基于STM32的GPRS無線通訊新型智能安防儀的研究與開發

戴圣偉，王林，張婷

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

基于STM32的GPRS無線通訊新型智能安防儀的研究與開發

戴圣偉，王林，張婷

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

針對目前家居安防設備存在的實時性差、遠程控制不理想等缺點，提出了在高性能處理器STM32中嵌入GPRS網絡功能的新型無線遠程安防控制模型，該模型借助無線通訊網絡、高效煙霧傳感采集技術，以數據流形式實時地實現有效監控；通過煙霧傳感數據，實現了家用設備的實時控制。實物模型運行結果驗證了該方案的可行性和有效性。

GPRS；STM32；遠程監控；煙霧傳感器

0 引言

隨著人們生活水平的提高，科技的不斷進步，及自身財產安全意識的加強，使人們對報警系統的需求日益擴大。現在，視頻監控系統的無線化并不成熟，主流還是有線視頻監控系統。無線視頻監控技術發展成熟以后，相對于有線視頻監控系統，無線視頻監控系統不受線纜的限制，具有靈活的擴展性、增加位置不確定性、高移動性、高效維護性等優點，無線化將是未來視頻監控的方向[1]。在使用STM32/GPRS智能控制技術之前，常用的無線視頻監控方案有基于Zigbee技術的無線安防系統、基于GPS/GSM無線技術的安防系統。但基于Zigbee技術的系統，存在速率低、傳播距離受限制、成本高等缺點；而基于GPS/GSM無線技術的系統，成本過高，且因其覆蓋范圍相當廣，難免存在信號盲區。STM32/GPRS技術有低功耗、低成本、網絡容量大、布防區域現場視頻資料隨處可查、適合家庭推廣使用等優點[2-3]。因此，本課題組選擇STM32/GPRS技術為核心的解決方案，利用高性能處理器STM32和GPRS網絡技術構成報警控制系統的核心，采用先進智能型控制網絡技術，利用視頻的即時可查及非正常進入布防區域的數據分析，實現對匪情、盜竊等意外事故的自動報警；利用傳感器探測的實時氣體信息經STM32/GPRS智能控制器處理后，實現火災、煤氣等意外事故的緊急求助。

1 STM32中GPRS智能安防控制系統的結構

STM32廣泛應用于導航定位、數據采集、氣象控制等領域。STM32系列相對51系列，單片機性能更高，相比ARM芯片成本更低。為滿足低成本、低功耗的要求，嵌入式控制系統選用STM32內核。控制系統硬件主要包括STM32F103C8T6、GPRS無線通信模塊、315MHz無線接收模塊電路、PIR感應信號處理模塊、圖像信息采集模塊、SD卡電路、煙霧感應模塊、繼電器模塊、電源模塊等設計。智能防盜控制結構如圖1所示。

圖1 智能安防控制圖Fig.1The diagram of intelligent security control

STM32F103C8T6的主控芯片使用高性能的ARM Corex-M3 32位的 RISC 內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器和聯接到2條APB總線的外設。STM32F103C8T63包含標準和先進的通信接口（多達2個I2C 接口和SPI接口、3個USART 接口）。本控制中使用USART與攝像模塊、GPRS通訊模塊聯接，SPI與SD卡模塊聯接及利用豐富的I/O端口控制繼電器及無線接收模塊。STM32F103C8T6供電電壓為2.0～3.6V。

該系統采用最新的ARM Cortex-M3內核的低功耗微處理器STM32F103作為核心處理器，以GPRS通訊網絡作為無線數據傳輸通道，用煙霧氣敏傳感器MQ-2檢測可燃氣體，采用繼電器模塊實現了電器設備的實時控制，用熱釋電紅外感應HC-SR501檢測入侵信號（防盜信號），采用內部集成的PTC08攝像模塊完成入侵照片的采集，用SD卡模塊完成圖像儲存，采用具有彩信功能的PTM101無線網絡傳輸模塊完成信號通訊，整個控制系統主要實現了入侵人員的檢測、現場圖像數據的采集、存儲以及無線數據實時傳輸等功能。當有人員入侵或檢測到煙霧時，系統將向用戶手機發送短信，同時用戶可以通過手機發送命令，實時以彩信的方式查看現場情況及控制現場的電器設備。

1.1 GPRS通訊模塊

PTM101無線模塊是一款兩頻段（900/1800MHz）的GSM/GPRS無線模塊。GPRS通訊模塊連接原理如圖2所示[4-7]。

圖2 PTM101 GPRS連接原理圖Fig.2The schematic diagram for PTM101 GPRS link

如圖2所示，主控器通過全雙工的串口與GPRS模塊進行數據交換及使用PAI1為GPRS的使能端，STM32_TXD發送數據和STM32_RXD接收數據可以同時進行和分時進行，同時GPRS模塊通過單總線形式與它的SIM卡模塊對接與控制，SIM_CLK為SIM卡模塊提供時鐘信號，SIM_RST為SIM模塊復位控制信號，SIM_IO是數據輸入輸出信號通道，必須分時傳送輸入輸出數據，VSIM為SIM的電源電壓。

1.2 圖像信息采集模塊及SD 卡模塊

PTC08是一款集圖像采集、拍攝控制、數據壓縮、串口傳輸于一體的工業級圖像采集處理模塊。PTC08攝像模塊分為模塊本體和連接線部分，兩者之間用可任意插拔的4 pin 2.0mm 間距的標準插座連接，從DB9口第2，第3 pin 出來的TX，RX 是 RS232電平的信號，可以直接匹配標準PC機的串口，亦可外接SP3232EEN控制器。電路結構如圖3所示。STM32外擴SP3232E芯片，利用主控芯片STM_TXD3發送數據、STM_RXD3接收數據并且經RS232電平轉換最終由RS232_TXD3發送到圖像采集模塊或由圖像采集模塊返回數據，同時STM32通過SP2_MOSI與SP2_MISO存儲數據到SD卡或從SD卡輸出數據[8]。

圖3 圖像采集頭模塊Fig.3The image acquisition module

在外接攝像頭時，可將拍攝的照片存儲到SD卡里。當需要查看照片時，將SD卡取出，放入手機中瀏覽照片，或用SD讀卡器連接PC機，在 PC機中瀏覽照片。當然SD卡還可根據客戶的系統需求，存儲其他的數據。

1.3 感應模塊及無線收發模塊

感應模塊防盜部分選用了HC-SR501來感應人體紅外輻射。HC-SR501采用雙元探頭，當人體從左到右或從右到左走過時，雙元探頭輸出差值數據（時間差值、距離差值）；當人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元探頭無差值及SD卡模塊連接電路數據輸出，因此安裝感應器時應使雙元探頭方向與人體活動最多的方向盡量平行[9-10]。

感應模塊中安全部分選用MQ-2氣體傳感器來檢測有害氣體，當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想，是一款適合多種應用的低成本傳感器。當檢測到有害氣體時，由無線模塊把數據送到STM32端口。

無線收發模塊選用SY-T01發送模塊、SY-RF-5V接收模塊來接收聯機安防傳感器的報警信息[11]。其電路結構如圖4所示。

圖4 紅外感應及無線收發模塊圖Fig.4The infrared induction and wireless transceiver module

1.4 繼電器模塊

使用光耦繼電器模塊來控制電器設備的開斷。本系統選用優質松樂2路帶光耦繼電器模塊，光耦隔離，抗干擾性好。其電路模塊如圖5所示。STM32通過PA4, PA5控制繼電器。

圖5 繼電器模塊Fig.5The relay module

2 STM32中GPRS智能控制算法

本控制算法分為系統主程序、GPRS/GSM通訊、信號采集、串口攝像等控制程序。利用STM32內部定時器、I2C及SPI通信接口、USART模塊實現了 控制信號的產生、數據采集、測檢、無線數據通信。智能安防算法詳細流程如圖6所示。

圖6 智能安防控制流程圖Fig.6The flow chart of intelligent security control

當智能安防儀進入待機狀態時，紅外傳感設備不斷偵測工作區域范圍內的信息，HC-SR501人體紅外傳感器獲取有效信號后，經STM32為核心的電路處理，先將信號送入語音報警模塊喚醒報警子程序，執行語音報警功能。其次，將此入侵信號送入現場圖樣采集子程序，觸發采集功能，連拍多張照片存入SD卡內，然后根據用戶手機的相應指令，啟動發送子程序，發送子程序根據預先的發送模式設定，選擇普通短信或彩信的方式，待發送方式確定后，通過PTM101模塊發送相應的短信內容給主用戶及主用戶所綁定的其他用戶，用戶可根據短信內容進入手機中相關的功能模塊，鍵入預先設定的功能數字代碼，回復相應的信息；或進入手機相關的功能模塊，根據手機相應的中文提示，觸摸相應功能區域，實時查看現場情況[12]。

3 實物模型驗證

3.1 系統功能

本系統除可通過HC-SR501紅外傳感器實現遠程防盜報警外，還可通過2路帶光耦繼電器模塊實現無線遠程控制電氣設備，也可通過MQ-2煙霧氣敏傳感器監控可燃氣體濃度達到危險事故防范。在紅外報警模塊中以紅外探測為主，主要用到熱釋電紅外探測器。熱釋電紅外傳感器能檢測到人體的紅外輻射，距離越遠，要求PIR的靈敏度越高，當PIR選定以后，相應的程序就變得越來越復雜。系統處于布防狀態時，當有人進入防區，系統可以及時響應報警及拍照，并發送短信到指定手機號碼，若用戶回查看圖片命令則將圖片以彩信方式發送給用戶。

3.2 系統實現

為驗證智能安防儀的可行性、有效性，在開發板基礎上進行了實際電路的搭建與功能實現，在常溫低干擾實驗環境中，經過反復調試與測試該報警系統。總結所得到的試驗數據，得到智能安防儀檢測有效率為98.05%，誤報率為1.05%，在室內測試紅外檢測距離最大可達到10～20m，煙霧探測器可根據需要檢測不同濃度的有害氣體，室內無線收發模塊穿透能力強，在有障礙的情況下傳輸距離可達到50～100m，GPRS無線模塊在有信號的地方均可以實現遠程傳輸。安防系統探測器電路設計中以紅外探測器為主要部分，主要用到熱釋電紅外傳感探測器。它能檢測到人體的紅外輻射，系統處于布防狀態時，當有人進入布防區，系統可以及時響且相應信號指示燈閃爍，情況如圖7～9所示。

圖7 智能安防控制待機圖Fig.7The intelligent security control instrument (standby)

圖8 智能安防控制傳感器觸發圖Fig.8The intelligent security control instrument (strigger)

圖9遠程繼電器控制圖Fig.9Remote relay control diagram

圖7 待機狀態指示燈（系統待機時，該燈亮）。系統進入待機狀態就可以接收用戶的控制短信指令，以及外部中斷觸發報警。圖8中燈全亮一下，進入拍照上傳數據函數拍照，上傳數據并校驗數據過程，攝像頭指示燈和GPRS指示燈都會閃爍，閃爍完成，代表數據上傳完成。圖9為遠程控制繼電器工作場景，紅燈亮表示有控制信號輸出。

4 結語

針對目前市場上的安防監控產品安裝復雜、成本高、實時性差、不能遠程控制，提出了在STM32中嵌入GPRS智能安防技術，且完成了實物模型的制作。試物模型運行結果表明：基于STM32的嵌入式安防技術具有維護費用少、安裝簡單、可靠性高、實時性強、便于推廣應用等優點，并具備方便功能擴展，為各類遠程監測系統的設計提供了樣本，也對煙霧類傳感器嵌入STM32技術具有一定的指導意義[13]。

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（責任編輯：申劍）

Research and Development of STM32-Based Intelligent Anti-Theft Instrument with GPRS Wireless Communication

Dai Shengwei，Wang Lin，Zhang Ting
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the poor real-time and unsatisfactory telecontrol problems of current home security equipments, proposed a new wireless remote security control algorithm which embedded GPRS network in STM32 high performance micro processor. The algorithm with the help of efficient smoke sensing acquisition technology and wireless communication network, achieved the effective monitoring in real-time data flow and through the smoke sensor data, realized the realtime control of household appliances. The physical model operating results verify the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.

GPRS；STM32；remote monitoring；smoke transducer

TP274

A

1673-9833(2014)06-0076-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.06.015

2014-05-23

湖南工業大學自然科學基金資助項目（2013HZX13），湖南省大學生研究性學習與創新性實驗基金資助項目（湘財教字[2014]20號）

戴圣偉（1978-），男，湖南邵陽人，湖南工業大學講師，碩士，主要研究方向為計算機控制理論與實踐，E-mail：dai_sheng_wei@163.com