智能无线防盗报警系统设计
2016-09-07陈玉敏孟宪民张晓亮
陈玉敏，谢 玮，孟宪民，张晓亮
(1.哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院，山东 威海 264209;2.山东卡尔电气股份有限公司，山东 威海 264209)
智能无线防盗报警系统设计
陈玉敏1，谢玮1，孟宪民2，张晓亮1
(1.哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院，山东 威海264209;2.山东卡尔电气股份有限公司，山东 威海264209)
设计一种使用彩信发送现场图像到手机的智能无线防盗报警系统;采用单片机STM32做主控制器，当有人员入侵到布防区域时，红外热释电传感器感应到人体红外信号，触发控制器发送拍照指令，随后控制器通过无线通信模块以彩信的方式将抓拍到的图像发送给目标手机，同时将中间处理数据产生的信息以及进行的图像处理保存到SD卡中，实现防盗报警，具有性价比高、可靠性强、实时性高等特点;如搭载操作系统、网络接口等功能可向智能家居等方向实现拓展。
防盗报警；单片机STM32；无线通信；图像处理
0 引言
随着智能家居技术的快速发展和人们生活水平的提高，生命财产安全越来越受重视，家居安全及防盗报警显得尤为重要。先进科学技术为智能家居发展提供了有力的技术支持[1]。目前市场上的防盗报警器，大多比较复杂，实时性差，而且需要专门管理人员去维护，不适合普通用户使用，结合实际情况，设计一种发送信息给手机的智能无线防盗报警系统。
1 系统整体设计
系统整体分为人体红外信号采集模块、图像信息采集模块、无线数据传输模块、数据存储模块。系统工作时，当有人员入侵到布防区域，人体红外释电传感器将检测到的信号反馈给控制器STM32，STM32启动图像传感器OV7670进行抓拍，经过相关处理后，通过GSM及GPRS相结合的方式以彩信的方式发送现场图像到用户手机，再将相关数据保存到SD卡。系统结构框图如图1所示。
图1 系统结构框图
2 系统硬件设计
系统采用STM32F103ZET6作为主控制器，STM32包含处理器内核、嵌套向量中断控制器等，Cortex-M3内核为内存定义了统一存储映射方便系统移植，工作在72 MHz。但STM32工作需要两种不同的时钟源；系统内部时钟由8 MHz石英晶体提供，作为外部高低速振荡器来驱动系统时钟以及作为PLL锁相环的时钟源来实现分频。32.768 kHz的石英晶振为LSI和LSE驱动RTC和独立开门口提供时钟源。系统在初始化时需要通过软件设置来为各种外设选择合适的时钟。
复位电路采用简单的“RC+按键”复位形式。系统上电瞬间，3.3 V电源充电，电容电压上升缓慢，未到3.3 V时芯片引脚近似低电平，使系统复位；充电完毕，电压接近3.3 V，芯片复位引脚为高电平停止复位；系统正常工作时，电容为满电荷状态，按键按下时，电容正负极短路，复位引脚为低电平，使得系统复位，同时电容里的电荷被放完。调试电路中，采用JTAG/SW调试接口，将JLINK仿真器直接与标准的20针JTAG直接相连接，再通过USB与PC机相连接，进行软件调试。
人体红外信号采集模块采用热释电红外传感器。利用人体红外辐射作用引起温度变化进行信号检测，以非接触形式检测人体辐射红外能量的变化[2]。采用LH1968对偶热释电传感器作为检测红外辐射电路的元件，使用时需要安装菲涅尔透镜，在不安装菲涅尔透镜时，传感器探测半径达不到2 m，加上后最高可达10～40 m。当有红外辐射信号到达传感器，安装在传感器前面的透镜将红外辐射信号聚焦在探测源上，使传感器输出电压信号。实际使用中，传感器输出信号较微弱，需要对传感器输出进行滤波、放大等处理。
无线通讯使用TC53i模块实现数据传输、语音及短消息传输。模块将基带电路与射频电路集成到了一起，支持AT指令[3]。将40个引脚分为电源部分、SIM卡接口、数据输入及输出、音频接口和控制开关几种类型。TC53i模块的SYNC引脚通过控制LED1的亮灭来指示其工作状态。当LED1熄灭，代表TC53i模块处于睡眠或关闭；当LED1以600 ms交替亮灭，表示TC53i模块正搜索网络或SIM卡无插入；当LED1处于3 s灭及75 ms亮状态时，表示TC53i模块已经成功登陆到网络，处于待机状态；TC53i模块的TXD0引脚和RXD0脚分别与STM32的RXD2脚和TXD2脚相连，用于串口通信，发送“AT”指令和接收返回信息。其中U2为SIM卡的卡槽接口，共有六个引脚，其中RST为SIM卡复位引脚，CLK为SIM卡时钟信号脚，I/O为串行数据线，GND为SIM卡的接地端口，VPP脚悬空不接，VCC为SIM卡的供电电源。TC53i接口电路如图2所示。
图2 TC53i接口电路
图像采集电路选用OV公司具有1/6寸的CMOS VGA图像传感器。该传感器体积小且能提供VGA摄像头和影像处理器的所需功能[4]。可通过SCCB总线控制其输出整帧、子采样等数据方式，分辨率为8位的图像数据。其VGA图像最高可达30帧每秒。OV7670传感器具有感光阵列、SCCB接口等功能。实际应用时像素时钟频率最高可以达到24 MHz，使用STM32的IO口直接抓取较困难且十分消耗CPU，为了正确得到图像数据，使用带有FIFO的图像传感器模块[5]。OV7670摄像头模块自身提供24 M时钟作为XCLK的输入，相连的FIFO存储芯片AL422B足够存储两帧QVGA的图像数据。模块通过外接排针与STM32连接，能有效的读取稳定图像数据。
无线通讯系统中GSM采用数字调制和时分多址技术，GPRS为通用分组无线业务，充分使用了GSM网络中未利用的TDMA信道，数据传输速率可增加到57.6 kbps[6]。本设计采用GSM短消息和GPRS网络通信相结合的方式传输现场图像。GSM使用AT指令来实现语音通信及信息编码及其他数据业务。AT基本格式：AT
系统采用外部稳压电源的形式为系统供电，电源外部为5 V输入，为使用方便，可直接外接USB供电。电路中使用AMS1117-3.3稳压芯片，同时为了保护电路，防止负载过大而损坏稳压芯片，在电路输入端增压了熔断器和拨动开关。无线通信模块电源通过插针的方式安装在电路中，其供电范围与STM32的范围不兼容，为了不影响系统的运行，外接了一个容量为1 800 mAh、输出电压为3.7 V的锂离子可充电电池。
3 系统软件设计
系统软件采用模块化的编程思想，可分为主程序、警情采集程序、图像采集及处理程序、数据存储程序。利用集成开发环境RealView MDK，μVision编写代码，Keil软件的C编译器、汇编等功能。通过JTAG接口将编译成功源代码下载到STM32运行。采用库函数方式编程，主要包括系统初始化，入侵信号检测、图像信息读取及处理、图像信息发送及存储等。系统工作过程如图3所示。
图3 系统工作过程图
系统初始化主要包括处理器、各个外围接口初始化，使得各设备都能正常使用，外设配置主要包括系统时钟配置、DMA配置、串口配置、SysTick配置。SysTick是STM32中一个最基本的定时器,可实现精确延时[8]。入侵报警模块程序设计中判断是否有人入侵是通过STM32采集和处理红外传感器来实现的，硬件上属于被动式红外感应器，其输出为数字信号，当检测到人体红外信号时，输出高电平，无人入侵时，持续为低电平。本设计采用查询方式，系统一旦检测到人体红外传感器为为高电平，立刻拍照并发出报警指令。图像采集模块程序设计中摄像头在初始化程序中被设置为QVGA时序，格式输出为RGB565，占两个字节内存，每2个字节组成一个像素的颜色(其高字节在前，低字节在后)。其中存储图像数据过程为：主程序中等待图像传感器OV7670同步信号；FIFO在中断函数中写指针复位；FIFO写使能；然后回到主函数等待第二个OV670同步信号；FIFO在中断函数中写禁止。通过上述几个步骤，即可完成1帧图像数据的FIFO存储。摄像头初始化为QVGA输出，其输出分辨率为320*240，FIFO足够缓存一帧数据。在软件设计时，使用外部中断来捕获帧同步信号(VSYNC)，在中断服务子程序内启动OV7670模块的图像数据存储，然后等待下次帧同步信号的到来时，关闭数据存储，一帧图像数据存储完成后，回到主函数，将存储的一帧数据读出来。帧同步信号的中断服务子程序如图4所示。
图4 图像数据存储程序
读取图像数据过程时FIFO读指针在主函数中复位；给FIFO读时钟；读取FIFO中第一个像素高字节；再给FIFO读时钟；读取FIFO中第一个像素低字节；给FIFO读时钟；开始读取FIFO第二个像素高字节；循环读取剩余所有的像素；结束。帧同步信号VSYNC连接在外部中断8上，程序上设置为下降沿触发。ov_sta为标志位，当ov_sta为0时，表示图像数据存储，将FIFO写使能，当ov_sta不等于0时，表示一帧图像已经存储完，此时关闭FIFO写功能。回到主函数，读取图像数据。
JPEG图像进行编码，OV7670图像传感器获取到图像信息为RGB565格式，手机彩信支持的是JPG文件格式，需要将RGB565的图像数据首先保存为JPEG文件格式。选择Huffman编码方式，编码方式第一步，熵编码的中间格式表示；第二步，将熵编码中信息压缩为数据流。JPEG文件可以划分为两部分：标记码(Tag)部分和压缩数据部分。标记码部分记录了JPEG图像的所有信息，例如图像的宽大小、高大小、Huffman表以及量化表等。标记码有多种标记码是由两个字节组成的，高字节部分为0XFF，每个标记码之前可以填充个数不限的0XFF。
数据存储模块程序设计中，首先SDIO时钟，有卡时钟(SDIO_CK)、SDIO适配器时钟、AHB总线的接口时钟。STM32系统中两种时钟关系为SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)其中，SDIOCLK大小为HCLK，一般是72 MHz，其中CLKDIV则是分配系数，可以通过SDIO的SDIO_CLKCR寄存器进行设置。命令都由微控制器发出，其中开始位、传输位、CRC7和结束位由SDIO硬件控制，命令索引参数部分需要软件设置，其中命令索引需要在SDIO_CMD寄存器里设置，命令参数需要由寄存器SDIO_ARG设置。SD卡在接收到命令之后，都会回复一个响应，SDIO控制器与SD卡之间的数据传输都是以数据块的形式传输。
4 系统测试
经过测试系统运行正常，系统可以正常报警；MCU与各个子模块连接正常，通信正常。对红外感应模块包括对探测距离、探测角度、工作电流、拍照功能，存储模块等进行多次测试。经过测试，系统的各项参数均满足要求且抗干扰能力强，系统中设置的手机号码和邮箱都能接收彩信报警信息，通过短消息发送指令，系统可以识别并作出响应。
硬件测试主要检查硬件制作中是否存在虚焊，连线是否正确，尤其是SIM卡槽和SD卡槽，要确定其安装正确。在调试中，应先确定电路是否存在短路，确定安全后才能通电调试，电源模块测试时，先断电检测电气连接是否正确，后接上5 V稳压电源，检查输入端，再测其它需要供电模块引脚电压，是否正常。人体红外信号测试时，红外线属于电磁波，传播时易受到电磁波和障碍物等因素干扰，通过测量感应信号波形，人在检测范围正前方6米内任意走动时，得到效果较好。无线通讯模块测试是通过串口收到的AT指令来工作的，通过PC机上的串口调试助手来进行。首先插上SIM卡并上电，等待模块寻找到网络，串口发送AT+CPOS？查询，返回OK则网络正常。彩信发送测试，当人体热释电红外传感器感应到有人入侵时，微控制器发送相应指令，控制图像传感器拍照，存储到SD卡后，通过无线通信模块发送彩信，彩信发送成功返回“OK”。
5 结语
经过各模块的设计调试，完成一款简单实用的防盗报警器，报警器使用人体热释电红外传感器检测入侵信号，并通过OV7670图像传感器抓拍现场图像，将图像压缩处理为手机彩信支持的JPEG文件格式后，通过GSM无线通讯模块将处理好的图像发送至用户手机，同时可以通过手机短信控制该报警器，实现相应的功能。经过多次测试，实现了防盗报警等基本功能，同时该设计可实现很好的拓展，例如在报警器上搭载操作系统，开发出人机交互界面，加入网络接口等模块，可以很好的实现家用电器之间的互联、控制等。
[1]顾梁,茅靖峰,程莹,等.分布式无线智能LED光照度调控系统[J].计算机测量与控制,2015,23(1):115-117.
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[3]邵黎阳,黄海兴,刘奇石.基于NiosⅡ的远程家电控制系统的设计与实现[J].电子世界,2014,(17):152-153.
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Design of Intelligent Wireless Burglar Alarm System
Chen Yumin1， Xie Wei1, Meng Xianmin2，Zhang Xiaoliang1
(1.School of Information and Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai264209, China；2.Shandong Kaer Electric Co.， Ltd., Weihai264209, China)
Design a kind of using MMS send scene image to the mobile intelligent wireless burglar alarm system。Aadopts the single chip microcomputer STM32 controller, when the personnel emerges to the protection area, induction to the human body infrared pyroelectric infrared sensor signal, trigger the controller to send photo instruction, then the controller through wireless communication module in the form of MMS send captured images to the target phone, at the same time, the information will be treated as middle data and image processing and saved to the SD card, anti-theft alarm, cost-effective, high reliability, high real-time performance, etc. Such as pick up the operating system, network interfaces, and other functions can be implemented to expand in the direction of smart home..
anti-theft alarm; single chip microcomputer STM32; wireless communication; image processing
2015-07-24；
2015-08-19。
哈尔滨工业大学(威海)科研基金(HIT(WH)201303)。
陈玉敏(1978-)，女，黑龙江人，硕士，主要从事控制科学与工程方向的研究。
1671-4598(2016)01-0240-03
10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.066
TB114.3
A
