主动式双光路红外报警系统设计与实现

赵 越，张 娟，吴 晨

(江南大学物联网工程学院，江苏 无锡 214122)

0 引言

随着智能家居浪潮的兴起，人们对家居提出了更自动、更智能、更安全的要求。如何花费最小的经济代价获取更可靠的家居安全保障，是智能家居安防产品亟待解决的问题[1]。现有的红外报警系统普遍存在无法平衡性能与成本的问题[2-7]。

针对以上需求，本文提出了一种主动式双光路红外报警系统。该系统在具有良好的可靠性与准确性的前提下，显著降低了成本。采用的双红外光路结构准确分辨了用户行为与入侵行为，使误报与漏报得到了明显的改善，并由无线通信网络，对入侵行为远程报警，实现现场报警和远程报警的联动，进一步提高了系统性能。

1 总体系统设计

系统主要包括信号检测、信号处理、通信传输三个模块。系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

信号检测模块以红外传感器为核心，实时检测行为信号，反馈回信号处理模块；信号处理模块以STM32单片机最小系统为核心，判断和处理行为信号，发出相应的命令，控制硬件单元动作；通信传输模块采用SIM800A低功率全球移动通信系统(global system for mobile communication,GSM)模块实现与用户端的通信传输功能。

外接三个模式切换按键，实现单向通过模式、休眠模式、双向阻断模式之间的切换。

2 硬件设计

2.1 硬件组成

系统硬件部分主要包含STM32F103单片机、开关式红外传感器、SIM800A通信模块，并外接按键电路与声光报警器。红外传感器由5 V电源模块供电，单片机由3.3 V逻辑电平(transistor-transistor logic,TTL)电源模块供电，SIM800A由5 V TTL电源模块供电，三者共地连接。内、外防护网红外接收器的信号端分别与STM32F103的B6、B7引脚连接，用于在产生跳变信号后进入相应中断。硬件组成整体框图如图2所示。

图2 硬件组成整体框图

2.2 信号检测模块

系统采用主动式红外探测器检测入侵行为，红外探测器由红外发射器和接收器组成。发射器发射波长峰值为0.94 μm的红外光束,确保高于可见光波长上限0.76 μm;接收器接收红外光束，产生相应的电平响应。红外接收器拓扑结构如图3所示。

图3 红外接收器拓扑结构图

R5是红外光敏电阻，随着光照的减弱其阻值上升，运算放大器的反向输入端电位升高，激发三极管导通。R9远大于R8，故红外光路未被阻断时，J1/J2端子输出高电平；红外光路被阻断时，三极管导通，J1/J2端子输出低电平。

设置双重红外探测器，内、外探测器分别由多次镜面反射的单源红外光形成防护网。当防护网光路被阻断，探测器电平发生变化时，下降沿作为中断信号反馈给单片机。单片机根据内外探测器电平变化的时序，分辨用户行为与入侵行为。双重防护网结构如图4所示。

图4 双重防护网结构图

应对不同情况时，内网防护网红外接收器的电平变化曲线如图5所示。

图5 红外接收器的电平变化曲线

2.2.1 入侵行为检测

将外、内防护网光路先后被阻断的行为判定为入侵行为。

外防护网光路先被阻断，电平发生由高到低的跳变，下降沿作为外部中断信号反馈给单片机，单片机进入报警识别中断；内防护网光路后被阻断，电平发生由高到低的跳变，下降沿作为外部中断信号反馈给单片机，单片机作出入侵行为的判定，发出报警信号。

2.2.2 用户行为检测

将内、外防护网光路先后被阻断的行为判定为用户行为。用户行为与入侵行为分辨判据如图6所示。

图6 分辨判据

内防护网光路先被阻断，电平发生由高到低的跳变，下降沿作为外部中断信号反馈给单片机，单片机进入用户识别中断；外防护网光路后被阻断，电平发生由高到低的跳变，下降沿作为外部中断信号反馈给单片机，单片机进入应用场合的判定。

内防护网光路先恢复的用户行为发生在阳台门，外防护网光路先恢复的用户行为发生在单向窗。用户行为与入侵行为遮挡防护网的时序不同，可选取合适的判据分辨用户行为与入侵行为。

2.3 信号处理模块

信号处理模块采用意法半导体公司(ST)推出的高性能微控制器STM32F103作为主控单元，实现低功耗、小型化设计[8]，及时响应光路的阻断。STM32F103单片机时钟频率达到72 MHz[9]，指令执行速度快，为系统及时、准确地处理入侵信号提供保证。STM32F103系列单片机是基于嵌入式ARM Cortex-M3内核的32位微处理器，内置高速存储器,包括256 KB的闪存和48 KB的静态随机存取存储器[10]，含有丰富的增强型I/O端口和连接2条APB总线的外设，还包含4个通用16位定时器，以及标准和先进的通信接口[11],以扩展STM32的功能。

STM32中，每一个通用输入/输出端口的中断以组为单位，同组间的外部中断同一时间只能使用一个。内、外两道防护网独立产生中断信号，对应PB6、PB7两组不同的外部中断源。当防护网光路被阻断时，STM32接收由B6、B7引脚传输的外部中断信号。

2.4 通信传输模块

选用SIM800A作为通信传输模块，实现与用户端的通信传输功能。该模块工作在GSM 1 800 MHz频段[12]，由5 V电源供电，休眠状态时电流平均消耗0.55 mA，平均功耗为1 W。

STM32的A2、A3引脚与SIM800A的RXD、TXD引脚连接，实现串口异步通信。报警模式启动后，GSM模块主要负责收发短消息,通过向RS-232串口发送AT指令[13]来实现。AT指令集是GSM模块与嵌入式计算机之间的通信协议,指令的内容均为ASCII码,接收的短信采用TEXT模式。

3 软件设计

设置系统工作状态标志位，低电平有效。当判定用户行为发生在阳台门时，外防护网光路恢复后，标志位置1，单片机进入无效循环；再次检测到的外、内防护网光路先后被阻断，则为用户行为触发的入侵，标志位复位，报警系统恢复正常工作。

三个模式切换按键的状态用三位二进制数表示，按键状态在程序执行过程中持续与上一状态比较。当有按键被按下，单片机将当前状态与上一状态进行异或逻辑判断，确定哪个键被按下，从而进入特定的工作模式：按键1代表休眠模式；按键2代表单向通过模式；按键3代表双向阻断模式。

休眠模式下，单片机停止工作，系统功耗降至最低；单向通过模式具有降低误报率的入侵识别算法，能够识别因用户行为而引起的误报，从而提高本设计的可靠性。在单向通过模式下，可分辨用户行为与入侵行为，显著降低误报率；双向阻断模式下，可监测双向入侵。通过模式切换，能显著降低本发明的功耗，同时提高使用的灵活性。

4 试验分析

4.1 倾斜角与单位长度检测值模型的建立

设红外发射器的倾斜角度为α，红外光路在镜面的反射次数为c,系统安装高度为h，安装宽度为x。倾斜角度与反射次数的关系式为：

(1)

试验中，安装高度h=1.5 m，安装宽度x=0.5 m,则:

(2)

定义单位长度检测值β,其物理意义是单位长度上的平均反射次数:

(3)

系统的可靠性与红外发射器的倾斜角度密切相关。随着倾斜角度减小，反射次数增多，红外光的光路变长，空间内的检测范围扩大，漏报率和误报率降低。

4.2 试验数据统计

试验数据如表1所示。

表1 试验数据

在预定的高度和宽度下进行系统可靠性试验。当倾斜角低至9.5°、单位检测值达到6时，1 000次通过试验中漏报2次、误报0次，因此可认为本系统漏报率为0.2%，误报率小于0.1% 。试验表明，系统可识别速度小于3.4 m/s、横向宽度大于10 cm、高度大于6 cm、以不同姿势通过的人或物体；系统的可靠性与红外发射器的倾斜角度密切相关，倾斜角度越小，漏报率和误报率越低。

5 结束语

本文设计的基于红外探测器的报警系统，可靠性高，实现了对入侵行为的远程通报。优化识别程序，将漏报率降至0.2%，误报率降至0.1%以下；调节红外发射器出射角，可提高红外光路的覆盖密度，有效降低成本。本设计可用于家庭防盗及需控制人员进出方向的场合。