主動式雙光路紅外報警系統設計與實現

趙 越，張 娟，吳 晨

(江南大學物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著智能家居浪潮的興起，人們對家居提出了更自動、更智能、更安全的要求。如何花費最小的經濟代價獲取更可靠的家居安全保障，是智能家居安防產品亟待解決的問題[1]。現有的紅外報警系統普遍存在無法平衡性能與成本的問題[2-7]。

針對以上需求，本文提出了一種主動式雙光路紅外報警系統。該系統在具有良好的可靠性與準確性的前提下，顯著降低了成本。采用的雙紅外光路結構準確分辨了用戶行為與入侵行為，使誤報與漏報得到了明顯的改善，并由無線通信網絡，對入侵行為遠程報警，實現現場報警和遠程報警的聯動，進一步提高了系統性能。

1 總體系統設計

系統主要包括信號檢測、信號處理、通信傳輸三個模塊。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

信號檢測模塊以紅外傳感器為核心，實時檢測行為信號，反饋回信號處理模塊；信號處理模塊以STM32單片機最小系統為核心，判斷和處理行為信號，發出相應的命令，控制硬件單元動作；通信傳輸模塊采用SIM800A低功率全球移動通信系統(global system for mobile communication,GSM)模塊實現與用戶端的通信傳輸功能。

外接三個模式切換按鍵，實現單向通過模式、休眠模式、雙向阻斷模式之間的切換。

2 硬件設計

2.1 硬件組成

系統硬件部分主要包含STM32F103單片機、開關式紅外傳感器、SIM800A通信模塊，并外接按鍵電路與聲光報警器。紅外傳感器由5 V電源模塊供電，單片機由3.3 V邏輯電平(transistor-transistor logic,TTL)電源模塊供電，SIM800A由5 V TTL電源模塊供電，三者共地連接。內、外防護網紅外接收器的信號端分別與STM32F103的B6、B7引腳連接，用于在產生跳變信號后進入相應中斷。硬件組成整體框圖如圖2所示。

圖2 硬件組成整體框圖

2.2 信號檢測模塊

系統采用主動式紅外探測器檢測入侵行為，紅外探測器由紅外發射器和接收器組成。發射器發射波長峰值為0.94 μm的紅外光束,確保高于可見光波長上限0.76 μm;接收器接收紅外光束，產生相應的電平響應。紅外接收器拓撲結構如圖3所示。

圖3 紅外接收器拓撲結構圖

R5是紅外光敏電阻，隨著光照的減弱其阻值上升，運算放大器的反向輸入端電位升高，激發三極管導通。R9遠大于R8，故紅外光路未被阻斷時，J1/J2端子輸出高電平；紅外光路被阻斷時，三極管導通，J1/J2端子輸出低電平。

設置雙重紅外探測器，內、外探測器分別由多次鏡面反射的單源紅外光形成防護網。當防護網光路被阻斷，探測器電平發生變化時，下降沿作為中斷信號反饋給單片機。單片機根據內外探測器電平變化的時序，分辨用戶行為與入侵行為。雙重防護網結構如圖4所示。

圖4 雙重防護網結構圖

應對不同情況時，內網防護網紅外接收器的電平變化曲線如圖5所示。

圖5 紅外接收器的電平變化曲線

2.2.1 入侵行為檢測

將外、內防護網光路先后被阻斷的行為判定為入侵行為。

外防護網光路先被阻斷，電平發生由高到低的跳變，下降沿作為外部中斷信號反饋給單片機，單片機進入報警識別中斷；內防護網光路后被阻斷，電平發生由高到低的跳變，下降沿作為外部中斷信號反饋給單片機，單片機作出入侵行為的判定，發出報警信號。

2.2.2 用戶行為檢測

將內、外防護網光路先后被阻斷的行為判定為用戶行為。用戶行為與入侵行為分辨判據如圖6所示。

圖6 分辨判據

內防護網光路先被阻斷，電平發生由高到低的跳變，下降沿作為外部中斷信號反饋給單片機，單片機進入用戶識別中斷；外防護網光路后被阻斷，電平發生由高到低的跳變，下降沿作為外部中斷信號反饋給單片機，單片機進入應用場合的判定。

內防護網光路先恢復的用戶行為發生在陽臺門，外防護網光路先恢復的用戶行為發生在單向窗。用戶行為與入侵行為遮擋防護網的時序不同，可選取合適的判據分辨用戶行為與入侵行為。

2.3 信號處理模塊

信號處理模塊采用意法半導體公司(ST)推出的高性能微控制器STM32F103作為主控單元，實現低功耗、小型化設計[8]，及時響應光路的阻斷。STM32F103單片機時鐘頻率達到72 MHz[9]，指令執行速度快，為系統及時、準確地處理入侵信號提供保證。STM32F103系列單片機是基于嵌入式ARM Cortex-M3內核的32位微處理器，內置高速存儲器,包括256 KB的閃存和48 KB的靜態隨機存取存儲器[10]，含有豐富的增強型I/O端口和連接2條APB總線的外設，還包含4個通用16位定時器，以及標準和先進的通信接口[11],以擴展STM32的功能。

STM32中，每一個通用輸入/輸出端口的中斷以組為單位，同組間的外部中斷同一時間只能使用一個。內、外兩道防護網獨立產生中斷信號，對應PB6、PB7兩組不同的外部中斷源。當防護網光路被阻斷時，STM32接收由B6、B7引腳傳輸的外部中斷信號。

2.4 通信傳輸模塊

選用SIM800A作為通信傳輸模塊，實現與用戶端的通信傳輸功能。該模塊工作在GSM 1 800 MHz頻段[12]，由5 V電源供電，休眠狀態時電流平均消耗0.55 mA，平均功耗為1 W。

STM32的A2、A3引腳與SIM800A的RXD、TXD引腳連接，實現串口異步通信。報警模式啟動后，GSM模塊主要負責收發短消息,通過向RS-232串口發送AT指令[13]來實現。AT指令集是GSM模塊與嵌入式計算機之間的通信協議,指令的內容均為ASCII碼,接收的短信采用TEXT模式。

3 軟件設計

設置系統工作狀態標志位，低電平有效。當判定用戶行為發生在陽臺門時，外防護網光路恢復后，標志位置1，單片機進入無效循環；再次檢測到的外、內防護網光路先后被阻斷，則為用戶行為觸發的入侵，標志位復位，報警系統恢復正常工作。

三個模式切換按鍵的狀態用三位二進制數表示，按鍵狀態在程序執行過程中持續與上一狀態比較。當有按鍵被按下，單片機將當前狀態與上一狀態進行異或邏輯判斷，確定哪個鍵被按下，從而進入特定的工作模式：按鍵1代表休眠模式；按鍵2代表單向通過模式；按鍵3代表雙向阻斷模式。

休眠模式下，單片機停止工作，系統功耗降至最低；單向通過模式具有降低誤報率的入侵識別算法，能夠識別因用戶行為而引起的誤報，從而提高本設計的可靠性。在單向通過模式下，可分辨用戶行為與入侵行為，顯著降低誤報率；雙向阻斷模式下，可監測雙向入侵。通過模式切換，能顯著降低本發明的功耗，同時提高使用的靈活性。

4 試驗分析

4.1 傾斜角與單位長度檢測值模型的建立

設紅外發射器的傾斜角度為α，紅外光路在鏡面的反射次數為c,系統安裝高度為h，安裝寬度為x。傾斜角度與反射次數的關系式為：

(1)

試驗中，安裝高度h=1.5 m，安裝寬度x=0.5 m,則:

(2)

定義單位長度檢測值β,其物理意義是單位長度上的平均反射次數:

(3)

系統的可靠性與紅外發射器的傾斜角度密切相關。隨著傾斜角度減小，反射次數增多，紅外光的光路變長，空間內的檢測范圍擴大，漏報率和誤報率降低。

4.2 試驗數據統計

試驗數據如表1所示。

表1 試驗數據

在預定的高度和寬度下進行系統可靠性試驗。當傾斜角低至9.5°、單位檢測值達到6時，1 000次通過試驗中漏報2次、誤報0次，因此可認為本系統漏報率為0.2%，誤報率小于0.1% 。試驗表明，系統可識別速度小于3.4 m/s、橫向寬度大于10 cm、高度大于6 cm、以不同姿勢通過的人或物體；系統的可靠性與紅外發射器的傾斜角度密切相關，傾斜角度越小，漏報率和誤報率越低。

5 結束語

本文設計的基于紅外探測器的報警系統，可靠性高，實現了對入侵行為的遠程通報。優化識別程序，將漏報率降至0.2%，誤報率降至0.1%以下；調節紅外發射器出射角，可提高紅外光路的覆蓋密度，有效降低成本。本設計可用于家庭防盜及需控制人員進出方向的場合。