基于STM32的智能安防系统
2020-06-11何锦淳李爵成李丹
何锦淳 李爵成 李丹
摘 要：针对智能安防的需求，文中设计了一款基于STM32微处理器，在FreeRtos上开发，使用WiFi技术组网接入云平台的安防系统。用户可以在手机终端监控多种传感器数据（温湿度、火情）和实时图像。针对单片机优化的JPEG压缩算法在保证图像质量的前提下增加了图像压缩比，解决了低价格MCU内存小的问题，并降低了硬件设计复杂度。
关键词：STM32F103VET;JPEG编码;FreeRtos;APP;图像压缩比;软件开发
中图分类号：TP216文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-00-06
0 引 言
随着社会技术的发展，家庭、实验室、办公室等对方位安全监控系统的需求愈加凸显。安防监控系统能够实现图像、温度、湿度和门状态等的监测与控制，通过及时触发警报来减少灾害事故。市面上的监控产品是作为单独系统出现，仅仅具有视频监控或空气质量和室内环境的监测、改善功能。考虑到火灾和入侵警报系统复杂度高，价格昂贵，且两者未集成在一个系统中，因此文中设计了一款基于STM32微处理器的智能安防系统。
系统通过平台网页和安卓APP可以进行实时监控与控制，并实现远程开门;通过红外热释传感器监测火情，如果门被强制打开，还将发出警报并通过云将通知发送给住户手机APP。该系统适用场景广泛，安装方便，无需对原有建筑进行改造，且图像压缩存储，大大降低了用户的维护成本和管理成本。
1 智能安防系统方案设计
文中设计的基于OneNET的智能安防监控系统采用STM32作为主控制器，通过WiFi技术组网，经EDP协议连接OneNET云服务器，由用户端显示和控制。通过安卓APP进行实时监控，并由摄像头采集图像信息，待编码后上传到OneNET云平台。采用红外热释传感器检测火情，将ESP8266作为NodeMCU以检测门的状态[1-2]。系统设计方案如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 STM32主控芯片
STM32系列ARM Cortex-M3是32位闪存微控制器，其工作时具有低功率、低电压、实时功能极佳等特点。32位72 MHz CPU的速度基本可满足本文中图片压缩编码的性能需求，其中13个通信接口包括USART，SDIO，I2C和SPI等，实现了系统的图像采集、SD卡读写和网络通信功能[3-4]。电路如图2所示。
2.2 数据采集模块
2.2.1 OV7725摄像头
摄像头模块内部集成有AL422B FIFO芯片，支持输出的最大图像为30万像素，其中单个像素点RGB分量为
2 B，通过输出端口DO0～DO7将像素信息传送至STM32。主控芯片在使用模块时通过SCCB对OV7725的寄存器进行配置。本系统采用两线SCCB对OV7725进行控制，与I2C总线类似。STM32作为主设备，OV7725作为从设备，通过时钟线SIO_C和数据线SIO_D通信（相当于I2C中的CLK和SDA）。摄像头模块与STM32的引脚连接如图3所示。
2.2.2 温湿度传感器、火焰传感器及门磁传感器
DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品的可靠性与长期稳定性。单片机通过I2C总线对其进行配置和控制，在本设计中使用三线型封装。
本设计中使用的火焰传感器可以检测火焰或者波长在 760～1 100 nm范围内的光源，探测角度约为60°，对火焰光谱较为灵敏。
在本设计中，常闭型门磁传感器与ESP8266连接，作为独立于主控的门状态检测和警报发出模块。
2.3 通信模块
2.3.1 ESP8266
ESP8266系列无线模块是安信可科技有限公司自主研发的高性价比WiFi SoC模组。该系列模组支持标准的IEEE802.11b/g/协议，内置完整的TCP/IP协议栈。该模块用以实现设备的联网，也可以构建独立的网络控制器。ESP8266的频率高达160 MHz，外设齐全，支持通用的AT指令开发和SDK二次开发。
2.3.2 ALK8266
ALK8266WiFi是一款灵活、功能强大、高性能、小尺寸的高性价比802.11b/g/n无线模组。上文所提到的ESP8266通过串口通信，通信受串口波特率的限制，网络传输速度无法满足本系统的需求。ALK8266模组提供了SPI接口，可连接MCU，实现与远端TCP/UDP服务器的高速通信，最大波特率可达40 Mb/s，实测有效吞吐量可达1 MB/s，适用于高速采集、语音通信及视频传输等场合。该模组与MCU集成方便，占用主机资源少，同時还提供丰富、实用的API库函数，用以对模组进行配置查询及高速数据收发。MCU和ALK8266的连接示意如图4所示，ALK8266WiFi模组主机系统架构如图5所示。
3 系统软件设计
3.1 FreeRtos编程
本系统将STM32作为主控进行温湿度、火焰信息、图片数据采集等任务。为了更好地进行多任务调度，本设计引入FreeRtos。基于操作系统的程序设计将硬件的控制权转交给操作系统，只需要为硬件模块分配任务及相应优先级即可，因此可以使得程序代码变得更简洁且层次分明。
经过移植操作后，在主函数设计中进行硬件初始化与网络初始化，创建人物并调用vTaskStartScheduler（）启动任务。
代码如下：
int main（void）
{
Hardware_Init（）;
while（OneNet_DevLink（））//接入OneNET
mDelay（500）;
xTaskCreate（（TaskFunction_t）ReceiveCmdTask，"ReceiveCmdTask"，ReceiveCmd_Stack，"ReceiveCmdTask"，ReceiveCMd_Priority，&ReceiveCmdTask_Handler）;
//接受命令任务
xTaskCreate（（TaskFunction_t）Net_Task，"Net_Task"，Net_Task_Stack，"Net_Task"，Net_Task_Priority，&NetTask_Handler）;
//网络任务
xTaskCreate（（TaskFunction_t）CheckSensorTask，"Check_Task"，CheckSensor_Stack，"Check_Task"，CheckSensor_Priority，&CheckSensor_Handler）;//数据采集任务
vTaskStartScheduler（）;
}
3.2 网络传输软件设计
3.2.1 设备接入
在云平台上完成设备创建后，为用户分配产品ID，设备ID和API-KEY。设备通过以太网、WiFi和2G/3G等通信方式连接服务器，并发送请求。
连接请求包含3部分，即消息头、选项和消息体。消息体中可能包含设备ID、产品ID（可选）、鉴权信息。数据包前12 B由开发SDK的API填充，用户只需修改后面的设备号和API-KEY即可。以本系统上线为例，当图6所示服务器收到请求确认设备权限时，会返回连接反馈{0x20，0x02，0x00，0x00}，表示设备成功上线[5-6]，如图7所示。
3.2.2 上传数据和图片
EDP协议支持双向消息传输，消息既可以从设备传向云，也可以由设备云传向设备。上传数据包由消息头和消息体组成。本设计使用Json格式，如{"temperature"："22"，"humidity"："95%"}。该格式结构简单，多数据传输只需按照键值对的形式添加到字符串即可。经EDP协议封包后的数据报结构如图8所示。
3.3 JPEG压缩编码实现
STM32F103获得OV7725的RGB565图像信息，这些数据以数组的形式存储在FIFO中，通过开启帧中断控制取出图像数据。RGB数据加上BMP文件头信息和调色板信息后就是一张BMP图片，一张320×240的16位深度的BMP图大小为225 Kb。为了提高图片传输效率，安防系统中需要对图像进行压缩以降低图片数据量。在保证图像显示效果的前提下，本设计引入JpegLib实现JPEG压缩。JPEG是一种有损图像压缩方法，可以在存储大小和压缩程度之间进行权衡，可以针对用户对画质的需求调整文件大小，降低了系统硬件的成本消耗[1，7]。算法流程如图9所示。
系统部分代码如下：
jpeg_set_default（cinfo，inbuf_buf）;//设置默认参数
jpeg_start_compress（cinfo）;//开始压缩，写压缩文件头信息
FIFO_PREPARE;
count=0;
while（cinfo->next_line
{
for（i=0;i { READ_FIFO_PIXEL（color）; cinfo->inbuf[count++]=（u8）（（color&0xf800）>>8）; cinfo->inbuf[count++]=（u8）（（color&0x07e0）>>3）; cinfo->inbuf[count++]=（u8）（（color&0x001f）<<3）; } cinfo->next_line++; if（cinfo->next_line%cinfo->inbuf_height==0） {//当数据填满时压缩并输出数据（填满16行） count=0; jint_process_rows（cinfo）;//压缩 memset（（void*）（cinfo->inbuf），0，cinfo->inbuf_size）; //清空輸入缓冲区 } } jpeg_finish_compress（cinfo）; 4 安卓软件开发 该APP主要实现对监测环境各项环境指标的实时查看，对温湿度阈值和摄像头的拍照功能进行控制，还可通过手机控制门的开关。APP主要包括三大模块，分别为实时数据模块、调控模块和历史数据模块。图10所示为APP操作功能图。 （1）实时数据模块：支持获取当时环境的图片、火情、门状态以及温湿度和当前温湿度的阈值，可以实时获取当前环境参数，并支持下拉刷新。 （2）调控模块：可通过当前模块给设备发送命令，从而控制当前温湿度的阈值范围，并能控制设备的摄像头拍照，也能够通过手机前置摄像头拍照功能实现人脸识别，以控制门锁的开关。 （3）历史数据模块：可实现对以往各项数据的查询。 4.1 实时数据模块 该模块负责获取数据并展示给用户，其界面主要包括上半部分的照片区域和下半部分的环境参数区域。模块使用SwipeRefreshLayout实现下拉刷新功能，使用Retrofit+RaJava网络请求框架实现用GET方法通过由设备上传到OneNET平台上的数据流来读取设备收集到的数据，并显示到各数据区域中。图11与图12分别为数据模块的界面与从OneNET获取数据的流程。 4.2 调控模块 该模块负责对设备功能的控制，主要包括温湿度阈值控制、拍照控制和对门开关的控制。本界面设计了TextInputLayout与TextInputEditText的联合使用，用户输入计划改变的温湿度阈值，然后点击“确认”按钮，通过网络请求框架用POST方法给平台下达命令，从而控制设备。调控界面如图13所示，对设备的控制流程如图14所示。 4.3 历史数据模块 历史数据模块负责提供对以往环境参数的查询功能。该模块使用Spinner控件提供要查询的参数选择，设有三个EditText用以方便用户输入要查询的日期，同时还使用RecyclerView来显示查询的数据。图15为历史数据模块界面。 5 系统测试与应用 5.1 应用测试 智能安防系统上线后，系统定时上传数据并在平台Web页面（图16）和安卓APP显示。手机对系统进行的控制均响应在1 s之内，若WiFi异常或服务器异常，则系统会采取相应的重连措施，并在LCD显示网络状态，如图17所示。 5.2 网络测试 STM32F103在CPU 72 MHz条件下实测UDP的传输速度达到700～800 Kb/s，TCP传输速度达到650～750 Kb/s，是普通串口WiFi模块的700倍以上。经测试，系统在普通WiFi环境下不丢包、不多包，不多字节，稳定高速的通信可持续5 h以上。 5.3 图片压缩测试 本次实验测试在单片机STM32F103VEt上运行JPEG压缩算法，进行图像压缩（压缩一张图片大概需要2 s）后对达到实际图像品质的图像加以对比分析。 图18中，原图是OV7725拍摄的照片，为BMP格式，图像分辨率为320×240。通过设置质量因子，可以得到不同压缩程度的照片。质量因子越小，压缩后照片的质量越高，压缩比越小。经过反复测试可知，将质量因子设定为75时的清晰度和文件大小比较适合本应用。 6 结 语 本文利用STM32F103VET通过ALK8266模块实现了安防系统与OneNET云平台的对接，通过客户端对系统进行监控和控制，可以在有人闯入或者发生火情时及时向用户发出警报。同时实现了图片的压缩算法，大大降低了带宽要求和传输延时。该系统实际运行稳定，成本低，适用于大部分安防情景。基于云平台的智能安防系统还可以在智能家居网关中进行扩展，实现对家中老人和小孩的监控。 注：本文通讯作者为李丹。 参考文献 [1]张艺.基于STM32的监测系统中图像处理技术的研究与应用[D].武汉：湖北大学，2018. [2]王坤，丁红胜.基于STM32的图像编码与采集系统[J].电子设计工程，2018，26（5）：179-183. [3]任志敏.一种ARM Cortex-M3 MCU的图像采集与JPEG压缩系统设计[J].自动化技术与应用，2013，32（9）：24-28. [4]曾胜艳，王善伟.基于STM32的无线图像采集器[J].福建电脑，2018，34（11）：110-111. [5]徐建功，赵捷，李伟，等.基于STM32F103XX微处理器的Micro SD卡读写[J].现代电子技术，2010，33（20）：26-28. [6]崔鹏伟，闫学文.基于SD卡的FATFS文件系统的研究与应用[J].工业控制计算机，2013，26（11）：141-142. [7]崔宪伟.一种基于物联网的智能大棚监控系统的研究[D].青岛：青岛科技大学，2018. [8]刘晓剑.基于OneNET的物联网监控系统[D].郑州：郑州大学，2016. [9]刘美枝，杨磊.基于Matlab人脸检测实现方法在智能安防系统中的应用[J].电子技术与软件工程，2019（19）：63-64. [10]许宝成.华为发布2019智能安防业务新战略[J].計算机与网络，2019（16）：74-75.
