人體紅外及震動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的安全防盜系統(tǒng)

沈陽理工大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 劉 軍 劉 樺 賈志遠(yuǎn) 曹 汐 杜松諭

隨著安防監(jiān)視以及智能家居技術(shù)的快速發(fā)展，基于人體紅外及震動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全防盜技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文以STM32為主，通過紅外和震動傳感器以及匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸。STM32處理完成信息后通過串口連接wifi模塊將信息傳遞給用戶。（其中wifi模塊和手機(jī)端必須連接在同一wifi上）

目前大多數(shù)安全防盜系統(tǒng)主要提供目標(biāo)入侵事件的簡單報警功能，不能夠確定入侵目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，導(dǎo)致無法快速有效地捕獲入侵目標(biāo)。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器入侵檢測功能廣泛運(yùn)用。由傳感器檢測數(shù)據(jù)，通過匯聚節(jié)點(diǎn)接收，并利用STM32組成一個無線網(wǎng)絡(luò)，極大的排除了系統(tǒng)被入侵的可能，單片機(jī)通過串口連接wifi模塊，wifi模塊和手機(jī)連接同一個wifi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。用戶可以通過手機(jī)端的軟件隨時了解安全情況。

1 硬件部分

系統(tǒng)硬件主要由stm32F103ZET6芯片，ATK-ESP8266串口轉(zhuǎn)WIFI模塊，人體感應(yīng)模塊，SW420振動傳感器滾珠開關(guān)，供電模塊組成。

芯片選用stm32F103ZET6，最高72MHz工作頻率，內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)教的8MHz的RC振蕩器，串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口，擁有144引腳，512KFLASH，64K SARM，具有容量大，芯片內(nèi)嵌資源豐富（5個串口，8個定時器，3個ADC，共16通道，2個DAC，CAN，SDIO，F(xiàn)SMC，I2C，I2S，SPI，USB Slave等），112個IO口，低功耗，高性能，低成本等特點(diǎn)。

HC-SR501人體感應(yīng)模塊（如圖1所示）工作電壓范圍4.5-20V，高電平輸出3.3V，低電平輸出0V，延遲時間0.5-200s可調(diào)，封鎖時間默認(rèn)2.5s，感應(yīng)角度<100°錐角，本模塊具有光敏控制功能，可設(shè)置為強(qiáng)光時不工作，溫度補(bǔ)償功能在環(huán)境處于30-32℃時探測范圍稍微變短，可有效提升在高溫環(huán)境下的識別精度，靜態(tài)電流50μA具有低功耗的特點(diǎn)。

圖1 HC-SR501人體感應(yīng)模塊

圖2 ESP8266WIFI模塊

圖3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

模塊工作原理：是一種基于熱電效應(yīng)的熱釋電傳感器，它能在探測范圍內(nèi)檢測到由人或動物進(jìn)入而產(chǎn)生的紅外輻射變化，傳感器檢測到波長為10μm左右的紅外線使熱釋電元件產(chǎn)生突變的電信號，模塊將持續(xù)輸出高電平直到人離開后恢復(fù)低電平，在一次感應(yīng)輸出后能夠設(shè)置一個封鎖時間段，在此時間段感應(yīng)器不接受任何信號可有效抑制負(fù)載切換時的各種干擾。ESP8266WIFI模塊采用串口（LVTTL）與MCU（或其他串口設(shè)備）通信，內(nèi)置TCP/協(xié)議棧，支持802.11b，802.11g，802.11n網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，無線傳輸速率802.11b最高可達(dá)11Mbps，802.11g最高可達(dá)54Mbps，802.11n最高可達(dá)HT20，MCS7，頻率范圍2.412GHz-2.484GHz，發(fā)射功率11-18dbm，可以滿足室內(nèi)高速組網(wǎng)需求，迅速在單片機(jī)與手機(jī)終端上傳輸數(shù)據(jù)。

SW420振動傳感器（如圖2所示）滾珠開關(guān)屬于單滾軸型感應(yīng)觸發(fā)開關(guān)，可感應(yīng)來自不同方向的震動傾斜，當(dāng)無振動或傾斜時，傳感器為閉路狀態(tài)，當(dāng)有震動或傾斜時導(dǎo)電電阻增大或降低，產(chǎn)生電流脈沖信號從而觸發(fā)電路。

本系統(tǒng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)和終端軟件兩部分組成（如圖3所示），傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個集成震動傳感器，紅外傳感器，WIFI傳輸模塊的單片機(jī)組成，將其布置在房間的門口，窗戶等入口處檢測是否有人侵入，若有人侵入傳感器將把物理信號轉(zhuǎn)換為電信號引起電平改變，經(jīng)由單片機(jī)處理信號后，通過WIFI模塊將信號發(fā)送到手機(jī)終端，在手機(jī)APP上進(jìn)行警示，提示有人侵入，在一次提示過后紅外模塊將進(jìn)入2.5s的封鎖時間，此時警報暫停，封鎖時間過后若紅外傳感器再次檢測到紅外信號則再次重復(fù)以上流程，在其過程期間手機(jī)端可以手動中斷報警解決誤判問題。

人體紅外傳感器安裝在室內(nèi)將其安裝在房間的對角線處（如圖4所示），可利用兩個傳感器便可對整個房間進(jìn)行監(jiān)測，而在窗口處時在窗臺處安裝振動傳感器，在其對角線處安裝紅外傳感器交叉監(jiān)測避開死角（如圖5所示）。

2 手機(jī)端app設(shè)計(jì)

基于用戶的手機(jī)系統(tǒng)大多采用andriod，所以手機(jī)app在andriod環(huán)境下進(jìn)行使用，則需要用java來進(jìn)行軟件的編寫。首先是對java編寫環(huán)境的創(chuàng)建，下載安裝jdk軟件并設(shè)置電腦的環(huán)境變量，之后才能進(jìn)行代碼的編寫。之后是針對Andriod軟件的開發(fā)的開發(fā)工具的準(zhǔn)備。在官網(wǎng)下載SDK，下載并安裝eclipse java集成開發(fā)環(huán)境包，開發(fā)環(huán)境就創(chuàng)建完成了。接下來就是軟件的開發(fā)，編寫代碼并寫出軟件終端的程序結(jié)構(gòu)圖，之后對要開發(fā)app的界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里選擇用java代碼來實(shí)現(xiàn)。

圖4 人體紅外傳感器室內(nèi)的安裝示意圖

圖5 人體紅外傳感器和振動傳感器窗口的安裝示意圖

3 單片機(jī)與手機(jī)端連接

3.1 單片機(jī)直接與手機(jī)連接

單片機(jī)可以通過首先將單片機(jī)通過UART接口與wifi模塊連接起來，單片機(jī)通過AT指令設(shè)置wifi模塊為Ap Mode。之后手機(jī)端直接搜索wifi信號來連接。當(dāng)wifi模塊被設(shè)置為AP Mode后可將其視為一個熱點(diǎn)，可以被手機(jī)直接通過wifi連接起來。當(dāng)連接完成后，可以通過手機(jī)app與單片機(jī)進(jìn)行通訊。直接與手機(jī)端通訊，還需要自行設(shè)置通訊協(xié)議。

3.2 單片機(jī)通過局域網(wǎng)與手機(jī)連接

如圖6所示，單片機(jī)首先設(shè)置好wifi模塊，先由單片機(jī)將wifi模塊設(shè)置為Stattion Mode，并且把所連接的wifi的SSID和密碼都給wifi模塊，在設(shè)置完成后就可以通過連接系統(tǒng)所在范圍的路由器，手機(jī)也連接這個路由器，通過局域網(wǎng)來進(jìn)行單片機(jī)與手機(jī)的通訊，此時WiFi模塊和手機(jī)均在同意局域網(wǎng)中，兩個設(shè)備此時就像同一局域網(wǎng)下的兩臺電腦可以進(jìn)行通訊，并且不需要自己設(shè)置通訊協(xié)議，而是使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

圖6 使用局域網(wǎng)連接示意圖

結(jié)語：本文通過構(gòu)建一個無線網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行對入侵信號的采集、處理、傳輸，主要是通過STM32強(qiáng)大的處理能力，對信號進(jìn)行處理分析，而傳遞給用戶則通過wifi網(wǎng)絡(luò)，用戶還可以給出指令去獲取實(shí)時的監(jiān)控信息。