可视化电子门铃系统设计

杨晓龙

（西安石油大学 陕西 西安 710065）

可视化电子门铃系统设计

杨晓龙

（西安石油大学 陕西 西安 710065）

由于普通门铃存在很多弊端，已经不能满足人们的要求，本文利用STM32为主控芯片设计了一款可视化电子门铃系统。该系统在普通门铃功能的基础上增加了可视、拍照存储、人体检测等功能，并加入了GSM模块，使门铃具有拨打电话功能。结构简单，系统稳定，效果良好。

门铃；可视化；GSM模块

1 引言

近年来，一些智能家居产品已经进入了人们的生活，门铃系统作为智能家居系统的重要部分，其研究与发展的重要性不言而喻。传统门铃只单单具备提醒功能，而传统猫眼也具有一些弊端，例如小孩由于身高看不到屋外访客，老人由于视力下降而看不清楚，盗贼容易通过猫眼入室盗窃等等。而可视化电子门铃系统已经发展成为具提醒、防盗、可视等为一体的一个完整的智能系统[1]。近几年，我们经常可以在朋友装修的新房中看到可视化电子门铃，但是，可视化门铃在中国的应用时间不长，在本世纪80年代才有单户对讲产品面世，自1992年起，各大制造商才陆续开拓中国市场。国外在可视化门铃方面的研究相对深入，2008年10月，韩国三星公司推出SHT-705系列可视对讲系统。2009年11月，GE安防集团推出了Miracle全数字楼宇对讲系统。2011年6月霍尼韦尔发布IS-6500数字可视门禁系统。2015年，美国的BOT Home Automation公司推出一款智能门铃Ring，宣称“无论你身在何处，随时可以查看谁在门外。”[2]

总结国内外相关研究现状和特点，目前所采用的模拟视频技术存在的不足：如抗外界干扰能力差，夏天外界温度较高时，人体感应检测不灵敏；有行人路过时，主屏幕会经常被开启；图像传输信号差的等现象；远距离传输时需要加放大器进行放大，功能比较单一，难以扩展等。综上，设计一款国产的智能可视化电子门铃系统的意义非常重大。

2 可视化门铃的工作原理

可视化门铃系统主要由红外检测、图像采集、语音提示、存储、通讯五大模块组成。红外检测模块主要负责检测访客到来，向主控芯片发送信号来控制摄像头和LCD屏幕的开启。图像采集模块主要负责对屋外访客的图像进行采集，拍视频或照片。语音提示模块主要负责在访客按动门铃后，发出提示音（例如最常见的“叮咚”声）。存储模块主要负责将采集到的图像（照片、视频）进行存储，方便用户日后翻阅。通讯模块主要负责在用户外出时若有访客来临，控制门铃当作一个电话和主人进行电话通讯。这五个模块统一由STM32来控制和管理。图1为系统总体框架图。

图1 系统总体框架

3 系统硬件设计

3.1 红外检测模块

红外检测电路采用热释电传感器AM312来实现，AM312是将数字智能控制电路与人体探测敏感元都集成在电磁屏蔽罩内的热释电红外传感器。人体探测敏感元将感应到的人体移动信号通过甚高阻抗差分输入电路耦合到数字智能集成电路芯片上，数字智能集成电路将信号转化为15位的ADC数字信号，当PIR信号超过选定的数字阀值时就会有延时的REL电平输出，所有信号处理都在芯片上完成。其内部结构图如图2所示[3]。

当探头接收到的热释电红外信号超过探头内部的触发阈值之后，内部会产生一个计数脉冲，当探头在4s内第二次接收到这样的信号后，探头就会报警，同时，REL引脚有高电平触发。另外，只要接收到的信号幅值超过触发阈值的5倍以上，只需一个脉冲就可以触发REL的输出。下图为触发逻辑图3。

图2 AM312内部结构

图3 智能探头报警触发时序图

通常，PIR传感器要和菲涅尔透镜配合使用，透镜的作用就是虑光，可以将一些来自于外界的杂光滤除掉，只保留人体的红外光，从而增加了传感器的灵敏度，有效的防止了“误感应”，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出20米范围内人的行动。而其他动物的行动将不会触发传感器的高电平输出。

3.2 图像采集模块

图像采集模块采用CMOS图像传感器OV7670来实现。OV7670/OV7171 AMERACHIPTM图像传感器，体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整贞、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。其VGA图像最高达30帧/秒。可以完全控制图像质量，数据格式和传输方式。所有图像处理过程都可以通过SCCB接口编程[4]。当访客到来时，此模块就会采集到访客的图像信息，通过接口将数据传到控制芯片中，再由LCD屏显示出来。这样就实现了可视化的功能。

3.3 语音提示模块

语音提示模块主要完成访客按动门铃后，发出提示音的功能。这个功能不需要主控芯片控制，语音芯片在检测到门铃按动时就发出声音。现在市场上有一些价格低廉，效果较好的门铃芯片，正好可以使用。

系统选用TQ4038芯片作为门铃芯片，该芯片是一款4和弦音乐芯片，内置38首曲目可供选择。工作电压范围为3～4.5V，接好电路后，可以用按键控制音乐播放与暂停，选取曲目，也可增加或减小音量（4级音量控制）。而且，还可接一个LED灯随音乐闪烁。

3.4 存储模块

存储模块主要用来对采集到的图像或视频进行存储的功能，方便用户查阅。比如我们将每天拍到的访客的照片（视频）存到外置的SD卡中，既可以在门铃的LCD屏幕上观看，也可将卡拆下来，放在电脑上观看，这样，用户就可以了解到每天的访客情况，也可以在小偷来踩点时及时发现，采取措施加以防范。

SD卡的相关资料，可以在网上搜索到，资源相当多，系统通过编程对SD卡进行控制管理，主要实现照片存储和自动覆盖功能，例如，照片拍好后会自动存入SD卡中，当系统检测到SD卡存满时，新的照片将覆盖最早的照片，这样，就实现了照片自动删除的功能，这个设计，大大的为用户提供了方便。

3.5 通讯模块

通讯模块采用GSM模块SIM900A来实现。SIM900A是一个专门为中国和印度市场设计的2频的GSM/GPRS模块，扩展的TCP/IP AT命令使用户使用更加方便[5]。利用该模块，用户可轻松的实现拨打电话、发送，接收短信等功能。当用户不在家时，访客按动门铃系统启动该模块，直接向用户的手机拨打电话，以便和访客进行通话。

3.6 主控芯片

系统采用STM32F103ZET6芯片作为主控芯片，主要用来对各个模块的控制和管理，以及图像信息的显示，通讯命令的发送等等。例如，当芯片检测到PIR传感器产生的高电平时，经过延时，开启LCD屏幕，并将图像显示出来，并且拍照（拍视频）。再例如，当用户设置门铃为外出模式时，控制芯片检测到门铃按下后，开启摄像头进行拍照存储，然后开启SIM900A模块进行拨打电话等功能。另外，由于，门铃属于大众消费品，所以应该具有良好的交互界面，方便用户操作，这些都要利用主控芯片来实现。

4 软件设计

可视化门铃系统要具备如下功能：在访客模式下，按动门铃，屏幕开启，发出提示音，拍照存储，等待主人开门，系统待机。在离家模式下，按动门铃，屏幕开启，发出提示音，拍照存储，启动通讯模块，拨打电话，系统待机。在免扰模式下，按动门铃，屏幕不开启，不发出提示音，拍照存储，系统待机。根据功能的要求，设计出具体程序流程，图4是在访客模式下，程序运行的流程图。其他模式下的运行流程和此模式下只是略微有些差异，就不作展开介绍。

图4 访客模式下系统运行流程图

5 系统功耗讨论

本系统从设计开始就一直关注功耗问题，因此，系统都采用低功耗芯片，而且，在系统开机运行时，大多时间都处在待机状态，在此状态下，功耗很小。门铃属于家居产品，因此可以使用220V来供电，也可使用电池来供电。非常方便，也很稳定。

6 结语

随着电子产品快速的更新换代，成本不断降低，功能不断完善，设计高性能电子设备为生活提供便利是一件既符合潮流，又有意义的事情，它可以让普通群众直观的感受到科技的进步。设计可视电子门铃系统虽然没有很大的宏观价值，但它为以后的门铃发展提供了一个思路，更重要的是，它可以培养一些电子制作爱好者对电子技术的兴趣，激发人们对科技不断探索。

[1]中国门禁网.楼宇对讲产业化发展.http://www.accessnet.cn/info/detail/44-20980.html.

[2]中企调研网.2012-2015中国可视门铃产业发展和规划研究报告.http://cn-report.com/report/417195.html

[3]邓串，张小华.一种新的PIR人体检测方案研究与设计[J].湖北工业大学学报，2016.

[4]姚立斌.低照度CMOS图像传感器技术[J].红外技术，2013，03:125-132.

[5]SIM900A_硬件设计手册_V1.04.2010.10.26.

Design of visual electronic doorbell system

Yang Xiaolong..
Xi’an Shiyou University,Shannxi Xi’an,710065 ,China.

As the ordinary doorbells have many disadvantages,have already met the requirements of people,this articledesigned a visual electronic doorbell system using STM32 for the control chip.Compared to the ordinary doorbell,the system increase in visual,pictures storage,human detection and other functions,and joined the GSM module,so that the doorbell has acall function.Simple structure,The system is stable and has good effects.

Doorbell,visual;GSM module

TM925.91 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）02-0093-02