基于ARMCortex-M3内核的家庭安全系统
2017-01-18陈戈珩
魏 林， 杨 林, 陈戈珩
(长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130012)
基于ARMCortex-M3内核的家庭安全系统
魏 林， 杨 林, 陈戈珩*
(长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130012)
系统主要由单片机和主动式红外热释电传感器组成，通过GSM全球移动通信系统，把有异常行为地点的情况以短消息的形式发送至手机，及时提醒房主报警。
报警; GSM; 液晶显示
0 引 言
近几年，随着人民生活水平连续提升和社会经济飞速发展，人们对防盗问题越来越关注。不法分子各种手段的盗窃对于传统的防盗门和防盗窗已经如同虚设，威胁着人们的私有财产，人们越来越渴望有一个安全的生活空间，并迫切需要能够实时提示报警的家庭防盗系统，一旦发生险情可以及时通知房主，以便挽救个人财产[1]。
针对以上情况设计基于ARM Cortex-M3内核微处理器防盗报警的家庭式安全系统，此系统使用方便并且防盗及时，它的先进技术在于利用GSM 进行传送信息，把有隐患地点的情况以最直观的短信消息直接发送到房主的手机上，让房主不受到财产的损失[1]。
1 系统硬件设计
控制系统电路中的MCU(微控制器)选用了性价比较高的STM32系列----STM32F103RBT6单片机。但是STM32的工作电压(VDD)为2.0～3.6 V，而系统供电电源是5 V开关稳压电源，因此需要降压，故采用AS1117低压差线性稳压芯片，输出固定电压3.3 V。原理如图1所示。
图1 5 V转3.3 V原理图
防盗系统的时钟取用了3种时钟源,可用于驱动系统时钟(SYSCLK)：
1)HSI振荡器时钟;
2)HSE振荡器时钟;
3)PLL时钟。
1.1 GSM模块电路设计
系统之所以选用GSM短信模块功能是因为可以更快速得到房屋情况，几乎“零距离”地掌管。因为短信息费用极其便宜使其广泛应用，能够取代无线遥控这样一般的方式。
系统使用的是西门子公司的TC35模块，它是一款双频900/1800 MHz集成度高的GSM模块。TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、FLASH、ZIF连接器、天线接口6部分组成。基带处理器作为TC35的核心,主要处理GSM终端内的数据、语音信号,并涵盖了其他射频设备中所有的模拟和数字功能[3]。
通信协议采用异步串行通信的传送方式通常有3种：单工方式、半双工方式和全双工方式。本LCD用的是半双工方式。
异步串行数据传输的格式及波形如表1和图2所示。
表1 异步串行数据传输的格式
图2 异步数据传输波形
1.2 红外热释电传感器
人体恒定体温基本在36.5°～37.0°，会发出特定波长10 μm左右的红外线，可利用菲泥尔滤光片将人体所辐射出来的红外线有效地集中于热释电红外传感器上，通过热释电红外传感器将收集到的红外线能量转换为电气信号[4]。光学滤镜的主要作用是只允许波长在10 μm左右的红外线(人体发出的红外线波长)通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。当有人体发生位移改变时,热释电红外感应器感应的温度是周围环境的背景温度，否则就会通过菲涅耳透镜使其感应到温度变化，并得到与背景温度差异信号，因此热释电红外传感器探测的就是移动物体与背景物体的温度差异[5]。
模块外接示意图如图3所示。
1.电源负极； 2.OUT信号输出； 3.电源正极；L.不可重复触发端口； H.重复触发端口；CDS.光敏电阻； RT.温度补偿电阻
红外热释电水平与垂直感应范围分别如图4和图5所示。
图4 红外热释电水平感应范围图 图5 红外热释电垂直感应范围图
1.3 红外遥控器模块
红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有信息传输可靠、抗干扰能力强、易实现、低功耗、低成本等明显的优点，因此被选用。
红外遥控编码目前广泛使用的是：NEC Protocol 的PWM(脉冲宽度调制)和PhilipsRC-5 Protocol 的PPM(脉冲位置调制)。
遥控器按下键2时，在红外接收头端得到的波形如图6所示。
图6 红外接收波形图
红外接收头电路图如图7所示。
图7 红外遥控器
1.4 液晶显示屏
迪文DMT32240产品采用异步、全双工串口(UART)，串口模式为8N1，即每个数据采用10个位：1个起始位8个数据位(低位在前传送，LSB)，1个停止位[6]。
本系统用到的LCD是迪文公司DMT32240T035真彩液晶屏，3.5英寸，65 K色，分辨率320*240。
通信帧缓冲区(FIFO)，迪文HMI有一个24帧的通信缓冲区，通信缓冲区为FIFO(先进先出存储器)结构，只要通信缓冲区不溢出，用户可连续传送数据给HMI[7]。
数据帧架构见表2。
表2 数据帧架构
迪文HMI的所有指令或者数据都是16进制(HEX)格式；对于字型(2字节)数据，总是采用高字节先传送(MSB)方式。比如，x坐标为100，其HEX格式数据为0x0064，传送给HMI时，传送顺序为0x00,0x64。
传送方向：
在迪文HMI上，传送方向按照下面的规则定义：
下行(Tx),用户发送数据给HMI，数据从HMI用户接口的“DIN引脚”输入；
上行(Rx),HMI发送数据给用户，数据从HMI用户接口的“DOUT”引脚输出[7]。
用户与HMI接口示意图如图8所示。
图8 用户与HMI接口示意图
设置当前调色板(0x40)
Tx: AA 40
Rx: 无
16 bit调色板定义是5R6G5B模式，见表3。
表3 5R6G5B
DMT32240接口电路图如图9所示。
图9 DMT32240接口原理图
1.5 声光报警
检测到有险情的时候，PA12输出低电平，NPN三极管导通，LED点亮，PA1输出高电平NPN导通，继电器3引脚和1引脚导通，蜂鸣器响。声光报警模块如图10所示。
图10 声光报警模块
2 系统软件设计
2.1 主程序流程图
主程序是再开机后首先进行初始化:
1)M3微处理器的系统时钟为72 M[8];
2)DMT32240T035彩屏用到的串口2初始化，设置波特率为115 200 bps;
3)GSM模块用到串口1初始化，设置波特率为9 600 bps;
4)热释电传感器，红外遥控器的IO初始化;
5)检查GSM模块是否启动;
6)检查是否插入sim卡;
7)设置密码功能;
8)设置用户手机号功能;
9)设防功能:检测有无人的进入，如果有人进入,30 s内没有输入正确的密码，发送信息报警;检测烟雾浓度，超过设定阈值，发送信息报警。
2.2 软件模块化设计
2.2.1 LCD模块驱动程序设计
初始化串口2，设置波特率为115 200 bps，发送握手命令，清屏，设置颜色背景前景颜色，发送数据显示。
LCD程序流程如图11所示。
图11 LCD程序流程图
2.2.2 红外热释电传感器
红外热释电相连的IO设置为输入模式，并使能下拉，检测红外热释电模块是否输出高电平，检测到高电平说明有人进入。
程序流程如图12所示。
2.2.3 GSM模块
GSM流程如图13所示。
2.2.4 红外遥控器
红外接收的解码程序流程如图14所示。
图12 红外热释电程序流程图
图13 GSM模块程序流程图
图14 红外遥控器解码程序流程图
3 系统调试
3.1 硬件调试问题
用PC机串口调试助手调试Tc35的时候会出现乱码，起初认为是Tc35的AT指令发错了，用网上查找的很多方法尝试，还是会出现乱码，并找不到原因，用其他人的电脑试了一下，竟然成功了，才知道原来是系统问题，PC机是WIN7系统，用XP系统就没有出现乱码的现象，可能存在兼容性问题。
3.2 软件调试问题
红外热释电传感器的调试很简单，平时没有人的时候OUT信号输出低电平，一旦检测到有人的时候OUT信号输出高电平。LCD程序调试过程是将硬件电路连接完毕后，对原程序进行编译，调用初始化液晶模块子程序#include"DMT32240T035.h"，若载入仿真器仿真运行，如可以从液晶屏上看到相应的字符出现，则能满足预期的设置。红外遥控器的调试思路是：首先将红外接收头的输出信号和示波器相连，按下红外遥控器的任意键时，会在示波器上看到波形，然后进行解码，再用液晶显示，可以看到每个键按下的正确码值[9]。
4 结 语
系统以智能家居为目标，设计了一套防火、防盗的家庭安全系统，对智能家居进行了初步试探性的研究。
1)CM3构架的STM32拥有丰富的资源;
2)采用彩屏显示，可以方便地控制整个系统，使得整个系统的操作非常人性化。彩屏显示是人机交互的必然走势，相信在以后越来越多的产品会使用[10];
3)芯片厂家提供的技术资料以及器件上的标注不一定都正确，有的时候必须结合实际分析，才能解决问题;
4)KEIL FOR ARM对STM32的开发提供了非常好的支持，该软件支持仿真，能为软件开发提供很大的方便。
[1] 黄欣荣.基于GSM 短信模块的家庭防盗报警系统的设计[J].中国新通信,2010(9):83-85.
[2] 刘火良,杨森.STM32 库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.
[3] 刘涛，张春页.基于手机模块TC35的单片机短消息收发系统[J].电子技术,2003(3):32-35.
[4] 何丹.基于ARM 无线智能监控系统的设计与实现[D].西安：长安大学,2009.
[5] 刘辉.智能LED灯控制系统[J].长春工业大学学报，2015，36(1):53-56.
[6] 潘斌,郭红霞.短信收发模块TC35i的外围电路设计[J]．单片机与嵌入式系统应用,2004(7):48-50.
[7] 叶卫,胡俊达.基于TC35iGSM模块的短消息收发系统设计[J].测试测量技术,2008(5):27-29.
[8] 王海民，王宏志.STM32以太网控制系统[J].长春工业大学学报:自然科学版，2014，35(1):60-65.
[9] 张有迪，张传胜.基于ARM控制器的TFT-LCD显示系统[J].长春工业大学学报:自然科学版，2012，33(6):681-685.
[10] 刘延青，费凌，任书君.基于ARM的家庭安全监控系统[J].西华大学学报:自然科学版，2011，30(2):28-31.
Family safety system based on ARMCortex-M3
WEI Lin, YANG Lin, CHEN Geheng*
(School of Computer Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)
The system mainly consists of a microcontroller and active infrared pyroelectric sensors. With GSM network, the information at alarmed location will be directly sent to cell phone by SMS to prompt the householder.
alarm; GSM; LCD display.
2016-03-19
吉林省科技厅科技攻关计划项目(20150204073GX)
魏 林(1976-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学硕士研究生，主要从事信号与信息处理方向研究,E-mail:1026459117@qq.com. *通讯作者：陈戈珩(1961-)，女，汉族，吉林长春人，长春工业大学教授，主要从事信号与信息处理方向研究,E-mail:chengeheng@ccut.edu.cn.
10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.11
TP 393
A
1674-1374(2016)06-0570-06
