基于STM32的紅外無線報警系統的設計

王華杰，張曉娟，鄭來芳

（太原工業學院電子工程系，山西太原030008）

基于STM32的紅外無線報警系統的設計

王華杰，張曉娟，鄭來芳

（太原工業學院電子工程系，山西太原030008）

本設計提出了基于GPRS∕GSM網絡進行數據傳輸實現監測并報警的系統的解決方案。該系統采用以STM32F103為主控制模塊，實時采集紅外線人體感應器傳來的報警信息，由單片機發送控制指令，把報警信號通過AT指令傳給M33模塊，對報警信號進行處理并對監測現場進行圖片的采集、存儲并通過GPRS∕GSM網絡發送郵件或彩信到手機。實踐應用結果表明，系統工作穩定，安裝方便，無線傳輸等優點，廣泛應用于家庭、倉庫等場所，對這些場所的安全提供了保障。

單片機；M33模塊；GPRS∕GSM網絡

隨著社會經濟發展，人們生活水平的提高，人們對自身所處的生活環境的安全有了更高的要求。在家庭、博物館、圖書館、倉庫等重要的場所常有入室盜竊案件發生，這些不利因素對于傳統的安防來說是一個巨大的挑戰。需要一種多功能智能報警系統來保證這些重要場所的安全，設計一種低成本低功耗，對報警能迅速做出反應且進行無線傳輸的監測系統就成為一種發展趨勢[1-2]。

本設計采用的是無線接收、發射模塊，接收聯機安防探頭傳來的報警信息。隨著信息技術的迅速發展，移動通信的高覆蓋率，安全性高，迅速的通訊方式能實現把報警信號實時地通知給用戶。近年來，嵌入式技術的發展迅速，那么基于嵌入式的安防監控系統在迅速出現在市場之中，其可靠性高、功耗低等方面比較受到用戶的青睞，但是基于嵌入式的系統架構需要開發人員熟練掌握網絡通訊技術和圖像處理技術外，還要熟練掌握基于操作系統的軟件開發，才能實現圖像采集和處理、存儲、傳輸。在節約成本的同時還要滿足用戶的需求，本文提出了一種以STM32為主控制模塊，將紅外線人體感應傳感器、攝像頭信號數據傳送到控制主機，主機將發指令給采集模塊進行入侵者的信息采集處理，經主機判斷后把報警信號通過GPRS∕GSM網絡，傳送到遠程戶主手機，用戶可以更及時、更直觀、更清晰的掌握家中安防的異常情況，滿足了人們對越來越多重要場所的安全防范的需求。

1 系統總體構及工作原理

1.1 系統總體結構

無線紅外報警監測系統的設計對硬件技術和軟件設計有更高的要求，針對現狀分析，綜合用戶需求，本系統采用現場監測和無線遠程報警相結合的方式，為了使用戶能更全面實時的監測，系統采用在重要地點放攝像頭，當監測有人入侵進行拍照并把照片以發送彩信的模式進行報警，而對普通地點如臥室則采用放置紅外探測器設置防區的方式，當有人進入，則系統會發送短信進行報警，并且通過語音來傳遞信息，及時播報，對犯罪分子起警示作用，在日常生活中，最常接觸到的環境因素就是溫度和濕度，恰當的溫度和濕度不僅使人舒服而且還能增強人體的抵抗力，安裝環境監測系統，對室內的溫濕度進行監測現在不少家庭都有定時讀書的習慣，即增加光照度檢測，就可以根據自然光亮度來決定開燈否。系統的總體結構如圖1所示。[3]

圖1 系統總體結構

系統由STM32F103RTC6為控制芯片，PIR紅外人體感應模塊，GSM∕GPRS無線通信模塊，煙霧和光感傳感器、PT2262∕2272遙控器接收模塊等部分組成。

主控芯片是系統的核心，本系統要實現傳感器信號檢測，現場信息的采集，報警信息的發送等，因此所選主控芯片要有較強的數據處理能力和豐富的接口資源，能進行通訊且具有較高的性價比。綜上，選用ST公司的高性能微控制器STM32F103RTC6。該芯片基于ARM@CortexTM-m3 32位的RISC內核，內部采用哈佛結構，執行能力大大提高，最高工作頻率為72 MHz，1.25DMIPS∕MHZ，單周期乘硬件除法，片上集成高達256 K字節的FLASH存儲器和64 K字節的SRAM存儲器，包含標準和先進的通信接口：2個UART接口，2通道的A∕D轉換器，2通道的D∕A轉換器，2個SPI接口，1個USB2.0高速接口，1個I2C接口。該芯片豐富的串行接口使得其外圍電路設計變得簡單。

GPRS∕GSM模塊采用上海移位通信有限公司的多功能模塊M33來實現圖像采集、預處理、JPEG壓縮、存儲和GSM∕GPRS通訊等。

1.2 系統的工作原理

一般意義上的報警系統的功能是收到警情信號后通常采用以下幾種方式進行報警，如：戶主不在家時當接收到報警信息打電話通知給保安、家里安裝警鈴報警等。此外還可以把門窗控制系統、煤煙監測系統和視頻采集監控系統連起來，這樣不僅能監測有人入侵還能及時有效避免火災等情況的發生。

系統由探測器和報警主機構成，其中STM32F103負責信息數據的采集，異常情況的判斷及處理及處理之后的圖像存儲和發送，是整個系統的心臟。主控制器需要實時采集由人體釋放的紅外信號，采集的信號要把模擬信號轉換成電信號。如果檢測異常，那么主控制器接收到報警信號，對信息進行確認證實無誤后通過寫指令對M33模塊控制其信號的采集，信息采集之后開啟攝像頭進行拍照，將照片存儲到SD卡內。如果用戶設定為發送模式，系統將通過GSM∕GPRS無線發送模塊將照片發送至用戶接收終端。如果設置為非發射模式，經過處理的拍攝的照片直接存儲在SD卡內。若用戶在家可直接用無線遙控器開啟或關閉視頻監控，若外出可發短信控制視頻監控模式的轉換，這樣能做到實時監測住宅環境的安全情況。戶主還可以發送短信與主機接通，可以隨時隨地監聽家里的情況，這樣就完成了主動查詢的功能，當有入侵人員，開啟揚聲器，對其警告。[4]

2 系統硬件設計

2.1 最小系統設計

本系統最小系統由復位電路、啟動配置電路、石英晶振電路、JTAG∕SW調試接口電路等組成。

2.2 PIR模塊電路設計

熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應原理的熱釋電型紅外傳感器。在有人或動物進入探測區域現場的紅外輻射發生變化，探測元件接收到10 μm左右的紅外線，使熱釋電器件產生突變的電信號，從而發出警報。傳感器會因自身的溫度變化而對測量產生干擾，為了抑制這種干擾，該傳感器在工藝上設計成將兩個特征一致的熱電元件反相串聯或結成差動平衡電路的形式，這種設計形式能以非接觸的方式檢測出人體發出的紅外線并且將檢測到的人體紅外線能量轉換成電信號輸出。此種傳感器結構上一個雙元熱釋電陶瓷在源極跟隨器和FET連接，此外還包括保護電阻和RF額外的電容。該傳感器外加TO-5外殼用來紅外線的過濾，目的是用來保護避免強烈的白光的干擾。由于一般熱釋電紅外傳感器輸出的是一個在1V基礎上變化的信號，并且信號轉換成電信號的變化幅度只有15 mV左右，在傳感器外加菲涅爾透鏡采用分割方式既降底由小寵物引起的誤報率，還能使輸出信號電壓呈脈沖形式，對輸出的信號進行處理。監測到的信號通過由LMV831組成的信號處理電路，可使采集的不規則的信號變為規范的高低電平信號，同時系統由STM32F103RC的12 bit高精度ADC0口進行間隙采集和軟件算法判斷是否有人入侵。[5]PIR工作原理如圖2。

圖2 PIR工作原理

2.3 M35模塊硬件設計

在系統設計中，M35模塊模塊支持850∕900∕1800∕1900 MHz頻率，支持TCP∕IP、MMS等協議，支持GSM07.07,GSM07.05和增強型AT命令集。M35模塊通過AT指令控制模塊實現一系列的功能，比如圖像信息采集，信息的儲存，彩信或短信發送等。M35模塊通過串行總線與CPU進行通信。主控制其可以通過UART2向模塊M35發送AT指令“AT+QSCLK=1”控制DTR1的電平使M35進入或退出睡眠狀態。當DTR1設置高電平或長時間沒有接到報警信號，M35可自動進入睡眠狀態。因為要給用戶發送報警信號，需要耗費一定的流量，M35模塊既可以通過硬件也能通過軟件來控制手機流量，一般采取軟件控制流量來簡化硬件電路連接。M33模塊如果沒有報警信號時一般處于睡眠狀態，也可以通過I∕O口向模塊的開關引腳輸出多與2 s的高電平使模塊開啟正常工作模式。

與M35模塊相連的模塊有SD卡電路模塊、圖像處理電路模塊、SIM卡電路和SD卡接口電路模塊。M35中自帶圖像處理功能的硬件電路，大大簡化了軟件和硬件電路對圖像的處理的復雜性，提高了系統實時通信的能力，當現場有人侵入是，STM32接收到信號后發送指令對現場進行拍照作為證據，STM32通過8位的數據信號和VREF、HREF控制信號及PCLK時鐘信號實現對圖像數據采集。在實際應用中M33模塊和STM32F103發生同時對SD卡上的內容進行讀取的情況，為了防止此情況下產生沖突，把系統設計成用單刀雙擲模擬開關芯片PI3A412進行訪問的選擇。

3 系統軟件設計與實現

在硬件系統的基礎上，對軟件進行設計，來確保系統能穩定可靠的運行，來滿足設計的要求實現相應的功能。

本系統采用模塊化的設計思想。其包括升級程序和應用程序。升級程序主要能實現系統應用程序的自動升級；應用程序主要分為報警信息的采集、圖像采集模塊、彩信或短信發送模塊、顯示模塊等。

系統開機后對監視終端的各模塊進行初始化，首先系統先判斷有無升級程序，若有，則系統自動升級，完成升級后跳轉到程序去，否則系統直接跳轉到程序區進入低功耗狀態等待接收PIR觸發異常情況下的報警信息。系統軟件運行的基本流程如圖3。

系統上電初始化之后，先對系統功能進行相應的設置，可以使用鍵盤設置，也可以通過遙控器進行設置，當主人不在家時，需要進行設防，期間系統采用間斷采集信號的形式，每隔200 ms采集一次，連續采集兩次，和預設值比較的形式來判斷是否有人入侵，若STM32確實檢測到有人入侵信號，則通過發送AT指令“AT+QSCLK=1”喚醒M33模塊，通過UART2向M33模塊發送一系列AT指令實現彩信報警的功能，彩信報警的流程圖如圖4[6]。

圖3 系統軟件運行基本流程圖

圖4 彩信報警流程圖

在設計家用安防報警器電路時主要用到熱釋電紅外傳探測器（PIR），人體產生的紅外輻射被正常工作的熱釋電紅外傳感器檢測到，人體輻射的熱量在相應的波長范圍內被檢測到，同時當距離越遠，PIR檢測到人體輻射的紅外能量越弱，若要能檢測到人體輻射的能量就要求PIR的靈敏度要高。環境溫度突然變高或變低對PIR檢測人體輻射的熱量有較大影響，特別是當環境溫度與人體的溫度接近時，很容易發生誤報的情況。為了減少這種情況的發生，多次測試結果表明，如果在PIR監測范圍為10 m以內有人走動時，那么觸發相機誤拍的幾率就大大減少，也就減少了戶主接收的誤報警的短信。當有人進入PIR監測范圍內，系統拍照并發送彩信。

4 結語

由于本系統帶有圖像處理和GPRS∕GSM模塊，可以將采集到的報警信息以圖片的形式發送彩信和發送短信相結合的方式發送給戶主，戶主能及時的發現警情并迅速做出反應，安全性能較之傳統的報警器，有很大的提高。

本系統采用的是GPRS∕GSM無線網絡，省去了傳統有線網絡布線復雜的問題，故應用范圍更廣泛；基于單片機的監測系統結構簡單，具有可靠性高、實時性強的特點，故其市場潛力很大。

[1]羅永剛,邢雪寧,高沛.基于單片機的智能紅外無線報警系統設計[J].自動化與儀器儀表，2013(01)：60-62.

[2]李泊穎,宋偉,王婧伊.淺談居家防盜報警系統[J].陜西建筑,2010(07)：21-22.

[3]周麗,林錦國.智能無線防盜報警系統的設計[J].化工自動化及儀表,2011,38(11)：1374-1376.

[4]夏振華,阮寧君.基于GPRS的無線智能數據采集系統的設計[J].長江大學學報，2009,06（03）：77-80.

[5]焦衛東,朱林杰.紅外防盜報警器的方案設計[J].嘉興學院學報，2010,22(3)：84-87.

[6]鄭道寶.基于DSP和GPRS的遠程無線報警系統研究[D].衡陽：南華大學,2013：43-45.

The Design of Infrared Sensor Monitoring System Based on STM32

WANG Hua-jie,ZHANG Xiao-juan,ZHENG Lai-fang
（Department of Electronic Engineering,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan Shanxi,030008）

This design proposed the solution of the system that is based on GPRS∕GSM network transporting data to achieve the monitoring and alarming.The system uses STM32F103 as the main module,accepting alarm information from infrared body sensor real-time,then MCU sends controlling commands,the alarming signal to M33 module through AT commands,and then alarm signal are processed and alarm monitoring the scene for collecting and storing pictures and sending the message th-rough GPRS∕GSM network to send mail or MMS to your phone.practical results show that the system is stable,easy to install,wireless transmission,etc.,is widely used in home,warehouses and other places,providing a guarantee for the safety of these places.

MCU;the module of M33;GPRS∕GSM

TP212

A

1674-0874(2016)01-0024-04

2015-11-24

王華杰（1988-），女，河南周口人，碩士，助教，研究方向：嵌入式系統。

〔責任編輯 高彩云〕