被动红外传感防盗报警系统的改进研究*

戴未然，薛宇城，王 莉

(1.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016;2.南京邮电大学 通信工程学院，江苏 南京 210003)

为了保证财产的安全，越来越多的单位、家庭使用防盗报警系统［1-5］。防盗报警系统有多种多样，其中尤以基于红外传感器的防盗报警系统应用最为广泛［1-4］。现有的被动式红外探测传感器的防盗报警器结构简单，易安装，成本不高［1-4］，但也存在一些缺陷，主要有:误报率较高［1，2，4］，给用户带来了不必要的麻烦;绝大多数的防盗报警系统只能现场报警［2-4，6，7］，但很多情况下用户往往不在现场，于是这样的系统不能让用户对事件进行实时掌握及处理，少数的可远程监控防盗报警的研究，制作成本较高、不能以便利的方式适应市场的要求［5，8，9］。为此，本文对被动红外传感防盗报警系统进行了改进研究，采用多种措施有效地抑制了温度、电磁、白光等干扰，降低了误报率，且更为节能;同时基于GSM网络，既能实现现场实时报警，又能实现手机短信实时报警。此外，改进后的系统方便实用，成本较低，节能环保，具有广阔的市场应用前景，也对防火等其它安保报警系统起到了借鉴作用。

1 系统工作的基本原理

被动红外传感防盗报警系统工作的基本原理［1-5］已有很多介绍，即直接由红外传感器接收入侵信号并转变成电信号，经放大电路后启动单片机工作，最后启动音频报警器现场报警。其工作流程图可由图1 表示。

图1 被动红外传感防盗报警系统的基本工作原理

图1所示的系统结构简单，成本不高，但也存在一些缺陷，典型的是，误报率较高以及不能让场外用户对事件进行实时掌握及处理。本研究提出了一种改进的被动红外传感防盗报警系统，其工作原理如图2所示。双元热释电红外传感器采集的信号经前置电路(温度补偿、滤波放大等)由A/D转换变为数字信号，然后输入MSP430 单片机，单片机计算设定时间内采样的均值和方差，根据均值和方差大小智能判断入侵行为，之后输出报警信号进行现场报警，同时通过GSM 模块发出报警信号，并由手机用户以短信方式接受。

图2 改进的系统工作原理框图

比较图1 与图2 可见，改进的系统在硬件及软件上均有较大程度的变化，其作用一是抑制温度及电磁辐射等的干扰，以降低误报率，二是同时实现手机短信报警。下面就该系统硬件及软件部分的改进做分别介绍。

2 硬件部分的改进

2.1 传感器的选择

本系统选用新的红外传感器——双元热释电红外传感器RE200B［10］，其反应频率为0.3Hz ～3Hz，可完全适配被测对象。选用RE200B的另一大优点是该传感器内装两个对偶的传感单元，可对温度干扰起到一定的抑制作用。此外，在该传感器上配置菲涅尔透镜可以起到抗白光干扰的作用。

2.2 前置电路设计

系统的前置电路如图3所示。主要由滤波放大、电压比较及温度补偿等电路构成。

图3 前置电路拓扑

双元热释电红外传感器3 端和5V 电源间串联10 kΩ 电阻R2，用于降低射频干扰，1 端接地，2 端接5.1 kΩ 负载电阻R1，偏置电压约为1 V。传感器输出直接耦合到低噪声高速运放NE5532 构成的放大电路中，再由电阻R5、电容C2 耦合到3 阶滤波电路中。可计算放大电路的电压增益为:

在放大电路中采用热敏电阻负反馈实现温度补偿［4］，当温度较高时，热敏电阻阻值降低，当温度较低时，热敏电阻阻值上升，这样基本维持输出电压不变。在滤波电路中，根据德州仪器的Filter Pro 软件得出上限截止频率为f=20 Hz，电压增益为1dB。该滤波电路有效地抑制了电磁辐射等高频干扰。在最后一级采用1N4727 稳压二极管，构成1.5V 门限电压比较器，得到幅值为3V的方波，以便单片机A/D 采样。

由于采用了温度补偿、低通滤波，有效地降低了射频干扰及温度变化干扰引起的误报警，比过去的前置放大电路有了较大程度的改进。

2.3 短信报警硬件设计

为了实现手机短信报警并适配市面上的主流手机卡，本系统基于GSM 模块采用了经典的SIM300 集成芯片，具体电路图如图4所示。SIM300 模块是一款三频段GSM/GPRS 模块，具有低功耗设计，睡眠模式下的电流消耗仅为2.5 mA。SIM300 内部集成了TCP/IP 协议，并且扩展了TCP/IP的AT指令，使模块开发数据传输设备变得简单方便。SIM300 采用4.5V 供电，可以直接使用电池供电。单片机通过串行接口与SIM300 进行通信，短信内容由程序提前编好，通过此模块可以直接发送。SIM300 内部功能模块具有调试和数据输出两个串口，更便于开发产品。SIM300 通过RXD和TXD 端口与单片机进行串口异步通信，并通过19、21、23、25 引脚与SIM 卡相连。PWRKEY 端口是SIM300 启动使能端。该设计在此管脚上先给低电平，然后拉高，符合SIM300 启动时所需的信号时序。

图4 GSM 模块及相应的电路图

2.4 节能设计

硬件部分控制器采用超低功耗的MSP430 处理器，在待机时功耗仅为0.33μW，工作状态下也仅为544μW。前置电路拓扑中全部采用5V 供电的运算放大器NE5532，GSM 模块中SIM300 供电电压也仅为4.5V，因此电路可以直接由电池供电。

3 软件部分的改进

3.1 改进系统的主程序流程

改进后的系统主程序流程如图5所示。与已有的主程序相比，主要是在信号判断上采用了新的智能判断方法以及增加了相应的GSM 软件设计。

3.2 信号的智能判断软件及节能设计

为了克服已有的报警系统易因小动物移动等造成的误报警，这里采用MSP430 单片机并采取一系列的智能判断方法。当在一段时间内MSP430 采集到的电压一直处于高电平，表示探测到移动人体经过，此信号作为预入侵探测信号，产生中断唤醒CPU 对红外传感器数据做进一步分析处理。分析处理的核心是进行智能入侵判断，为了对真正的移动人体而不是其它如小动物等进行准确的报警，主要考虑必须在时间、空间和温度上均与人体接近的时候，才能判断为真正的入侵行为。本系统的智能入侵判断方法是通过单片机对给定周期内信号的电压高电平均值和方差大小与设定值Eo和Do 分别进行比较，当符合预设条件时，单片机输出报警信号。经过多次实践比较后，这里预设周期T 取1s、Eo 取3、Do取0.3。信号智能判断方法防止了由于风吹动窗帘、小动物经过等误报警信号的产生，改进了已有的系统单片机的入侵判断方法，降低了误报率。

软件部分采用“待机—唤醒—待机”的方式，在预检信号不满足要求时，单片机处于LPM0 状态，SIM300 处于待机状态。

图5 改进的系统主程序流程图

3.3 短信发送部分软件设计

3.3.1 AT 通信方式

短信发送部分通过单片机的UART 端口发送AT 命令控制GSM 模块发送报警短信。在UART 串口配置时选择串口工作方式1，并通过单片机发送命令AT+IPR=9600 设置波特率为9600b/s，然后通过定时器T01 中断完成AT 命令的发送，发送号码和报警内容也可以相应的在对应的AT 命令中进行修改。短信发送完成后，单片机给SIM300 发送指令，GSM 模块关机，并且单片机进入低功耗状态。

AT 支持text和pdu 两种模式，由于text 模式不支持中文，因此该系统采用pdu 模式。通过AT+CMGF=0 即可实现pdu 模式的信息格式。

3.3.2 发送短信流程

发送短信流程由表1 表示。

表1 发送短信流程工作表

4 实验测试

系统样机制作成功后进行了实验测试。测试开始时，Eo默认值为3，Do 默认值为0.3，但多次测试比较后，可对该默认设定值作适量微调。多次测试结果表明，当外来人员在测量区域入侵时，案发现场报警器能迅速响起，而场外的用户手机最迟在15s 内就能接收到短信报警。此外我们也对外来干扰情况下该装置的反应进行了测试，比如，拉动窗帘、开关室内光源、用热光源对着传感器照射、开关手机、电视机、吹风机等家用电器等，结果发现该系统均未产生误报警。实测结果表明:该系统既能实现现场防盗报警，又能实现手机短信防盗报警，且误报率不高，较为节能。

5 结论

防盗报警系统正越来越受到广泛的重视，现有的被动式红外传感器的入侵探测器存在着误报率较高及不利于场外用户掌控的弱点。本研究基于双元热释电红外传感器RE200B，采用多种抗干扰硬件及软件设计，有效地降低了误报率，同时基于GSM 网络，实现了手机短信及现场的同时报警，较大程度地改进了现有的被动红外传感防盗报警系统。该系统具有以下三个特点:一是误报率较低;二是能以适配于市面主流手机的短信方式实时向场外用户报警;三是方便实用，节能环保，成本不高。该系统在实际应用中前景广阔，也为防火、防灾等其它安保报警系统提供了一种有效的途径。

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