一種基于紅外探測技術的住房入侵檢測系統

路文超+權偉+楊雯+郭培峰+和騰龍+楊應山

摘 要：為了解決目前采用有線方式的住房入侵檢測系統所帶來的性能不可靠、成本高、安裝困難等問題，本文分析并設計了一種基于熱釋電紅外傳感器（PIR）的住房入侵檢測系統，系統采用HC-SR501紅外感應模塊檢測入侵，通過AT89C51單片機進行信號處理和控制，采用nRF24L01無線模塊實現節點間的無線通訊。本文首先對系統進行了總體的方案設計，然后針對系統的組成及其功能進行了相應的硬件和軟件的設計。實驗測試結果表明，系統具有較高的入侵檢測準確性和實時性，系統穩定性高，功耗低，安裝簡便，實用性強。

關鍵詞：紅外探測；住房入侵檢測；HC-SR501；STC89C51單片機；nRF24L01無線模塊

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

Abstract：The current house intrusion detection system through cable connections has some obvious disadvantages，such as unreliable performance，high cost and complicated installation.This paper analyzes and designs a house intrusion detection system based on Pyroelectric Infrared Sensor （PIR）.The system applies the HC-SR501 infrared sensor module to detect instructions，uses the AT89C51 single chip microcomputer to process and control signals，employs the nRF24L01 wireless module to implement wireless communication among nodes.The paper firstly designs the overall scheme of the system，and then designs the hardware and software according to the composition and functions of the system.The experimental results show that the system has high-level accuracy and real-time capability of intrusion detection with high stability，low power consumption，simple installation and good practicability.

Keywords：infrared detection；housing instrusion detection；HC-SR501；STC89C51 MCU；nRF24L01 wireless module

1 引言（Introduction）

隨著科學技術的進步，現代電子通訊為科學研究提供了強有力的技術支持，高科技產品使人們的生活變得更加豐富多彩，同時也提高了人們的居住安防意識。盡管城市的小區都安裝了監控系統，但入室盜竊率仍居高不下，這與人工監控的反應力低下有極大關系更與防盜報警設備老舊有密切聯系。

本文分析并設計了一種基于熱釋電紅外傳感器（PIR）的住房入侵檢測系統，系統采用HC-SR501紅外感應模塊檢測入侵，通過AT89C51單片機進行信號處理和控制，采用nRF24L01無線模塊實現節點間的無線通訊。系統通過紅外探測模塊與單片機相連實現實時檢測住房是否有人入侵。熱釋電紅外傳感器對人體運動引起的紅外輻射變化十分敏感，適合用于家庭輔助生活[1]，同時無線分布式熱釋電紅外傳感器系統可以部署多個傳感器從多個角度收集測量信號[2]。由于紅外線是不可見光，便于隱蔽，受環境干擾影響小，因此廣泛使用在報警、防盜、控制等領域。此外熱釋電紅外傳感器使用了劃分檢測區明亮和黑暗區域的菲涅爾透鏡[3]，在防盜報警等方面比其他類型的傳感器使用更加廣泛。當今世界，移動通信手段例如GSM、NCDMA等技術正在蓬勃發展，無線通信在全世界的應用領域越來越多，如無線測控、無線自動抄表、無線視頻采集，這些技術為遠距離通信的實現提供了強有力的技術支持。但在同一間屋內或在相距不是很遠的地方，無線通信的應用同樣廣泛[4]。低功耗單片機和單片射頻收發模塊組成的無線通信系統摒棄了傳統住房檢測系統在區域上的局限性，能夠實現多點的無線通信。目前國內外與住房檢測系統相關的文獻都只單獨研究了紅外探測技術防盜系統和無線通信技術在防盜上的應用[5]，因此本文給出了一種在設計上有創新性突破的設計方案即采用無線通信并基于紅外探測技術的住房入侵檢測系統。

2 住房入侵檢測系統總體方案設計（Overall scheme

design of housing intrusion detection system）

目前國內使用的各類防盜、保安報警器基本都是以超聲波、主動式紅外發射/接收，以及微波等技術為基礎[6]，這些防盜報警器都存在一些缺點，例如性能不穩定、誤報率高、結構復雜等。本文利用STC89C51單片機和nRF24L01設計的基于熱釋電紅外傳感器的住房入侵檢測系統是一款簡易、便攜、高效的住房入侵檢測系統。該檢測系統由主控終端、執行終端組成，系統整體結構如圖1所示。執行終端和主控終端上均有一塊STC89C51單片機，執行終端還安裝有nRF24L01無線模塊的發射裝置，主控終端安裝nRF24L01無線模塊的接收裝置。通過單片機和nRF24L01無線通信模塊發射裝置和接收裝置的軟件程序編寫實現聲光報警的功能。主控終端負責接收執行終端發射的報警信息并將入侵點顯示在終端LCD顯示屏上，執行終端負責數據解密，并根據解密出來的信息執行相應的操作，從而達到控制系統的作用[7]。本文的設計可實現的功能為用戶可將執行終端安置在住宅需要防盜的位置，按下布防按鍵系統將進入布防狀態，由于nRF24L01無線通信模塊的主控終端可以與任意一個數據采集檢測點即執行終端之間建立通信，因此當有人闖入設置的任何一個執行終端的檢測范圍，熱釋電紅外傳感器HC-SR501將探測到的人體紅外信號轉換為數字信號，經執行終端上的STC89C51單片機軟件處理并通過nRF24L01無線模塊的發射裝置將數據發送至主控終端，當只有一個執行終端發送了數據時，主控終端便會識別該執行終端編號并顯示在LCD顯示屏上，當主控終端接收到多個執行終端的數據，將會在LCD屏上依次顯示入侵位置的編號同時進行聲光報警。

3 硬件設計（Hardware design）

3.1 熱釋電紅外傳感器（PIR）簡介

熱釋電紅外傳感器（PIR）是一種由高熱電系數材料制成的探測元件，每個探測器內一般有一到兩個探測元件，紅外輻射熱量變化會引起元件的溫度變化，材料內部極化強度發生改變，傳感器將紅外信號轉換為電壓信號，通過引入場效應管完成阻抗變換以獲得直接使用的電壓信號[6]。由于人體的紅外線中心波長為9—10μm，而探測元件的波長靈敏度在0.2—20μm內基本穩定不變[8]，為了提高探測器的靈敏度及響應速度，采用菲涅爾透鏡增強紅外線并聚集在紅外感應源上，使可通過紅外光波長穩定在人體紅外信號波段7—10μm，并在探測器前方產生交替變化的明區和暗區使熱釋電紅外傳感器上產生禁區內移動人體的紅外信號[9，10]。本文采用HC-SR501人體紅外感應模塊，內置RD-624紅外傳感探頭，反應靈敏，工作穩定，工作于超低電壓模式適用于各類自動感應設備。

3.2 AT89C51單片機簡介

AT89C51是一種帶有4K可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，可反復擦除1000次，采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術將所需基本功能集成在芯片上。其基本結構是微處理器與外圍芯片結合，其主要特性有：8kBFlash，256字節RAM，32位可編程I/O線，兩個16位定時器/計時器，5向量級中斷結構，可編程串行通信口，低功耗閑置，支持軟件選擇節電模式。CPU閑置時RAM、定時/計數器、串行通道及中斷系統可正常工作。可在零頻率條件下靜態邏輯，掉電模式時可保護RAM存儲內容，其他所有部件停止運行直到下一個終端復位。

3.3 nRF24L01無線模塊簡介

nRF24L01是一款新型微功率單芯片射頻收發模塊，工作在2.4—2.5GHz全球開放ISM頻段，發射功率最大為0dBm[11]，工作電壓范圍為1.9—3.6V，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等主要功能模塊[12]，融合Shock Burst技術，可通過軟件程序配置其通信頻道。數據傳輸速率高達2Mbps，接收工作電流僅為18mA，共有125個頻道，滿足多點通訊和跳頻要求[4]，具有高效GFSK調制，可同時設置六路接收通道地址并可選擇性打開接收通道，同時模塊內置2.4GHz天線，體積小巧。nRF24L01無線模塊集抗干擾能力強、功耗低、擴展性好等優點于一體，因此適用于多種環境下的小型場所，本文利用AT89C52單片機和nRF24L01無線模塊控制為實現短距離無線數據通信提供了靈活和低成本的方案。

nRF24L01無線模塊接口共有8個引腳，分別為GND、VCC、CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ，其主要功能如表1所示。

3.4 系統硬件電路連接

系統以AT89C51單片機為中心燒寫代碼，外圍接單片機最小系統、按鍵模塊、紅外熱釋電傳感器HC-SR501、LED指示燈、報警模塊、無線通信等子模塊。單片機AT89C51組成單片機最小系統，P1.3接收外接傳感器信號，P2.0控制工作指示燈，P2.2控制報警指示燈，P2.3控制外接SPEAKER。AT89C51單片機外界工作電壓為5V直流電源。單片機40腳接正極5V，20腳接電源地。

AT89C51單片機的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7分別于與nRF24L01無線模塊的CE、CS、SCK、MOSI、MISO、IQR相連。GND為電源地，VCC為3.3V工作電壓，系統采用USB供電，電壓約為5V，而nRF24L01在3.3V時工作較穩定[5]，因此需要將5V電壓轉化為3.3V電壓，電源模塊選用LDO低壓差線性穩壓電源RT9193-33GB組成模擬電源，通過調節可以使輸出電壓降為3.3V。

液晶顯示屏選用LCD1602，其采用標準16接口，5V電壓，內含復位電路可提供各種控制命令例如：清屏、字符閃爍、光標閃爍等多種功能。3腳可調節液晶顯示器對比度，將2、3腳外接1K電位器用來調整屏幕背光亮度[5]。AT89C51單片機與外圍模塊及nRF24L01無線模塊的硬件連接如圖2所示。

4 軟件設計（Software design）

4.1 AT89C51單片機軟件設計

當檢測系統設置為布防狀態后，禁區內有移動人體出現時，紅外熱釋電傳感器則捕捉紅外信號并對其進行處理，該信號經單片機的軟件程序處理，驅動LED指示燈報警和蜂鳴器報警，同時主控終端處的LCD顯示屏上也會出現入侵點的坐標。單片機控制紅外傳感器探測信號部分程序如下：

4.2 nRF24L01無線模塊軟件設計

本系統工作環境為近距離高速無線應用條件，因此選用星型模式，nRF24L01有四種主要工作模式，如表2所示。

本文主要利用nRF24L01無線模塊的接收模式、發射模式、待機模式等模式。本文利用AT89C51單片機將主控終端配置為接收模式，將執行終端配置為發送模式，采用nRF24L01無線模塊的通道0，通過改變頻道和地址實現一對多的無線通信。當發送端緩沖區有數據時，系統從待機模式進入發送模式，nRF24L01配置為發射模式，把要發送的節點地址和數據由SPI口寫入單片機，通過把nRF24L01發射裝置的軟件程序嵌套在AT89C51單片機軟件程序中，上電后就可自動將數據發射出去。CE置高電平，此時中控終端的nRF24L01無線模塊進入接收模式，單片機引腳P3.7變為低電平，產生中斷，單片機判斷到已接收數據，此時單片機通過SPI口將接收到的數據讀取出來，通信成功。當系統從待機模式進入接收模式時，nRF24L01配置為接收模式，將數據存儲在寄存器中，中斷標志位RX_DR為高電平，IRQ變為低電平，產生中斷，向單片機發送數據。單片機高速的運行速度為獲取多個數據檢測節點的信息提供了保障。工作前要先對nRF24L01進行初始化，CE置0，CSN置1，SCLK置0，IRQ置1，MCU將相關配置字寫入配置字寄存器。單片機控制nRF24L01無線模塊部分程序如下：

5 結論（Conclusion）

本文分析并設計了一種基于紅外探測技術的住房入侵檢測系統，系統采用HC-SR501紅外感應模塊檢測入侵，通過AT89C51單片機進行信號處理和控制，采用nRF24L01無線模塊實現節點間的無線通訊，系統具有很好的移植性和通用

性，較高的準確性和實時性，系統結構簡單，無需復雜的布線，具有功耗低等特點，達到了預期的設計目標。

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作者簡介：

路文超（1995-），男，本科生.研究領域：電氣工程及其自動化.

權 偉（1982-），男，博士，講師.研究領域：控制科學與工程. 本文通訊作者.

楊 雯（1996-），女，本科生.研究領域：機械設計制造及其自動化.

郭培峰（1996-），男，本科生.研究領域：電氣工程及其自動化.

和騰龍（1996-），男，本科生.研究領域：車輛工程.

楊應山（1996-），男，本科生.研究領域：電氣工程及其自動化.