基于STM32与图像复原技术的红外报警装置

郝真鸣，马征，郝晋渊，张祐齐，张利娜

(1.河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002;2.河北大学 中央兰开夏传媒与创意学院,河北 保定 071002)

基于STM32与图像复原技术的红外报警装置

郝真鸣1，马征1，郝晋渊2，张祐齐1，张利娜1

(1.河北大学 电子信息工程学院，河北 保定 071002;2.河北大学 中央兰开夏传媒与创意学院,河北 保定 071002)

设计了一种基于STM32单片机的红外报警系统.系统采用了基于Cortex-M3内核的STM32微控制器来实现;对系统的工作原理、硬件组成以及图像复原的算法进行了详细的叙述.经过多次实验，证明了系统简单实用，安全可靠，适用于家庭防盗、警戒等多个场合.针对图像有运动模糊的问题，采用维纳滤波的算法进行了图像复原，通过实验测试，证实算法可行.

STM32;红外报警;运动模糊;维纳滤波

随着社会的不断进步，社会对智能家居提出了更高的要求，特别是对于住宅的安全方面有了进一步的要求.目前市场上的各种防盗报警产品种类繁多，但就其特点而言，大多数报警产品只能做到声光报警或对于主人进行语音短信提示，不能采集非法入侵者的图像信息，或者拍摄下来的入侵者的图像模糊不清，不能从中得到太多有用的信息[1-3].针对上述报警产品的局限性，本文给出了一种基于Cortex-M3内核的单片机STM32和红外检测技术的新型图像报警系统(precision infrared radiometer,PIR).该系统不仅可以检测到入侵者并进行报警，同时对于事先绑定的手机号进行短信语音提示，而且能够捕捉到入侵者的图像信息[1]，且对运动模糊的图像进行了算法处理，价格相对比较便宜，能够满足市场对于此类产品的需求.

1 总体设计

系统的整体结构如图1所示，系统采用了被动式的热释电人体红外传感器模块，只要有人进入相应的区域内，传感器将会探测到人体产生的红外辐射能量，传感器模块就将接收到的信号通过输出高电平的方式反馈给单片机，单片机接收到传感器输出的高电平之后，就会触发中断，在中断程序中，单片机会驱动声光装置发出警笛声和光照，并同时驱动GSM模组打电话给主人，播放事先录制好的警示语，提示主人发生异常情况;在拨打电话的同时，将事先编写好的警示短信发送到系统绑定的号码，最后将GSM模组获取到的侵入者的图像信息发送到中心服务器上，以便于主人可以随时随地查看侵入者的图像信息，主人只要登录建立好的服务器地址，就可以看到GSM模组上的摄像头拍摄下来的侵入者的图像.

图1 系统的整体结构Fig.1 Overall structure of the system

2 硬件设计

本设计中下位机使用STM32系列的STM32F103ZET6单片机芯片，其是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体合并而成的意法半导体集团推出的超低功耗微控制器，具有运行速度较快和支持位数较多的内核Cortex-M3，而且包含较多的片上外设.热释电人体红外传感器采用的是深圳市趣味电子科技有限公司生产的人体感应模块pm-4.GSM模组采用的是深圳市安信可科技有限公司生产的A6C模块，相应的应用程序是Keil环境下C语言开发.

2.1 PIR的工作原理

热释电红外传感器是一种新型的高灵敏度的通过非接触形式检测人体发射的特定波长的红外线的人体探测元件，它可以将人体红外能量的幅度变化转化为电压变化.人体感应模块上安装有光学元件菲涅尔透镜，菲涅尔透镜镜头表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，依据这种独特的结构，菲涅尔透镜可以使传感器接收到的信号以强弱交替变化的脉冲形式输入，通过这种形式增强能量幅度，提高传感器的灵敏度，增加传感器的探测距离[2].系统在工作中传感器全部依靠吸收获取外部的红外线能量进行探测.另外本系统的使用需要注意以下几点：

1)系统的工作电压是3～15 V.

2)系统应安装在视野不受遮挡的墙壁上，大致与人的头胸等高.

3)监测视野中不能有暖气片等温度快速变化物体，以免误报.

4)当系统用于照度较低环境时，GSM模块上的摄像头应配置成闪光灯模式.

2.2 电路设计

图2所示为系统的部分原理图，热释电人体红外传感器模块的输出级引脚接入单片机的PB2引脚，GSM模块的串口接收引脚接入单片机的串口发送引脚PA9，GSM模块的串口发送引脚接入单片机的串口接收引脚PA10，单片机的中断方式选择为上升沿中断，无异常情况时，红外传感器模块输出低电平信号，当传感器探测到感应范围内产生人体辐射的红外线，输出级引脚的工作状态由低电平转化为高电平，单片机的PB2引脚接收到高电平时，触发中断，单片机开始工作.首先，单片机利用LED和蜂鸣器进行声光报警用于恐吓进入感应区域内的非法入侵者并且指示当前的工作状态;然后，单片机向GSM模块发送一系列相应的AT指令，GSM模块接收到单片机发送的AT指令后，发送事先编写好的报警短信“SOS报警”给事先绑定好的手机号码，在发送短信的同时，对该号码打电话进行报警提示[3].同时，GSM模块启动对应的摄像头，将红外传感器探测范围内的区域拍摄照片，然后将拍摄下来的图片信息通过GPRS网络发送到管理中心服务器.

图2 系统部分原理Fig.2 System part schematic

3 软件设计

系统的软件设计采用C语言编程.软件采用利于修改和调试的模块化设计方法，程序主要分为主程序、中断服务程序和串口程序3部分.主程序首先对各个数据寄存器和外围电路进行初始化，中断服务程序中处理LED和蜂鸣器声光报警电路，串口程序中处理GSM模块的相应电路.图3为系统的程序流程.

图3 系统流程Fig.3 Flow chart of system program

4 去运动模糊的基本算法

在图像采集的过程中，因被拍摄物与照相机之间的相对运动而造成的图像出现模糊不清的现象叫做运动模糊.运动模糊会造成图像几何畸变，也被叫做图像退化，引起图像质量下降，在低照度的情况下这种现象尤为明显，改善这种几何畸变的过程叫做图像复原[4].图像复原是针对图像退化的相反过程去复原原始的图像，使退化图像无限接近于原图像.复原技术的过程很大程度上是一个客观的过程，即需要知道引起图像变劣现象的某种先验知识来复原退化的图像.现在的一些复原技术在空间域和频域上都得到了很好的应用，对于某些场合来说，复原技术已经被很好的公式化了，而对于另一些场合来说，复原技术可能更好地应用于频域.针对人体快速移动时，GSM模块上的摄像头所摄取的图像出现运动模糊这一问题，本系统采用了维纳滤波算法实现图像的恢复.

4.1 图像降质模型

进行图像复原之前要先将图像退化的过程模型化,如图4所示,并根据此模型采取相反的过程以求得清晰的图像.变劣图像k(x,y)可以看做由原始图像p(x,y)经过一个退化函数Q的作用再加上噪声等加性噪声a(x,y).这个数学模型[5]是进行图像复原的基础.

图4 图像退化模型Fig.4 Image deterioration model

图像降质模型可以用数学表达式写成如下的形式：

k(x,y)=p(x,y)*q(x,y)+a(x,y),

(1)

其中，“*”表示空间卷积，q(x,y)表示所有的退化因子，对于频域下的退化模型，由于空间域上的卷积等同于频域上的乘积，因此可以把降质模型用下面的频域表达式表示：

K(u,v)=Q(u,v)P(u,v)+A(u,v),

(2)

式中，K(u,v)、Q(u,v)、P(u,v)、A(u,v)分别是k(x,y)、q(x,y)、p(x,y)、a(x,y)的傅里叶变换.

模糊图像可看作是由人体在x方向上作均匀直线运动造成的，则模糊后图像任意点的值为

(3)

(4)

Q(u,v)是退化模型的傅里叶变换.

4.2 维纳滤波复原方法

维纳滤波是Wiener在1942年第1次提出的概念，也被叫做最小二乘方误差滤波.维纳滤波方法建立在认为图像和噪声是随机过程的基础上，找到一个原始图像的估计值，使它们均方误差的期望最小[6].误差度量由下式给出：

(5)

E{}是数学期望算子.假定：噪声和图像不相关；其中一个有零均值；估计的灰度级是污染图像灰度级的线性函数.上式在频域可表示为

(6)

其中，Q(u,v)表示退化函数；Q*(u,v)表示Q(u,v)的复共轭；Sn(u,v)=|A(u,v)|2表示噪声的功率谱；Sf(u,v)=|K(u,v)|2表示原始图像的功率谱；比率Sn(u,v)/Sf(u,v)称为躁信功率比.若u和v取任意值，Sn(u,v)都为零，那么躁信功率比就为零.此时维纳滤波退化为逆滤波.

当处理白噪声时，噪声功率谱Sn(u,v)是一个常数，大大简化了处理过程.但是，未退化图像的功率谱Sf(u,v)很少是已知的，当这些值未知或不能估计时[7]，经常使用的方法是用下面的表达式近似:

(7)

其中，C代表一个特殊常数.

4.3 仿真实验研究

为了验证算法的有效性，在Matlab软件下进行了图像复原的实验.图5为在红外传感器探测区域内GSM模块摄像头所拍摄的非法入侵者的运动模糊图像，图6为经过维纳滤波方法还原的图像.从图像可以看出经过复原后图像质量有了很大的改善，基本上能够获取图像上的重要信息.

图5 运动模糊图Fig.5 Motion blurred image

图6 经过维纳滤波处理过的图像Fig.6 Image processed by Wiener filtering

5 结语

在实验室的测试环境下，模拟入侵系统监测的区域，系统实时报警并将拍摄的非法入侵者的图像上传至服务器，在登录服务器地址后查看到了图像，并在Matlab软件平台上用维纳滤波算法对模糊的图像进行了图像复原处理.经过多次实验，基于STM32的红外报警系统工作稳定，反应迅速，为智能家居的防盗领域提供了一种可靠的方案,对于家庭检测报警领域具有一定的应用价值[8].同时，本文从运动模糊产生的原因出发，建立了图像降质模型，清晰直观地给出了图像退化的机理，介绍了图像复原的原理和具体实现的过程，解决了由于摄像头与被拍摄物的相对运动产生图像失真的问题，使退化的图像得到最大程度的复原.

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BasedonSTM32infraredalarmdeviceandimagerepairtechnology

HAOZhenming1,MAZheng1,HAOJinyuan2,ZHANGYouqi1,ZHANGLina1

(1.College of Electronic Informational Engineering，Hebei University，Baoding 071002，China; 2.HBU/UCLAN School of Media，Communication and Creative Industries，Baoding 071002，China)

The design of an infrared alarm system based on STM32 single chip microcontroller was introduced.Working principle，hardware composition of system and carried on the detailed narration of image restoration algorithm.After many experiments，proved that the system is simple and practical，safe and reliable，suitable for family security，alert，and many other occasions.In view of the image motion blur problem，the wiener filtering algorithm is used for image restoration，through the experiment testing，confirmed that the algorithm is feasible.

STM32;infrared alarm;motion blur;Wiener filtering

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.06.015

2017-04-02

教育部中西部高校综合实力提升计划项目

郝真鸣(1964—)，男，山西寿阳人，河北大学正高级工程师，主要从事自动化控制、检测技术等研究.

E-mail:hbdxhzm@163.com

TN919

A

1000-1565(2017)06-0667-06

王兰英)