基于嵌入式與GPRS無線通訊防身報警系統*

羅維康，張亞婉，張彩威，黎偉健

（廣東工業大學華立學院，廣州 511325）

0 引言

近年來女性遭受侵害的案件越來越多，其中女性獨自搭乘網約車遇害的案件不在少數，而目前市面上的女生防狼噴霧存在刺激性氣體、易誤傷自己等缺點。防狼警棍、強光手電筒等防狼產品，便攜性差，易被對方發覺而增加自身危險。針對該問題，設計此報警系統，以彌補現有防狼產品的易誤傷、偽裝性差等缺陷。

如今GPRS無線通訊技術已是一項相對成熟的技術，被廣泛應用于智能設備中，相較于采用藍牙，GPRS可獨立通訊，不需要連接附近的手機就可以對外發送信息。本設計采用的GPRS技術和GPS技術，可通過GPRS對外發送求救信息和實時位置。同時，嵌入式單片機對強光LED、蜂鳴器的控制，可為遇險人員爭取一定的救援時間，引起周圍路人的注意，從而幫助遇險人員脫離危險。

1 總體設計方案

本系統由攝像頭采集環境圖片并存入到SD卡、雙全球定位系統來定位人的位置，傳遞給嵌入式單片機進行信息處理后，通過GPRS無線通信技術，以短信形式發送求救信號和位置信息給緊急聯系人，請求救援。同時使用蜂鳴器發出高達120 dB的聲音，引起周邊人的強烈注意，以及發出強光照射對方，為自己爭取到一定時間，從而脫離危險。

嵌入式單片機對采集到信息的處理過程如圖1所示。報警器的實時位置也可以通過GPS＋北斗雙全球定位系統來進行定位，最后通過串口通信來與GPRS無限傳輸模塊與手機緊急聯系人通信。

圖1 信息處理

GPRS無線通信技術通信過程如圖2所示。當嵌入式單片機處理完所采集的信息后，通過WH－LTE－7S4 V2模塊發送短信到緊急聯絡人的手機上，達到將當前實時信息傳輸到網絡的功能。

圖2 GPRS無線通信技術

2 硬件設計

該報警系統硬件部分主要包括嵌入式微控制器模塊、GPRS模塊和GPS/北斗模塊。其中嵌入式微控制器模塊對數據進行處理并作出相應的控制。GPS/北斗模塊采集當前位置信息，GPRS模塊通過串口接口與主控器組建網絡并連接手機端[1]。

2.1 嵌入式單片機

本系統選取STM32F103C8芯片作為報警器的主控芯片，該芯片在移動通信以及通用處理等領域得到廣泛使用。片上集成5個通用同步/異步串行收發器，采用較低的電壓供電2.0～3.6 V[2]；其中PWM輸出最多可占6個通道；另外還擁有2個看門狗定時器[3]，嵌入式單片機最小系統如圖3所示。

圖3 單片機最小系統電路

2.2 OV7670攝像頭

本系統圖像采集系統采用OV7670攝像頭模塊，OV7670攝像頭具有體積小、工作電壓低等特點[4]。采用帶FIFO模塊的OV7670，將FIFO作為數據緩沖區，可使數據采集變得更簡便，用戶只需關心如何讀取數據即可，不需關心數據如何采集，可減小CMOS的控制與時序關系，即可實現圖像的采集。

OV7670原理如圖4所示。

圖4 OV7670原理

2.3 GPRS模塊

GPRS數據業務通過Internet網進行通信。采用GPRS技術的無線通訊系統具有傳輸速度較快、始終在線、實時性高、安全性強、資費便宜等特點[5]。采用TCP/IP協議，GPRS模塊（DTU）可將數據傳至遠程數據端，GPRS模塊GPRS通訊系統結構如圖5所示。

圖5 GPRS通訊系統結構

USR－GPRS－734支持RS485串口，可實現GPRS網絡與串口數據雙向透明傳輸，提供高達171.2 kbit/s的傳輸速率，應用帶寬大約30～40 kbit/s[6]。其支持多重保護，包括電路保護、電源保護、RS485口保護，是一款高穩定性的聯網設備。其工作過程為：首先在DTU插入具有GPRS功能的SIM卡，然后對DTU進行上電操作，再注冊到GPRS網絡，最后對GPRS網絡和數據處理中心建立連接[7]。

2.4 GPS/北斗模塊

A9G是一個完整的四頻GSM/GPRS＋GPRS/GPS模塊。A9G支持固件二次開發，具有25個IO、UART、SPI、I2C、LCD、SDIO、ADC等多種外設，在多數情況下可以直接省去外部MCU；支持GPS、BDS（北斗）定位；支持語音通話及SMS短信；支持UART接口下載等優勢。A9G支持CoAP、MQTT、HTTP 3種物聯網通訊協議，可供用戶根據需要靈活選擇[8]。

3 軟件設計

報警器的軟件系統包括圖像采集模塊、位置信息采集模塊、控制處理模塊、GPRS無線通訊模塊、按鍵模塊以及聲光報警模塊。當有按鍵按下開始采集周圍環境信息，包括圖像的采集和位置信息；當有第二個按鍵按下，即進行GPRS無線通訊向緊急聯系人發送求救信號和位置信息，并進行現場聲光報警。控制主流程如圖6所示。

圖6 控制主流程

3.1 嵌入式單片機

STM32主控芯片主要進行中斷初始化、串口初始化處理、圖像采集、GPS位置信息采集、無線通訊與聲光報警進行控制。LED和蜂鳴器可直接由I/O產生不同高電平信號控制，控制LED和蜂鳴器的IO口為PA4和PA5，都設置為推挽輸出模式。

3.2 OV7670攝像頭程序設計

STM32利用外部中斷監控OV7670的數據輸出，若OV7670生成同步信號，就會觸發STM32的外部I/O中斷，可在中斷服務子程序中，對OV7670進行讀寫操作，第二次檢測到同步信號時，STM32關閉FIFO寫使能，關閉OV7670的圖像輸出，同時通知STM32主程序，開始從FIFO緩沖區中，讀取當前幀的圖像數據。

編程設置OV7670采集圖像，并將采集好的圖像轉化為數字信號儲存在SD卡中。

3.3 GPRS無線通信模塊程序設計

在USR－GPRS－734中內嵌了TCP/IP協議棧[9]，數據的收發可通過AT指令完成，開機后，GPRS數據的發送由設置AT指令實現。網絡配置流程如圖7所示。

圖7 網絡配置流程

3.4 GPS模塊程序設計

GPS模塊的主要作用為采集位置信息，并將位置信息傳遞給主控器。當衛星數據被GPS模塊接收后，主控制器對位置信息進行提取。首先主控器需與GPS模塊進行串口連接通信，主控器通過串口獲得GPS模塊中的數據；然后提取幀頭為GPRMC的數據，并從該數據提取所需的定位信息，主要包括時間、經緯度坐標、航向等[10]。其工作流程如圖8所示。

圖8 GPS模塊工作流程

4 實驗驗證

本系統的實物如圖9所示，將其設計成相機進行偽裝。為驗證該報警器位置數據的準確性及GPRS工作情況，將設備進行實測。結果表明很好地實現了預期的設想。測試結果表明平臺利用接收數據顯示的定位結果準確，未出現較大偏差。緊急聯系人接收到了求救短信，如圖9所示。

圖9 報警器實物

圖10 求救短信測試結果

5 結束語

本設計是一種基于嵌入式單片機與GPRS技術的一款新型防身報警器，系統的結構分別為STM32、GPRS模塊、攝像頭等。在功能上，GPS定位準確，求救信息發送及時，緊急聯系人可實時追蹤求救者的位置，迅速收到求救短信，極大地幫助了遇險人員脫險。系統設計合理并且功能穩定，具有可靠性高、精度高、響應速度快等特點，在技術上應用了當前流行的技術，實用性和功能性強，通過實驗可以達到使用的要求，本設計亦可應用于兒童和老人走失的隨身定位。