jīng)STM32為核心的電路處理，先將信號送入語音報警模塊喚醒報警子程序，執(zhí)行語音報警功能。其次，將此入侵信號送入現(xiàn)場圖樣采集子程序，觸發(fā)采集功能，連拍多張照片存入SD卡內(nèi)，然后根據(jù)用戶手機(jī)的相應(yīng)指令，啟動發(fā)送子程序，發(fā)送子程序根據(jù)預(yù)先的發(fā)送模式設(shè)定，選擇普通短信或彩信的方式，待發(fā)送方式確定后，通過PTM101模塊發(fā)送相應(yīng)的短信內(nèi)容給主用戶及主用戶所綁定的其他用戶，用戶可根據(jù)短信內(nèi)容進(jìn)入手機(jī)中相關(guān)的功能模塊，鍵入預(yù)先設(shè)定的功能數(shù)字代碼，回復(fù)相應(yīng)的信息；或進(jìn)入手機(jī)相關(guān)的功能模塊，根據(jù)手機(jī)相應(yīng)的中文提示，觸摸相應(yīng)功能區(qū)域，實(shí)時查看現(xiàn)場情況[12]。

3 實(shí)物模型驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)除可通過HC-SR501紅外傳感器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程防盜報警外，還可通過2路帶光耦繼電器模塊實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備，也可通過MQ-2煙霧氣敏傳感器監(jiān)控可燃?xì)怏w濃度達(dá)到危險事故防范。在紅外報警模塊中以紅外探測為主，主要用到熱釋電紅外探測器。熱釋電紅外傳感器能檢測到人體的紅外輻射，距離越遠(yuǎn)，要求PIR的靈敏度越高，當(dāng)PIR選定以后，相應(yīng)的程序就變得越來越復(fù)雜。系統(tǒng)處于布防狀態(tài)時，當(dāng)有人進(jìn)入防區(qū)，系統(tǒng)可以及時響應(yīng)報警及拍照，并發(fā)送短信到指定手機(jī)號碼，若用戶回查看圖片命令則將圖片以彩信方式發(fā)送給用戶。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證智能安防儀的可行性、有效性，在開發(fā)板基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)際電路的搭建與功能實(shí)現(xiàn)，在常溫低干擾實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試與測試該報警系統(tǒng)?？偨Y(jié)所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到智能安防儀檢測有效率為98.05%，誤報率為1.05%，在室內(nèi)測試紅外檢測距離最大可達(dá)到10～20m，煙霧探測器可根據(jù)需要檢測不同濃度的有害氣體，室內(nèi)無線收發(fā)模塊穿透能力強(qiáng)，在有障礙的情況下傳輸距離可達(dá)到50～100m，GPRS無線模塊在有信號的地方均可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。安防系統(tǒng)探測器電路設(shè)計中以紅外探測器為主要部分，主要用到熱釋電紅外傳感探測器。它能檢測到人體的紅外輻射，系統(tǒng)處于布防狀態(tài)時，當(dāng)有人進(jìn)入布防區(qū)，系統(tǒng)可以及時響且相應(yīng)信號指示燈閃爍，情況如圖7～9所示。

圖7 智能安防控制待機(jī)圖Fig.7The intelligent security control instrument (standby)

圖8 智能安防控制傳感器觸發(fā)圖Fig.8The intelligent security control instrument (strigger)

圖9遠(yuǎn)程繼電器控制圖Fig.9Remote relay control diagram

圖7 待機(jī)狀態(tài)指示燈（系統(tǒng)待機(jī)時，該燈亮）。系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)就可以接收用戶的控制短信指令，以及外部中斷觸發(fā)報警。圖8中燈全亮一下，進(jìn)入拍照上傳數(shù)據(jù)函數(shù)拍照，上傳數(shù)據(jù)并校驗(yàn)數(shù)據(jù)過程，攝像頭指示燈和GPRS指示燈都會閃爍，閃爍完成，代表數(shù)據(jù)上傳完成。圖9為遠(yuǎn)程控制繼電器工作場景，紅燈亮表示有控制信號輸出。

4 結(jié)語

針對目前市場上的安防監(jiān)控產(chǎn)品安裝復(fù)雜、成本高、實(shí)時性差、不能遠(yuǎn)程控制，提出了在STM32中嵌入GPRS智能安防技術(shù)，且完成了實(shí)物模型的制作。試物模型運(yùn)行結(jié)果表明：基于STM32的嵌入式安防技術(shù)具有維護(hù)費(fèi)用少、安裝簡單、可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)、便于推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，并具備方便功能擴(kuò)展，為各類遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計提供了樣本，也對煙霧類傳感器嵌入STM32技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義[13]。

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（責(zé)任編輯：申劍）

Research and Development of STM32-Based Intelligent Anti-Theft Instrument with GPRS Wireless Communication

Dai Shengwei，Wang Lin，Zhang Ting
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the poor real-time and unsatisfactory telecontrol problems of current home security equipments, proposed a new wireless remote security control algorithm which embedded GPRS network in STM32 high performance micro processor. The algorithm with the help of efficient smoke sensing acquisition technology and wireless communication network, achieved the effective monitoring in real-time data flow and through the smoke sensor data, realized the realtime control of household appliances. The physical model operating results verify the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.

GPRS；STM32；remote monitoring；smoke transducer

TP274

A

1673-9833(2014)06-0076-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.06.015

2014-05-23

湖南工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)基金資助項目（2013HZX13），湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)基金資助項目（湘財教字[2014]20號）

戴圣偉（1978-），男，湖南邵陽人，湖南工業(yè)大學(xué)講師，碩士，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)控制理論與實(shí)踐，E-mail：dai_sheng_wei@163.com