可視化電子門鈴系統設計

楊曉龍

（西安石油大學 陜西 西安 710065）

可視化電子門鈴系統設計

楊曉龍

（西安石油大學 陜西 西安 710065）

由于普通門鈴存在很多弊端，已經不能滿足人們的要求，本文利用STM32為主控芯片設計了一款可視化電子門鈴系統。該系統在普通門鈴功能的基礎上增加了可視、拍照存儲、人體檢測等功能，并加入了GSM模塊，使門鈴具有撥打電話功能。結構簡單，系統穩定，效果良好。

門鈴；可視化；GSM模塊

1 引言

近年來，一些智能家居產品已經進入了人們的生活，門鈴系統作為智能家居系統的重要部分，其研究與發展的重要性不言而喻。傳統門鈴只單單具備提醒功能，而傳統貓眼也具有一些弊端，例如小孩由于身高看不到屋外訪客，老人由于視力下降而看不清楚，盜賊容易通過貓眼入室盜竊等等。而可視化電子門鈴系統已經發展成為具提醒、防盜、可視等為一體的一個完整的智能系統[1]。近幾年，我們經常可以在朋友裝修的新房中看到可視化電子門鈴，但是，可視化門鈴在中國的應用時間不長，在本世紀80年代才有單戶對講產品面世，自1992年起，各大制造商才陸續開拓中國市場。國外在可視化門鈴方面的研究相對深入，2008年10月，韓國三星公司推出SHT-705系列可視對講系統。2009年11月，GE安防集團推出了Miracle全數字樓宇對講系統。2011年6月霍尼韋爾發布IS-6500數字可視門禁系統。2015年，美國的BOT Home Automation公司推出一款智能門鈴Ring，宣稱“無論你身在何處，隨時可以查看誰在門外。”[2]

總結國內外相關研究現狀和特點，目前所采用的模擬視頻技術存在的不足：如抗外界干擾能力差，夏天外界溫度較高時，人體感應檢測不靈敏；有行人路過時，主屏幕會經常被開啟；圖像傳輸信號差的等現象；遠距離傳輸時需要加放大器進行放大，功能比較單一，難以擴展等。綜上，設計一款國產的智能可視化電子門鈴系統的意義非常重大。

2 可視化門鈴的工作原理

可視化門鈴系統主要由紅外檢測、圖像采集、語音提示、存儲、通訊五大模塊組成。紅外檢測模塊主要負責檢測訪客到來，向主控芯片發送信號來控制攝像頭和LCD屏幕的開啟。圖像采集模塊主要負責對屋外訪客的圖像進行采集，拍視頻或照片。語音提示模塊主要負責在訪客按動門鈴后，發出提示音（例如最常見的“叮咚”聲）。存儲模塊主要負責將采集到的圖像（照片、視頻）進行存儲，方便用戶日后翻閱。通訊模塊主要負責在用戶外出時若有訪客來臨，控制門鈴當作一個電話和主人進行電話通訊。這五個模塊統一由STM32來控制和管理。圖1為系統總體框架圖。

圖1 系統總體框架

3 系統硬件設計

3.1 紅外檢測模塊

紅外檢測電路采用熱釋電傳感器AM312來實現，AM312是將數字智能控制電路與人體探測敏感元都集成在電磁屏蔽罩內的熱釋電紅外傳感器。人體探測敏感元將感應到的人體移動信號通過甚高阻抗差分輸入電路耦合到數字智能集成電路芯片上，數字智能集成電路將信號轉化為15位的ADC數字信號，當PIR信號超過選定的數字閥值時就會有延時的REL電平輸出，所有信號處理都在芯片上完成。其內部結構圖如圖2所示[3]。

當探頭接收到的熱釋電紅外信號超過探頭內部的觸發閾值之后，內部會產生一個計數脈沖，當探頭在4s內第二次接收到這樣的信號后，探頭就會報警，同時，REL引腳有高電平觸發。另外，只要接收到的信號幅值超過觸發閾值的5倍以上，只需一個脈沖就可以觸發REL的輸出。下圖為觸發邏輯圖3。

圖2 AM312內部結構

圖3 智能探頭報警觸發時序圖

通常，PIR傳感器要和菲涅爾透鏡配合使用，透鏡的作用就是慮光，可以將一些來自于外界的雜光濾除掉，只保留人體的紅外光，從而增加了傳感器的靈敏度，有效的防止了“誤感應”，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出20米范圍內人的行動。而其他動物的行動將不會觸發傳感器的高電平輸出。

3.2 圖像采集模塊

圖像采集模塊采用CMOS圖像傳感器OV7670來實現。OV7670/OV7171 AMERACHIPTM圖像傳感器，體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸出整貞、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數據。其VGA圖像最高達30幀/秒。可以完全控制圖像質量，數據格式和傳輸方式。所有圖像處理過程都可以通過SCCB接口編程[4]。當訪客到來時，此模塊就會采集到訪客的圖像信息，通過接口將數據傳到控制芯片中，再由LCD屏顯示出來。這樣就實現了可視化的功能。

3.3 語音提示模塊

語音提示模塊主要完成訪客按動門鈴后，發出提示音的功能。這個功能不需要主控芯片控制，語音芯片在檢測到門鈴按動時就發出聲音。現在市場上有一些價格低廉，效果較好的門鈴芯片，正好可以使用。

系統選用TQ4038芯片作為門鈴芯片，該芯片是一款4和弦音樂芯片，內置38首曲目可供選擇。工作電壓范圍為3～4.5V，接好電路后，可以用按鍵控制音樂播放與暫停，選取曲目，也可增加或減小音量（4級音量控制）。而且，還可接一個LED燈隨音樂閃爍。

3.4 存儲模塊

存儲模塊主要用來對采集到的圖像或視頻進行存儲的功能，方便用戶查閱。比如我們將每天拍到的訪客的照片（視頻）存到外置的SD卡中，既可以在門鈴的LCD屏幕上觀看，也可將卡拆下來，放在電腦上觀看，這樣，用戶就可以了解到每天的訪客情況，也可以在小偷來踩點時及時發現，采取措施加以防范。

SD卡的相關資料，可以在網上搜索到，資源相當多，系統通過編程對SD卡進行控制管理，主要實現照片存儲和自動覆蓋功能，例如，照片拍好后會自動存入SD卡中，當系統檢測到SD卡存滿時，新的照片將覆蓋最早的照片，這樣，就實現了照片自動刪除的功能，這個設計，大大的為用戶提供了方便。

3.5 通訊模塊

通訊模塊采用GSM模塊SIM900A來實現。SIM900A是一個專門為中國和印度市場設計的2頻的GSM/GPRS模塊，擴展的TCP/IP AT命令使用戶使用更加方便[5]。利用該模塊，用戶可輕松的實現撥打電話、發送，接收短信等功能。當用戶不在家時，訪客按動門鈴系統啟動該模塊，直接向用戶的手機撥打電話，以便和訪客進行通話。

3.6 主控芯片

系統采用STM32F103ZET6芯片作為主控芯片，主要用來對各個模塊的控制和管理，以及圖像信息的顯示，通訊命令的發送等等。例如，當芯片檢測到PIR傳感器產生的高電平時，經過延時，開啟LCD屏幕，并將圖像顯示出來，并且拍照（拍視頻）。再例如，當用戶設置門鈴為外出模式時，控制芯片檢測到門鈴按下后，開啟攝像頭進行拍照存儲，然后開啟SIM900A模塊進行撥打電話等功能。另外，由于，門鈴屬于大眾消費品，所以應該具有良好的交互界面，方便用戶操作，這些都要利用主控芯片來實現。

4 軟件設計

可視化門鈴系統要具備如下功能：在訪客模式下，按動門鈴，屏幕開啟，發出提示音，拍照存儲，等待主人開門，系統待機。在離家模式下，按動門鈴，屏幕開啟，發出提示音，拍照存儲，啟動通訊模塊，撥打電話，系統待機。在免擾模式下，按動門鈴，屏幕不開啟，不發出提示音，拍照存儲，系統待機。根據功能的要求，設計出具體程序流程，圖4是在訪客模式下，程序運行的流程圖。其他模式下的運行流程和此模式下只是略微有些差異，就不作展開介紹。

圖4 訪客模式下系統運行流程圖

5 系統功耗討論

本系統從設計開始就一直關注功耗問題，因此，系統都采用低功耗芯片，而且，在系統開機運行時，大多時間都處在待機狀態，在此狀態下，功耗很小。門鈴屬于家居產品，因此可以使用220V來供電，也可使用電池來供電。非常方便，也很穩定。

6 結語

隨著電子產品快速的更新換代，成本不斷降低，功能不斷完善，設計高性能電子設備為生活提供便利是一件既符合潮流，又有意義的事情，它可以讓普通群眾直觀的感受到科技的進步。設計可視電子門鈴系統雖然沒有很大的宏觀價值，但它為以后的門鈴發展提供了一個思路，更重要的是，它可以培養一些電子制作愛好者對電子技術的興趣，激發人們對科技不斷探索。

[1]中國門禁網.樓宇對講產業化發展.http://www.accessnet.cn/info/detail/44-20980.html.

[2]中企調研網.2012-2015中國可視門鈴產業發展和規劃研究報告.http://cn-report.com/report/417195.html

[3]鄧串，張小華.一種新的PIR人體檢測方案研究與設計[J].湖北工業大學學報，2016.

[4]姚立斌.低照度CMOS圖像傳感器技術[J].紅外技術，2013，03:125-132.

[5]SIM900A_硬件設計手冊_V1.04.2010.10.26.

Design of visual electronic doorbell system

Yang Xiaolong..
Xi’an Shiyou University,Shannxi Xi’an,710065 ,China.

As the ordinary doorbells have many disadvantages,have already met the requirements of people,this articledesigned a visual electronic doorbell system using STM32 for the control chip.Compared to the ordinary doorbell,the system increase in visual,pictures storage,human detection and other functions,and joined the GSM module,so that the doorbell has acall function.Simple structure,The system is stable and has good effects.

Doorbell,visual;GSM module

TM925.91 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0093-02