基于數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)的智能安防系統(tǒng)

賈夢(mèng)澤，馬敬文，張笑迪，李姿景，鄧穎，李誠(chéng)玉

黃河科技學(xué)院，河南鄭州 450003

0 引言

隨著社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，以及國(guó)家一系列支持“三農(nóng)”政策的落實(shí)，農(nóng)村的面貌發(fā)生了翻天覆地的變化，農(nóng)民的物質(zhì)和精神生活日益豐富，生活條件得到極大改善。財(cái)富在農(nóng)村的迅速增長(zhǎng)也使得違法犯罪分子逐漸把目標(biāo)鎖定在了廣大的農(nóng)村地區(qū)。與此同時(shí)，農(nóng)村家庭“空巢化”特點(diǎn)凸顯，加之技術(shù)防范手段落后，警力不足，導(dǎo)致農(nóng)村入室盜竊、搶劫等案件多發(fā)。農(nóng)村盜竊案件發(fā)案率居高不下，給原本防范就較為薄弱的農(nóng)村地區(qū)的社會(huì)治安帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。潘杰等人[1]發(fā)表的《農(nóng)村家庭中簡(jiǎn)易防盜報(bào)警器的應(yīng)用探究》一文中表明，現(xiàn)在農(nóng)村依然存在教育水平相對(duì)較低的實(shí)際情況，且多數(shù)青壯年外出打工導(dǎo)致家中多是老人和孩子。所以，價(jià)格昂貴、操作不便的高級(jí)防盜報(bào)警器在農(nóng)村是不實(shí)用的，相反，功能簡(jiǎn)單、性能可靠的簡(jiǎn)易防盜報(bào)警器在農(nóng)村家庭中更有實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主控選擇STM32F103C8T6，OLED 顯示屏，GSM 模塊使用GA6-B，語(yǔ)音播報(bào)模塊使用SYN6288，光敏電阻傳感器，紅外傳感器，壓力檢測(cè)模塊由應(yīng)變式壓力傳感器和HX711 信號(hào)處理芯片組成，測(cè)量環(huán)境光照強(qiáng)度，當(dāng)光照強(qiáng)度高于閾值時(shí)，LED 燈關(guān)閉，低于閾值時(shí)，LED 打開(kāi)，按鍵設(shè)置布防或撤防，當(dāng)布防時(shí)，紅外傳感器和壓力傳感器同時(shí)有信號(hào)則進(jìn)行聲音報(bào)警，語(yǔ)音播報(bào)“請(qǐng)盡快離開(kāi)”，且紅LED 燈亮，同時(shí)向預(yù)設(shè)手機(jī)號(hào)發(fā)送報(bào)警短信。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)當(dāng)紅外信號(hào)和光照信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警并進(jìn)行短信報(bào)警，且通過(guò)光照強(qiáng)度檢測(cè)控制燈的亮滅。產(chǎn)品功能簡(jiǎn)單實(shí)用、性能可靠，且價(jià)格相對(duì)便宜、操作方便，在農(nóng)村家庭中有較大的實(shí)用價(jià)值。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊電路圖如圖2 所示。主控模塊[2]由濾波穩(wěn)壓電路、時(shí)鐘電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、USB 電源電路、SWD 調(diào)試接口電路和STM32F103C8T6 芯片組成。本次設(shè)計(jì)中使用芯片I/O 口接收紅外感應(yīng)電路、光照檢測(cè)電路和壓力檢測(cè)電路發(fā)來(lái)的信號(hào)，通過(guò)芯片對(duì)獲取信號(hào)的計(jì)算來(lái)控制報(bào)警及開(kāi)燈。

2.2 紅外檢測(cè)模塊

紅外檢測(cè)模塊電路圖如圖3 所示。紅外檢測(cè)模塊的功能是檢測(cè)是否有人員進(jìn)入，主要使用紅外線傳感器，將CPU的PA3 引腳作為該傳感器輸入引腳并設(shè)置為上拉輸入模式，當(dāng)模塊檢測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，PA3 端口持續(xù)輸出低電平信號(hào)。PA4 將輸出高電平，PA4 與LDE 燈D2 連接，電路板上D2 點(diǎn)亮。

2.3 光照檢測(cè)模塊

光照檢測(cè)模塊電路圖如圖4 所示。光照檢測(cè)模塊功能是為感應(yīng)開(kāi)燈功能提供光照強(qiáng)度的檢測(cè)。光敏電阻模塊對(duì)環(huán)境光線敏感，用來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境光線的亮度，觸發(fā)單片機(jī)。當(dāng)在環(huán)境光線亮度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO 端輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境光線亮度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，DO 端輸出低電平。DO 輸出端可以與單片機(jī)直接相連，通過(guò)單片機(jī)來(lái)檢測(cè)高低。

將光敏電阻的AO 接入CPU 的PA2 端口。在CPU上配置ADC 模塊，設(shè)置使用PA2 端口進(jìn)行采樣。 配置ADC 時(shí)鐘分頻為PCLK2/6，設(shè)置ADC 工作模式為獨(dú)立模式，非掃描模式，非連續(xù)模式，并禁用外部觸發(fā)。采樣速率為ADC 時(shí)鐘頻率除以采樣時(shí)間，即為72 MHz/239.5=300 kHz。采樣精度為12 位，即可以表示0 ～4 095 的數(shù)字量。采樣間隔為5 ms，即每采集一次數(shù)據(jù)需要等待5 ms的時(shí)間間隔。根據(jù)指定的通道和轉(zhuǎn)換次數(shù)，對(duì)每次ADC1 規(guī)則組的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行求和，并在每次轉(zhuǎn)換后進(jìn)行延時(shí)5 ms。最終返回該結(jié)果的平均值。

2.4 壓力檢測(cè)模塊

壓力檢測(cè)模塊電路圖如圖5 所示。壓力檢測(cè)模塊[3]功能是檢測(cè)人員進(jìn)入情況，與紅外檢測(cè)模塊協(xié)同工作，防止誤報(bào)，主要由應(yīng)變式壓力傳感器和HX711壓力信號(hào)處理芯片組成。該芯片內(nèi)部包含穩(wěn)壓電源、時(shí)鐘振蕩電路等其他類似芯片所必需的外圍電路，集成度高，響應(yīng)時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)。選擇該芯片可以降低整機(jī)成本，并對(duì)整機(jī)的可靠性有一定的保證。

設(shè)置PB0 和PB1 兩個(gè)I/O 口，用來(lái)分別連接HX711 芯片的SCL 和SDA 引腳。經(jīng)過(guò)初始化后，CPU 可以通過(guò)PB0 端口和PB1 端口讀取HX711 芯片輸出的數(shù)據(jù)，該程序通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換將讀取到的數(shù)據(jù)和已知的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以得到物體的準(zhǔn)確重量。

2.5 短信報(bào)警模塊

短信報(bào)警模塊電路圖如圖6 所示。短信報(bào)警模塊[4]功能是實(shí)現(xiàn)向上位機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，主要由芯片GA6-B 及其外圍電路構(gòu)成。GA6-B 具有廣域覆蓋、永遠(yuǎn)在線、按量計(jì)費(fèi)、高速傳輸、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

將GA6-B 和CPU 的VCC、GND 以及UART 串口相連。GA6-B 的TXD 引腳接CPU 的PB11 引腳，GA6-B 的RXD 引腳接CPU 的PB10 引腳。在CPU 的代碼中，通過(guò)配置UART 串口通信參數(shù)，包括波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位等參數(shù)，確保與GA6-B 一致。向GA6-B 發(fā)送AT 指令。發(fā)送AT 指令需要使用CPU 的PB11 引腳，將AT 指令以字符串的形式發(fā)送給GA6-B。GA6-B 收到AT 指令后，會(huì)根據(jù)指令完成相應(yīng)的操作或者返回相關(guān)的信息。CPU 通過(guò)PB10 引腳接收GA6-B 發(fā)送的響應(yīng)消息，GA6-B 和CPU 可以通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；谕ㄐ艆f(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、接收命令等功能。

2.6 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音報(bào)警模塊電路圖如圖7 所示。語(yǔ)音播報(bào)模塊[5]的功能是發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)，主要使用SYN6288 語(yǔ)音合成芯片構(gòu)成。SYN6288 是采用PSOLA 拼接合成技術(shù)的一款語(yǔ)音合成芯片。SYN6288 通過(guò)異步串口通信方式接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換，可直接通過(guò)PWM 輸出方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器或外接功率放大電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，進(jìn)行語(yǔ)音輸出。

SYN6288 模塊可以通過(guò)串口進(jìn)行通信，因此需要將其與STM32F103C8T6 的USARTx端口連接，可以將SYN6288 的TXD 引腳連接到CPU 的USARTX 的PA10 引腳，同時(shí)將SYN6288 的RXD 引腳連接到CPU 的USARTX 的PA9引腳。此外，還需要將SYN6288 的VCC 引腳連接到CPU 的5 V 電源引腳，將GND 引腳連接到CPU 的地引腳。將USART1 進(jìn)行串口初始化，包括GPIO 引腳配置、USART 初始化和中斷配置。當(dāng)收到USART1_RXNE中斷時(shí)，讀取串口1，接收寄存器（USART1->DR）中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收狀態(tài)（USART_RX_STA）的不同進(jìn)行相應(yīng)處理。接收狀態(tài)包括3 個(gè)部分：接收完成標(biāo)志（USART_RX_STA 的最高位為1 表示接收完成）、接收到0x0d（回車符）標(biāo)志（USART_RX_STA 的第14 位為1 表示接收到了回車符）、接收到的有效字節(jié)數(shù)（USART_RX_STA 的第13 位表示接收到的有效字節(jié)數(shù)，最大為USART_REC_LEN-1）。當(dāng)接收未完成時(shí)，根據(jù)接收狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)處理。如果接收到了回車符，則設(shè)置接收到回車符標(biāo)志位，否則將接收到的數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，并更新接收狀態(tài)。當(dāng)接收完成時(shí)，設(shè)置接收完成標(biāo)志，以便上層應(yīng)用程序進(jìn)行后續(xù)處理。若接收出錯(cuò)（接收到的數(shù)據(jù)中沒(méi)有回車符或者接收到回車符后沒(méi)有接收到0x0a），則重置接收狀態(tài)，以便重新開(kāi)始接收。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖8 所示。當(dāng)主控芯片接收到啟動(dòng)信號(hào)后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行復(fù)位初始化，并進(jìn)入系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)，主控芯片會(huì)等待傳感器信號(hào)產(chǎn)生的中斷觸發(fā)。如果沒(méi)有傳感器信號(hào)產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)會(huì)一直等待；而如果有傳感器信號(hào)觸發(fā)中斷，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入觸發(fā)語(yǔ)音警報(bào)服務(wù)程序。

在警報(bào)狀態(tài)中，主控芯片會(huì)向用戶手機(jī)端發(fā)送報(bào)警短信，提醒用戶有異常情況發(fā)生，同時(shí)，語(yǔ)音警報(bào)服務(wù)程序會(huì)播放警報(bào)聲音，以提醒周圍的人注意。

當(dāng)警報(bào)解除后，需要按下停止警報(bào)按鈕才能停止警報(bào)。此時(shí)，主控芯片會(huì)等待按下復(fù)位按鈕來(lái)重新進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并重新進(jìn)入等待中斷觸發(fā)的狀態(tài)。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，主控芯片會(huì)不斷檢測(cè)傳感器信號(hào)，如果有傳感器信號(hào)觸發(fā)中斷，警報(bào)狀態(tài)會(huì)再次啟動(dòng)，否則，系統(tǒng)將一直保持等待中斷觸發(fā)狀態(tài)。

4 調(diào)試及結(jié)果

4.1 產(chǎn)品模塊說(shuō)明

產(chǎn)品的各功能模塊如圖9 所示。本產(chǎn)品經(jīng)測(cè)試，功能均可正常使用，主要分為以下功能：壓力檢測(cè)功能由應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)；光照檢測(cè)功能由光敏電阻傳感器實(shí)現(xiàn)；紅外檢測(cè)功能由紅外傳感器實(shí)現(xiàn)；短信報(bào)警功能由GSM 通信模塊實(shí)現(xiàn)；語(yǔ)音報(bào)警功能由SYN6288 語(yǔ)音報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)；主控STM32F103C8T6實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制與管理；OLED 屏實(shí)現(xiàn)了工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；撤防布防按鍵實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工作狀態(tài)的切換。

4.2 產(chǎn)品功能測(cè)試

4.2.1 使用說(shuō)明

（1）當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)USB 正常供電后，會(huì)播報(bào)系統(tǒng)提示音，系統(tǒng)開(kāi)始初始化，各個(gè)模塊正常工作，系統(tǒng)默認(rèn)撤防狀態(tài)；

（2）按下布防按鈕，系統(tǒng)各個(gè)模塊開(kāi)始工作，紅外檢測(cè)模塊開(kāi)始自動(dòng)檢測(cè)范圍內(nèi)的人體，當(dāng)有人進(jìn)入檢測(cè)范圍，紅外信號(hào)輸入；

（3）壓力檢測(cè)模塊進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，所承受壓力超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，壓力信號(hào)輸入；

（4）當(dāng)兩者同時(shí)輸入時(shí)，觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警“請(qǐng)盡快離開(kāi)”，GSM 發(fā)送報(bào)警信息“warning”至用戶手機(jī)；

（5）當(dāng)亮度低于一定程度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)燈，補(bǔ)充光照；

（6）按下按鍵，實(shí)現(xiàn)布防與撤防的轉(zhuǎn)換，當(dāng)處于撤防狀態(tài)時(shí)，模塊正常運(yùn)行，但當(dāng)有人闖入時(shí)，不會(huì)觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警和GSM 的報(bào)警信息發(fā)送；

（7）撤防狀態(tài)下，屏幕顯示當(dāng)前的光照強(qiáng)度與設(shè)定的光照閾值；布防狀態(tài)下，屏幕顯示壓力信號(hào)與紅外信號(hào)的輸入狀態(tài)。

4.2.2 產(chǎn)品運(yùn)行演示

（1）當(dāng)有人闖入時(shí)，手機(jī)收到的短信如圖10所示；

（2）撤防狀態(tài)下，屏幕顯示如圖 11 所示，布防狀態(tài)下，屏幕顯示如圖12 所示；

（3）表1、表2 分別是撤防與布防時(shí)的產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果。

表1 撤防功能測(cè)試數(shù)據(jù)表格

表2 布防功能測(cè)試數(shù)據(jù)表格

經(jīng)過(guò)測(cè)試，感應(yīng)LED 燈在有光照信號(hào)輸入時(shí)，在布防狀態(tài)下和撤防狀態(tài)下均會(huì)點(diǎn)亮。布防狀態(tài)下，只有在壓力信號(hào)和紅外信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)才會(huì)發(fā)出短信報(bào)警、語(yǔ)音報(bào)警及LED 警報(bào)，這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了系統(tǒng)運(yùn)行正常，可以對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行有效地檢測(cè)和響應(yīng)。

產(chǎn)品可靠性測(cè)試如圖13 所示。系統(tǒng)連續(xù)測(cè)試100次的結(jié)果可以充分驗(yàn)證其可靠性和穩(wěn)定性。

值得注意的是，在撤防狀態(tài)下，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)出任何警報(bào)或控制燈光的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此產(chǎn)生的所有信號(hào)都將被忽略。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)接收到來(lái)自壓力電路和紅外感應(yīng)電路的信號(hào)后，系統(tǒng)會(huì)經(jīng)過(guò)比較運(yùn)算后判斷是否超過(guò)了預(yù)設(shè)的閾值，如果超過(guò)閾值，則會(huì)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制?？梢钥紤]加入WiFi 無(wú)線通信模塊，以便與智能物聯(lián)接軌實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)大眾化。

因此，系統(tǒng)運(yùn)行正常、短信報(bào)警、語(yǔ)音報(bào)警及其LED 燈報(bào)警在布防狀態(tài)下時(shí)，壓力信號(hào)與紅外信號(hào)同時(shí)輸入時(shí)才會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，這說(shuō)明系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)是有效的，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境進(jìn)行有效地檢測(cè)和響應(yīng)，從而起到保護(hù)人身安全和家庭財(cái)產(chǎn)的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，安防系統(tǒng)主要有以下幾種：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報(bào)警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等。這些安防系統(tǒng)的特點(diǎn)包括實(shí)時(shí)性、可遠(yuǎn)程訪問(wèn)、自動(dòng)報(bào)警、身份認(rèn)證、記錄和保護(hù)等，但是對(duì)于農(nóng)村來(lái)說(shuō)，實(shí)用性較小，操作繁瑣，尤其不適合老年人。

本系統(tǒng)采用的STM32F103C8T6 單片機(jī)控制器擁有強(qiáng)大的處理能力，且能夠?yàn)槎鄠€(gè)外設(shè)提供時(shí)間同步，避免了因?yàn)橥庠O(shè)口信號(hào)不同步而帶來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤問(wèn)題。搭配光照檢測(cè)模塊、紅外檢測(cè)模塊、壓力檢測(cè)模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、GSM、OLED 模塊和電源模塊等多種組件， 實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)的智能安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念簡(jiǎn)單，組件使用普及，生產(chǎn)成本較低，外觀簡(jiǎn)潔，操作易學(xué)易用。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰、數(shù)據(jù)丟失等情況，同時(shí)具備功能實(shí)用、價(jià)格低廉、用戶易操作、系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

本項(xiàng)目特色明顯，主要針對(duì)數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)中的智能安防，功能上刪繁就簡(jiǎn)，操作方便，檢測(cè)率高，實(shí)用性強(qiáng)，讓鄉(xiāng)村老人孩子消除了對(duì)這個(gè)電子產(chǎn)品“玩不轉(zhuǎn)”的心理障礙。

此外，本產(chǎn)品可拓展性強(qiáng)，不僅可以應(yīng)用于單家單戶，隨著市場(chǎng)化的推進(jìn)，只要做簡(jiǎn)單的升級(jí)改造，就可以聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具有較好的市場(chǎng)前景。