基于數字鄉村建設的智能安防系統

賈夢澤，馬敬文，張笑迪，李姿景，鄧穎，李誠玉

黃河科技學院，河南鄭州 450003

0 引言

隨著社會主義新農村建設的進一步推進，以及國家一系列支持“三農”政策的落實，農村的面貌發生了翻天覆地的變化，農民的物質和精神生活日益豐富，生活條件得到極大改善。財富在農村的迅速增長也使得違法犯罪分子逐漸把目標鎖定在了廣大的農村地區。與此同時，農村家庭“空巢化”特點凸顯，加之技術防范手段落后，警力不足，導致農村入室盜竊、搶劫等案件多發。農村盜竊案件發案率居高不下，給原本防范就較為薄弱的農村地區的社會治安帶來了嚴峻挑戰。潘杰等人[1]發表的《農村家庭中簡易防盜報警器的應用探究》一文中表明，現在農村依然存在教育水平相對較低的實際情況，且多數青壯年外出打工導致家中多是老人和孩子。所以，價格昂貴、操作不便的高級防盜報警器在農村是不實用的，相反，功能簡單、性能可靠的簡易防盜報警器在農村家庭中更有實用價值。

1 系統工作原理

系統結構如圖1 所示。主控選擇STM32F103C8T6，OLED 顯示屏，GSM 模塊使用GA6-B，語音播報模塊使用SYN6288，光敏電阻傳感器，紅外傳感器，壓力檢測模塊由應變式壓力傳感器和HX711 信號處理芯片組成，測量環境光照強度，當光照強度高于閾值時，LED 燈關閉，低于閾值時，LED 打開，按鍵設置布防或撤防，當布防時，紅外傳感器和壓力傳感器同時有信號則進行聲音報警，語音播報“請盡快離開”，且紅LED 燈亮，同時向預設手機號發送報警短信。

本系統實現當紅外信號和光照信號同時輸入時，系統進行語音報警并進行短信報警，且通過光照強度檢測控制燈的亮滅。產品功能簡單實用、性能可靠，且價格相對便宜、操作方便，在農村家庭中有較大的實用價值。

2 硬件電路設計

2.1 主控模塊

主控模塊電路圖如圖2 所示。主控模塊[2]由濾波穩壓電路、時鐘電路、系統復位電路、USB 電源電路、SWD 調試接口電路和STM32F103C8T6 芯片組成。本次設計中使用芯片I/O 口接收紅外感應電路、光照檢測電路和壓力檢測電路發來的信號，通過芯片對獲取信號的計算來控制報警及開燈。

2.2 紅外檢測模塊

紅外檢測模塊電路圖如圖3 所示。紅外檢測模塊的功能是檢測是否有人員進入，主要使用紅外線傳感器，將CPU的PA3 引腳作為該傳感器輸入引腳并設置為上拉輸入模式，當模塊檢測到前方障礙物信號時，PA3 端口持續輸出低電平信號。PA4 將輸出高電平，PA4 與LDE 燈D2 連接，電路板上D2 點亮。

2.3 光照檢測模塊

光照檢測模塊電路圖如圖4 所示。光照檢測模塊功能是為感應開燈功能提供光照強度的檢測。光敏電阻模塊對環境光線敏感，用來檢測周圍環境光線的亮度，觸發單片機。當在環境光線亮度達不到設定閾值時，DO 端輸出高電平，當外界環境光線亮度超過設定閾值時，DO 端輸出低電平。DO 輸出端可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低。

將光敏電阻的AO 接入CPU 的PA2 端口。在CPU上配置ADC 模塊，設置使用PA2 端口進行采樣。 配置ADC 時鐘分頻為PCLK2/6，設置ADC 工作模式為獨立模式，非掃描模式，非連續模式，并禁用外部觸發。采樣速率為ADC 時鐘頻率除以采樣時間，即為72 MHz/239.5=300 kHz。采樣精度為12 位，即可以表示0 ～4 095 的數字量。采樣間隔為5 ms，即每采集一次數據需要等待5 ms的時間間隔。根據指定的通道和轉換次數，對每次ADC1 規則組的轉換結果進行求和，并在每次轉換后進行延時5 ms。最終返回該結果的平均值。

2.4 壓力檢測模塊

壓力檢測模塊電路圖如圖5 所示。壓力檢測模塊[3]功能是檢測人員進入情況，與紅外檢測模塊協同工作，防止誤報，主要由應變式壓力傳感器和HX711壓力信號處理芯片組成。該芯片內部包含穩壓電源、時鐘振蕩電路等其他類似芯片所必需的外圍電路，集成度高，響應時間短，抗干擾能力強。選擇該芯片可以降低整機成本，并對整機的可靠性有一定的保證。

設置PB0 和PB1 兩個I/O 口，用來分別連接HX711 芯片的SCL 和SDA 引腳。經過初始化后，CPU 可以通過PB0 端口和PB1 端口讀取HX711 芯片輸出的數據，該程序通過AD 轉換將讀取到的數據和已知的標定數據進行比較，就可以得到物體的準確重量。

2.5 短信報警模塊

短信報警模塊電路圖如圖6 所示。短信報警模塊[4]功能是實現向上位機發送報警短信，主要由芯片GA6-B 及其外圍電路構成。GA6-B 具有廣域覆蓋、永遠在線、按量計費、高速傳輸、價格便宜的優點，廣泛應用于工業領域。

將GA6-B 和CPU 的VCC、GND 以及UART 串口相連。GA6-B 的TXD 引腳接CPU 的PB11 引腳，GA6-B 的RXD 引腳接CPU 的PB10 引腳。在CPU 的代碼中，通過配置UART 串口通信參數，包括波特率、數據位、校驗位和停止位等參數，確保與GA6-B 一致。向GA6-B 發送AT 指令。發送AT 指令需要使用CPU 的PB11 引腳，將AT 指令以字符串的形式發送給GA6-B。GA6-B 收到AT 指令后，會根據指令完成相應的操作或者返回相關的信息。CPU 通過PB10 引腳接收GA6-B 發送的響應消息，GA6-B 和CPU 可以通過GPRS 網絡進行數據傳輸。基于通信協議，可以實現遠程數據傳輸、接收命令等功能。

2.6 語音播報模塊

語音報警模塊電路圖如圖7 所示。語音播報模塊[5]的功能是發出語音報警信號，主要使用SYN6288 語音合成芯片構成。SYN6288 是采用PSOLA 拼接合成技術的一款語音合成芯片。SYN6288 通過異步串口通信方式接收待合成的文本數據，實現文本到語音的轉換，可直接通過PWM 輸出方式驅動揚聲器或外接功率放大電路驅動揚聲器，進行語音輸出。

SYN6288 模塊可以通過串口進行通信，因此需要將其與STM32F103C8T6 的USARTx端口連接，可以將SYN6288 的TXD 引腳連接到CPU 的USARTX 的PA10 引腳，同時將SYN6288 的RXD 引腳連接到CPU 的USARTX 的PA9引腳。此外，還需要將SYN6288 的VCC 引腳連接到CPU 的5 V 電源引腳，將GND 引腳連接到CPU 的地引腳。將USART1 進行串口初始化，包括GPIO 引腳配置、USART 初始化和中斷配置。當收到USART1_RXNE中斷時，讀取串口1，接收寄存器（USART1->DR）中的數據，并根據接收狀態（USART_RX_STA）的不同進行相應處理。接收狀態包括3 個部分：接收完成標志（USART_RX_STA 的最高位為1 表示接收完成）、接收到0x0d（回車符）標志（USART_RX_STA 的第14 位為1 表示接收到了回車符）、接收到的有效字節數（USART_RX_STA 的第13 位表示接收到的有效字節數，最大為USART_REC_LEN-1）。當接收未完成時，根據接收狀態進行相應處理。如果接收到了回車符，則設置接收到回車符標志位，否則將接收到的數據存入接收緩沖區，并更新接收狀態。當接收完成時，設置接收完成標志，以便上層應用程序進行后續處理。若接收出錯（接收到的數據中沒有回車符或者接收到回車符后沒有接收到0x0a），則重置接收狀態，以便重新開始接收。

3 軟件設計

程序流程圖如圖8 所示。當主控芯片接收到啟動信號后，系統會進行復位初始化，并進入系統待機狀態。此時，主控芯片會等待傳感器信號產生的中斷觸發。如果沒有傳感器信號產生中斷，系統會一直等待；而如果有傳感器信號觸發中斷，系統會進入觸發語音警報服務程序。

在警報狀態中，主控芯片會向用戶手機端發送報警短信，提醒用戶有異常情況發生，同時，語音警報服務程序會播放警報聲音，以提醒周圍的人注意。

當警報解除后，需要按下停止警報按鈕才能停止警報。此時，主控芯片會等待按下復位按鈕來重新進行系統初始化，并重新進入等待中斷觸發的狀態。

在系統運行過程中，主控芯片會不斷檢測傳感器信號，如果有傳感器信號觸發中斷，警報狀態會再次啟動，否則，系統將一直保持等待中斷觸發狀態。

4 調試及結果

4.1 產品模塊說明

產品的各功能模塊如圖9 所示。本產品經測試，功能均可正常使用，主要分為以下功能：壓力檢測功能由應變式壓力傳感器實現；光照檢測功能由光敏電阻傳感器實現；紅外檢測功能由紅外傳感器實現；短信報警功能由GSM 通信模塊實現；語音報警功能由SYN6288 語音報警模塊實現；主控STM32F103C8T6實現對整個系統的控制與管理；OLED 屏實現了工作狀態的實時顯示；撤防布防按鍵實現了系統工作狀態的切換。

4.2 產品功能測試

4.2.1 使用說明

（1）當系統通過USB 正常供電后，會播報系統提示音，系統開始初始化，各個模塊正常工作，系統默認撤防狀態；

（2）按下布防按鈕，系統各個模塊開始工作，紅外檢測模塊開始自動檢測范圍內的人體，當有人進入檢測范圍，紅外信號輸入；

（3）壓力檢測模塊進入檢測狀態，所承受壓力超過設定閾值時，壓力信號輸入；

（4）當兩者同時輸入時，觸發語音報警“請盡快離開”，GSM 發送報警信息“warning”至用戶手機；

（5）當亮度低于一定程度時，系統自動開燈，補充光照；

（6）按下按鍵，實現布防與撤防的轉換，當處于撤防狀態時，模塊正常運行，但當有人闖入時，不會觸發語音報警和GSM 的報警信息發送；

（7）撤防狀態下，屏幕顯示當前的光照強度與設定的光照閾值；布防狀態下，屏幕顯示壓力信號與紅外信號的輸入狀態。

4.2.2 產品運行演示

（1）當有人闖入時，手機收到的短信如圖10所示；

（2）撤防狀態下，屏幕顯示如圖 11 所示，布防狀態下，屏幕顯示如圖12 所示；

（3）表1、表2 分別是撤防與布防時的產品測試結果。

表1 撤防功能測試數據表格

表2 布防功能測試數據表格

經過測試，感應LED 燈在有光照信號輸入時，在布防狀態下和撤防狀態下均會點亮。布防狀態下，只有在壓力信號和紅外信號同時輸入時才會發出短信報警、語音報警及LED 警報，這個現象說明了系統運行正常，可以對外界環境進行有效地檢測和響應。

產品可靠性測試如圖13 所示。系統連續測試100次的結果可以充分驗證其可靠性和穩定性。

值得注意的是，在撤防狀態下，系統不會發出任何警報或控制燈光的開關狀態，因此產生的所有信號都將被忽略。具體來說，當系統接收到來自壓力電路和紅外感應電路的信號后，系統會經過比較運算后判斷是否超過了預設的閾值，如果超過閾值，則會觸發報警機制。可以考慮加入WiFi 無線通信模塊，以便與智能物聯接軌實現市場大眾化。

因此，系統運行正常、短信報警、語音報警及其LED 燈報警在布防狀態下時，壓力信號與紅外信號同時輸入時才會發出報警信號，這說明系統的硬件和軟件設計是有效的，能夠對外界環境進行有效地檢測和響應，從而起到保護人身安全和家庭財產的作用。

5 結束語

當前，安防系統主要有以下幾種：視頻監控系統、入侵報警系統、門禁系統、防盜報警系統、安全防護系統等。這些安防系統的特點包括實時性、可遠程訪問、自動報警、身份認證、記錄和保護等，但是對于農村來說，實用性較小，操作繁瑣，尤其不適合老年人。

本系統采用的STM32F103C8T6 單片機控制器擁有強大的處理能力，且能夠為多個外設提供時間同步，避免了因為外設口信號不同步而帶來的數據錯誤問題。搭配光照檢測模塊、紅外檢測模塊、壓力檢測模塊、語音報警模塊、GSM、OLED 模塊和電源模塊等多種組件， 實現了基于數字鄉村建設的智能安防系統設計。產品設計理念簡單，組件使用普及，生產成本較低，外觀簡潔，操作易學易用。

經過多次測試和驗證，該系統具有較高的穩定性，能夠長時間運行而不會出現系統崩潰、數據丟失等情況，同時具備功能實用、價格低廉、用戶易操作、系統穩定性高等優點。

本項目特色明顯，主要針對數字鄉村建設中的智能安防，功能上刪繁就簡，操作方便，檢測率高，實用性強，讓鄉村老人孩子消除了對這個電子產品“玩不轉”的心理障礙。

此外，本產品可拓展性強，不僅可以應用于單家單戶，隨著市場化的推進，只要做簡單的升級改造，就可以聯網應用，具有較好的市場前景。