一种基于ARM-Cortex3内核的智能电气防盗装置

中南大学 弓箭 叶冰清

1 研究目的和研究意义

鉴于当前各种无人监管的重要保护趋于盗窃事件时常发生，如古文物保护区，博物馆等，对国民的财产安全造成了一定的影响，我们的团队特此准备研发一个智能化的宿舍防盗系统，希望该系统能够在一定程度上制约盗窃事件发生的频率，减少财产损失，为国民的居住环境、古文物的存放区域提供一个可控、可监测的能力，同时希望该系统能够扩展到普通住宅用户上。

本系统提倡智能化、自动化，本着用户体验高的基本要求进行研究开发，这与当今炙手可热的物联网行业的思路不谋而合，利用“物物相连”的思想，将零散的各种检测、控制设备连接在一起，用户只需在一个终端设备上即可完成对所有外部设备的设置，其余均由终端设备根据实际情况自行操作，实现了智能化和自动化。

2 国内外研究现状

经过我们团队的多方面调查研究发现，目前国内市场上应用较广的电子防盗多为汽车电子防盗系统以及商品磁感应防盗系统。家居式的防盗系统应用较少，发展也相对较慢。具体情况如下：

现今，已经问世的不同原理的电子防盗系统包括声磁防盗系统、无线电/射频系统、电磁波系统、微波系统、分频系统、智慧型系统，主要为以下几种：

1）电磁波系统。电磁波系统采用电磁波作为检测信号。电磁波系统的标签小，标签价格也便宜，能重复消磁，但易受磁性或金属物质的影响而产生误报，所以价格和技术的原因决定了它在市场上的接受度不高。目前在图书馆、超市、药店出入口使用较多。

2）无线电/射频系统、声磁系统。在60年代后期，美国出现第一套电子式商品防盗系统（EAS），主要应用无线电、射频技术等。目前，世界大型的零售企业大多数使用这种电子防盗装置。EAS系统10年前开始进入亚洲国家，日本、新加坡、韩国已经香港和台湾地区的装机率都在逐年提高。

3）智慧型系统。智慧型系统应用独有的技术，是一个内部由集成电路控制、电池驱动、集硬标签与报警器为一体的系统。该系统防范范围大，误报少。多用于保护较为贵重的物品。

4）微波系统。采用微波作为检测信号，不易受到周围环境干扰，能够领过的隐蔽安装。具有美观效果、节约空间等优点。

经过比较发现，国内应用较广的这些电子防盗系统大多数是以警示、发出警告声音等能够引起人感官注意的防盗方式，而图像采集等需另外安装闭路电视等监控设备，尤其在汽车防盗方面尤为突出。并且大多数防盗系统为超市、图书馆等公共场所的防盗，日常家居防盗系统是市场的一个缺口所在。在通过问卷调查后也发现，大众对日常家居的防盗系统需求并不可小视。

3 研究内容、研究思路和方法以及重点和难点

本系统主要包含以下几个模块：

GSM通讯模块，红外探测模块，摄像头及其驱动模块，自动识别开关门模块，2.4G无线模块，SD卡存储模块等。

本系统有两个工作模式：开启安全装置模式和关闭安全装置模式。当用户使用遥控器开门的时候自动关闭安全装置，用户离开宿舍时自动开启安全装置。当在开启安全装置的情况下系统检测到非法闯入者，则自动触发安全检测功能，对闯入者进行拍照、蜂鸣报警，并且发送短信至用户的手机上，提醒用户有非法闯入者。

系统工作原理图如下图：

3.1 GSM通讯模块

在所设计的这个防盗系统中，GSM是一个必不可少的子模块。GSM的英文全称是global system for mobile communications，即全球移动通信系统。本防盗系统利用GSM无线移动通讯网络短信息数据传输模式平台，真正实现了超远距离方便、灵活的无线报警处理及控制，解决了固定电话或有线宽带网络有线数据传输模式报警的局限性，真正做到全无线报警。具体的功能描述：在当本系统检测到有不法分子闯入宿舍后，STM 32单片机随即发出命令，使GSM模块工作，向住所的人员发送短信，告知住所出现异常。这样便可实时、可靠、快捷的实现远程监控与报警。

本系统所采用的是西门子公司的无线通信GSM模块TC 35，该模块的工作电压为3.3~5.5V，可以工作在900MHZ/1800MHZ 两个频段，自带RS232通讯接口，可以方便地与PC机、单片机连机通讯，安全、可靠地实现数据、语音传输、短消息服务和传真。由于短消息具有实现简单、通信成本低、保密性好、直接面向用户手机且不受地域限制等特点，是目前利用最为广泛的通讯方式。所以在设计中，利用了其短消息服务功能。单片机控制射频发射系统发送按通信协议规定包含用户手机号，通过GMS通信网发送到短消息中心，短消息中心根据接受的信号，按预先单片机里设置的命令，向用户发送消息报警。

单片机和TC35的通讯，一般采用串行工作方式，数据格式为10位。其中，1个起始位0，8个数据位，1个停止位1。其波特率的值取决于定时器的溢出率和特殊功能寄存器PCON中的SMOD位的值。由于单片机所接管脚的电平为TTL电平，而TC35进行通讯时经过RS-232接口，TTL电平和RS-232电平互不兼容，所以两者接口时，必须进行电平转换，在此使用MAX 232芯片。所以，单片机怎么控制TC35就是这个模块的核心。

本模块除了GSM核心部件外，还需要SIM卡座，SIM卡座用于安装GSM网络的手机SIM卡，每个GSM报警模块必须安装一张SIM卡，方能正常工作，无线接收即GSM天线，GSM天线安装的好坏，直接影响GSM报警模块的信号强度和功耗大小，同时也关系到对报警信息的及时传输。这些部件组成一个完整的GSM报警模块。

这个模块的难点就是STM 32单片机怎么去控制TC35正常工作，TC35模块的通讯全部采用AT指令。在警情发生后，单片机下达命令，GSM立即向手机终端发送短消息。所以，怎么把TC35、SIM卡座、无线接收模块组成一个完整的GSM模块，与单片机通讯并受其控制，成了本模块设计的重中之重。

3.2 红外监测报警及摄像取证模块

此模块的功能为：当非本宿舍的外来人员通过暴力或其他非法途径闯入门内，会触发红外监测报警系统，蜂鸣器报警，此系统会将报警信号传入单片机，同时触发摄像头进行对室内的拍摄，将图像传入单片机作为非法入侵的取证。

该设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、报警等模块子函数。

系统可实现功能：当人员外出时，可通过2.4G无线模块启动报警系统，探测器工作起来,当有人闯入时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至单片机，经单片机处理运算后驱动执行报警电路使蜂鸣器发声。

红外线具有隐蔽性，在寝室门口设计红外线检测可以方便地检测到是否有人出入。此类装置设计的要点：其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。报警可使用蜂鸣器。

本系统采用了热释电红外线传感器，它的制作简单、成本低，安装比较方便，而且防盗性能比较稳定、抗干扰能力强、灵敏度高、安全可靠。这种防盗器安装隐蔽，不易被盗贼发现，同时它的信号经过单片机系统处理后方便和PC机通信，便于多用户统一管理和用户操作。

为了探测移动人体，通常使用双元件型热释电红外线传感器，在这种传感器内部，两个灵敏元件反相连接，当人体静止时两元件极化程度相同，互相抵消。但人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为0，从而达到了探测移动人体的目的。

摄像系统：当红外监测报警器将信号传递给单片机后，单片机随即向摄像头发送信号，启动摄像头，摄像头进行摄像或拍照，将数据上传至单片机保存。

摄像头选取当前非常流行的OV7725替代已经停产的OV7620摄像头，该款摄像头支持从CIF到40x30的各种尺寸图象输出 ,支持120FPS高帧速度输出(QVGA,更适合抓拍快速移动物体)，光学尺寸1/4” ,像素面积6 μm x 6 μm,灵敏度高达3.0V/(Lux-sec)，用来拍摄非法闯入者是一个非常好的选择。

3.3 自动识别开关门及系统自动开关控制模块

由于实验条件限制，该模块基于现在广泛使用的防盗门锁结构设计。对现在门锁内部不需要做任何改变，仅在门锁内部安装一个小模块与系统终端联系起来，就可以实现开关门信号的识别，并根据遥控器具体信号自动执行门的上锁/开锁，同时自动启动/关闭宿舍防盗系统。

基于实现自动控制的目标，本系统模仿现在汽车防盗中广泛使用的的小型手持遥控器作为智能识别“钥匙”，通过无线传输技术，实现遥控器与单片机控制终端的连接。定义少数按键的功能，系统可以根据所按下键值的不同，执行不同的动作。

普通公寓防盗门使用传统的钥匙开门方式，所以本模块使用步进电机作为执行器件，通过控制模块调节，实现用步进电机代替手动的旋转开/解锁方式，并且可以实现从外部将门反锁，这样即使非法入侵者使用某种方式打开了上面的锁定装置，但还有下部的内部反锁机构打不开，所以可以起到第二级防护的功能。

控制模块简介：

模块实现步进电机（两个）的速度调节，转向控制，旋转角度控制，锁定信号反馈响应,系统开关控制，以及电机驱动等功能。

主要的部件选取如下：

电机驱动使用ULN 2003电机驱动芯片；

步进电机使用28BYJ-48 5V四相八拍步进电机；

速度控制使用软件检测按键实现，包括加速，减速和停止（供调试使用）；

旋转角度使用单片机定时器中断实现精确定时，进而控制旋转角度；

旋转方向使用单片机无线子程序输出的控制脉冲实现正反转交替进行（实现硬件可以考虑触发器实现状态翻转）；

锁定信号反馈使用蜂鸣器，当检测到门已经锁定到位，输出蜂鸣信号；

系统自动开关控制由单片机根据所接收的遥控信号自动启动和关闭。

模块与单片机接口：

四根相线，传输相序信号（IO口）；

一根锁定信号传输线（中断口）；

三根调速独立按键线（IO口）；

一根蜂鸣触发信号线（中断口）。

意外情况模块解决方式：

意外情况包括遥控“钥匙”丢失，系统电源掉电，等不能从外部打开门的情况。

遥控“钥匙”丢失。系统应配备“终端钥匙”，即可以打开门的备用钥匙，存放在楼管处或者其他管理部门。

系统供电优化。每个系统单独配有备用电源，当检测到系统电源不稳定时可以启动备用电源。并采取平行供电方式，即系统还有与系统本身备用电源并联的电源线连接到其他电源，提高系统供电稳定。

3.4 2.4G无线模块

现在常用的无线模块对比如下：

红外：有效传输距离短，不支持多方位传输，功耗大，抗干扰能力差。

27MHZ：接收距离短，传输速率低，抗干扰能力一般，信号容易出现中断。

蓝牙：传输距离和速度有优势，但是产品价格居高不下，成本高。

2.4G无线技术：其频段处于2.405GHz-2.485GHz之间。所以简称为2.4G无线技术。这个频段里是国际规定的免费频段，是不需要向国际相关组织缴纳任何费用的。这就为2.4G无线技术可发展性提供了必要的有利条件。全双工模式传输，在抗干扰性能上要比27MH z有着绝对的优势。这个优势决定了它的超强抗干扰性以及最大可达10米的传输距离。此外2.4G无线技术还拥有理论上2M的数据传输速率，比蓝牙的1M理论传输速率提高了一倍。它还拥有低电压，高效率，低成本，不需外接天线等优点，常用于数据的采集，工业无线控制等。

基于上述对比，显然，2.4G技术是未来发展的趋势，本系统也采用了2.4G技术实现单片机与遥控设备的通讯。

JF24C和NRF24L01，同属2.4G的无线通信模块，我们采用NRF24L01芯片，因其就用户程序设计来说，这种方式能更好地实现可靠传输。当用户操作遥控器时，遥控器发送通过2.4G无线技术发送信息给stm32单片机从而有效地控制其他各模块的工作。

3.5 SD卡数据采集模块

系统的数据采集存储模块采用了SD卡，因其扩展性强而且支持SPI接口，方便移动，可以满足不同的需求，这便成为了本次系统的存储模块首选。通过stm32的编程，利用其自带的SPI接口，把摄像头得到的数据采集到SD卡中。

而stm32单片机带有一个USB数据传输模块，通过在电脑构建数据采集软件，可以从单片机中获取SD卡中采集的数据的信息，从而通过USB传到电脑中来，以方便管理。

各模块之间的联系如下图所示：

4 预计研究成果

该防盗系统不同于其他传统系统，它是使用户能够享受从自动开门、进入到出门自动锁门、全程防盗监控的一体自动式的服务，具体功能如下：

进门通过一个2.4G无线遥控器来进行控制，按下其中一个按键后，门自动打开，并且解除安全装置。离开时，同样通过无线遥控，自动锁门，然后启动安全装置。在此期间非法进入寝室的人，宿舍门的上方会有有一个红外检测装置，可以检测到人体，进而触发蜂鸣器，并且摄像头进行迅速拍照存储，上传至单片机，同时单片机会将图片和时间进行存储，然后再通过GSM模块向手机发送短信告知非法闯入。并且电脑可以连接单片机，将存储的照片下载到电脑上。

在研究成果中，不但会完成基本防盗设计及安全保障，并且会充分考虑到环保、节能等方面，并且会在外观造型及方便实用性上进行不断改进。在整体系统中同样留有拓展空间，方便之后的整体系统升级。

[1] ST Microelectronics.STM 32F2XX Family Reference Manual,2012,1-1397.

[2]蒙博宇.STM 32自学笔记[J],2012,120-418.

[3]彭刚,秦志强.基于ARM Cortex-M 3的STM 32系列嵌入式微控制器应用实践[J],2011,328-340.