基于嵌入式与GPRS无线通讯防身报警系统*

罗维康，张亚婉，张彩威，黎伟健

（广东工业大学华立学院，广州 511325）

0 引言

近年来女性遭受侵害的案件越来越多，其中女性独自搭乘网约车遇害的案件不在少数，而目前市面上的女生防狼喷雾存在刺激性气体、易误伤自己等缺点。防狼警棍、强光手电筒等防狼产品，便携性差，易被对方发觉而增加自身危险。针对该问题，设计此报警系统，以弥补现有防狼产品的易误伤、伪装性差等缺陷。

如今GPRS无线通讯技术已是一项相对成熟的技术，被广泛应用于智能设备中，相较于采用蓝牙，GPRS可独立通讯，不需要连接附近的手机就可以对外发送信息。本设计采用的GPRS技术和GPS技术，可通过GPRS对外发送求救信息和实时位置。同时，嵌入式单片机对强光LED、蜂鸣器的控制，可为遇险人员争取一定的救援时间，引起周围路人的注意，从而帮助遇险人员脱离危险。

1 总体设计方案

本系统由摄像头采集环境图片并存入到SD卡、双全球定位系统来定位人的位置，传递给嵌入式单片机进行信息处理后，通过GPRS无线通信技术，以短信形式发送求救信号和位置信息给紧急联系人，请求救援。同时使用蜂鸣器发出高达120 dB的声音，引起周边人的强烈注意，以及发出强光照射对方，为自己争取到一定时间，从而脱离危险。

嵌入式单片机对采集到信息的处理过程如图1所示。报警器的实时位置也可以通过GPS＋北斗双全球定位系统来进行定位，最后通过串口通信来与GPRS无限传输模块与手机紧急联系人通信。

图1 信息处理

GPRS无线通信技术通信过程如图2所示。当嵌入式单片机处理完所采集的信息后，通过WH－LTE－7S4 V2模块发送短信到紧急联络人的手机上，达到将当前实时信息传输到网络的功能。

图2 GPRS无线通信技术

2 硬件设计

该报警系统硬件部分主要包括嵌入式微控制器模块、GPRS模块和GPS/北斗模块。其中嵌入式微控制器模块对数据进行处理并作出相应的控制。GPS/北斗模块采集当前位置信息，GPRS模块通过串口接口与主控器组建网络并连接手机端[1]。

2.1 嵌入式单片机

本系统选取STM32F103C8芯片作为报警器的主控芯片，该芯片在移动通信以及通用处理等领域得到广泛使用。片上集成5个通用同步/异步串行收发器，采用较低的电压供电2.0～3.6 V[2]；其中PWM输出最多可占6个通道；另外还拥有2个看门狗定时器[3]，嵌入式单片机最小系统如图3所示。

图3 单片机最小系统电路

2.2 OV7670摄像头

本系统图像采集系统采用OV7670摄像头模块，OV7670摄像头具有体积小、工作电压低等特点[4]。采用带FIFO模块的OV7670，将FIFO作为数据缓冲区，可使数据采集变得更简便，用户只需关心如何读取数据即可，不需关心数据如何采集，可减小CMOS的控制与时序关系，即可实现图像的采集。

OV7670原理如图4所示。

图4 OV7670原理

2.3 GPRS模块

GPRS数据业务通过Internet网进行通信。采用GPRS技术的无线通讯系统具有传输速度较快、始终在线、实时性高、安全性强、资费便宜等特点[5]。采用TCP/IP协议，GPRS模块（DTU）可将数据传至远程数据端，GPRS模块GPRS通讯系统结构如图5所示。

图5 GPRS通讯系统结构

USR－GPRS－734支持RS485串口，可实现GPRS网络与串口数据双向透明传输，提供高达171.2 kbit/s的传输速率，应用带宽大约30～40 kbit/s[6]。其支持多重保护，包括电路保护、电源保护、RS485口保护，是一款高稳定性的联网设备。其工作过程为：首先在DTU插入具有GPRS功能的SIM卡，然后对DTU进行上电操作，再注册到GPRS网络，最后对GPRS网络和数据处理中心建立连接[7]。

2.4 GPS/北斗模块

A9G是一个完整的四频GSM/GPRS＋GPRS/GPS模块。A9G支持固件二次开发，具有25个IO、UART、SPI、I2C、LCD、SDIO、ADC等多种外设，在多数情况下可以直接省去外部MCU；支持GPS、BDS（北斗）定位；支持语音通话及SMS短信；支持UART接口下载等优势。A9G支持CoAP、MQTT、HTTP 3种物联网通讯协议，可供用户根据需要灵活选择[8]。

3 软件设计

报警器的软件系统包括图像采集模块、位置信息采集模块、控制处理模块、GPRS无线通讯模块、按键模块以及声光报警模块。当有按键按下开始采集周围环境信息，包括图像的采集和位置信息；当有第二个按键按下，即进行GPRS无线通讯向紧急联系人发送求救信号和位置信息，并进行现场声光报警。控制主流程如图6所示。

图6 控制主流程

3.1 嵌入式单片机

STM32主控芯片主要进行中断初始化、串口初始化处理、图像采集、GPS位置信息采集、无线通讯与声光报警进行控制。LED和蜂鸣器可直接由I/O产生不同高电平信号控制，控制LED和蜂鸣器的IO口为PA4和PA5，都设置为推挽输出模式。

3.2 OV7670摄像头程序设计

STM32利用外部中断监控OV7670的数据输出，若OV7670生成同步信号，就会触发STM32的外部I/O中断，可在中断服务子程序中，对OV7670进行读写操作，第二次检测到同步信号时，STM32关闭FIFO写使能，关闭OV7670的图像输出，同时通知STM32主程序，开始从FIFO缓冲区中，读取当前帧的图像数据。

编程设置OV7670采集图像，并将采集好的图像转化为数字信号储存在SD卡中。

3.3 GPRS无线通信模块程序设计

在USR－GPRS－734中内嵌了TCP/IP协议栈[9]，数据的收发可通过AT指令完成，开机后，GPRS数据的发送由设置AT指令实现。网络配置流程如图7所示。

图7 网络配置流程

3.4 GPS模块程序设计

GPS模块的主要作用为采集位置信息，并将位置信息传递给主控器。当卫星数据被GPS模块接收后，主控制器对位置信息进行提取。首先主控器需与GPS模块进行串口连接通信，主控器通过串口获得GPS模块中的数据；然后提取帧头为GPRMC的数据，并从该数据提取所需的定位信息，主要包括时间、经纬度坐标、航向等[10]。其工作流程如图8所示。

图8 GPS模块工作流程

4 实验验证

本系统的实物如图9所示，将其设计成相机进行伪装。为验证该报警器位置数据的准确性及GPRS工作情况，将设备进行实测。结果表明很好地实现了预期的设想。测试结果表明平台利用接收数据显示的定位结果准确，未出现较大偏差。紧急联系人接收到了求救短信，如图9所示。

图9 报警器实物

图10 求救短信测试结果

5 结束语

本设计是一种基于嵌入式单片机与GPRS技术的一款新型防身报警器，系统的结构分别为STM32、GPRS模块、摄像头等。在功能上，GPS定位准确，求救信息发送及时，紧急联系人可实时追踪求救者的位置，迅速收到求救短信，极大地帮助了遇险人员脱险。系统设计合理并且功能稳定，具有可靠性高、精度高、响应速度快等特点，在技术上应用了当前流行的技术，实用性和功能性强，通过实验可以达到使用的要求，本设计亦可应用于儿童和老人走失的随身定位。