基于STM32的红外无线报警系统的设计

王华杰，张晓娟，郑来芳

（太原工业学院电子工程系，山西太原030008）

基于STM32的红外无线报警系统的设计

王华杰，张晓娟，郑来芳

（太原工业学院电子工程系，山西太原030008）

本设计提出了基于GPRS∕GSM网络进行数据传输实现监测并报警的系统的解决方案。该系统采用以STM32F103为主控制模块，实时采集红外线人体感应器传来的报警信息，由单片机发送控制指令，把报警信号通过AT指令传给M33模块，对报警信号进行处理并对监测现场进行图片的采集、存储并通过GPRS∕GSM网络发送邮件或彩信到手机。实践应用结果表明，系统工作稳定，安装方便，无线传输等优点，广泛应用于家庭、仓库等场所，对这些场所的安全提供了保障。

单片机；M33模块；GPRS∕GSM网络

随着社会经济发展，人们生活水平的提高，人们对自身所处的生活环境的安全有了更高的要求。在家庭、博物馆、图书馆、仓库等重要的场所常有入室盗窃案件发生，这些不利因素对于传统的安防来说是一个巨大的挑战。需要一种多功能智能报警系统来保证这些重要场所的安全，设计一种低成本低功耗，对报警能迅速做出反应且进行无线传输的监测系统就成为一种发展趋势[1-2]。

本设计采用的是无线接收、发射模块，接收联机安防探头传来的报警信息。随着信息技术的迅速发展，移动通信的高覆盖率，安全性高，迅速的通讯方式能实现把报警信号实时地通知给用户。近年来，嵌入式技术的发展迅速，那么基于嵌入式的安防监控系统在迅速出现在市场之中，其可靠性高、功耗低等方面比较受到用户的青睐，但是基于嵌入式的系统架构需要开发人员熟练掌握网络通讯技术和图像处理技术外，还要熟练掌握基于操作系统的软件开发，才能实现图像采集和处理、存储、传输。在节约成本的同时还要满足用户的需求，本文提出了一种以STM32为主控制模块，将红外线人体感应传感器、摄像头信号数据传送到控制主机，主机将发指令给采集模块进行入侵者的信息采集处理，经主机判断后把报警信号通过GPRS∕GSM网络，传送到远程户主手机，用户可以更及时、更直观、更清晰的掌握家中安防的异常情况，满足了人们对越来越多重要场所的安全防范的需求。

1 系统总体构及工作原理

1.1 系统总体结构

无线红外报警监测系统的设计对硬件技术和软件设计有更高的要求，针对现状分析，综合用户需求，本系统采用现场监测和无线远程报警相结合的方式，为了使用户能更全面实时的监测，系统采用在重要地点放摄像头，当监测有人入侵进行拍照并把照片以发送彩信的模式进行报警，而对普通地点如卧室则采用放置红外探测器设置防区的方式，当有人进入，则系统会发送短信进行报警，并且通过语音来传递信息，及时播报，对犯罪分子起警示作用，在日常生活中，最常接触到的环境因素就是温度和湿度，恰当的温度和湿度不仅使人舒服而且还能增强人体的抵抗力，安装环境监测系统，对室内的温湿度进行监测现在不少家庭都有定时读书的习惯，即增加光照度检测，就可以根据自然光亮度来决定开灯否。系统的总体结构如图1所示。[3]

图1 系统总体结构

系统由STM32F103RTC6为控制芯片，PIR红外人体感应模块，GSM∕GPRS无线通信模块，烟雾和光感传感器、PT2262∕2272遥控器接收模块等部分组成。

主控芯片是系统的核心，本系统要实现传感器信号检测，现场信息的采集，报警信息的发送等，因此所选主控芯片要有较强的数据处理能力和丰富的接口资源，能进行通讯且具有较高的性价比。综上，选用ST公司的高性能微控制器STM32F103RTC6。该芯片基于ARM@CortexTM-m3 32位的RISC内核，内部采用哈佛结构，执行能力大大提高，最高工作频率为72 MHz，1.25DMIPS∕MHZ，单周期乘硬件除法，片上集成高达256 K字节的FLASH存储器和64 K字节的SRAM存储器，包含标准和先进的通信接口：2个UART接口，2通道的A∕D转换器，2通道的D∕A转换器，2个SPI接口，1个USB2.0高速接口，1个I2C接口。该芯片丰富的串行接口使得其外围电路设计变得简单。

GPRS∕GSM模块采用上海移位通信有限公司的多功能模块M33来实现图像采集、预处理、JPEG压缩、存储和GSM∕GPRS通讯等。

1.2 系统的工作原理

一般意义上的报警系统的功能是收到警情信号后通常采用以下几种方式进行报警，如：户主不在家时当接收到报警信息打电话通知给保安、家里安装警铃报警等。此外还可以把门窗控制系统、煤烟监测系统和视频采集监控系统连起来，这样不仅能监测有人入侵还能及时有效避免火灾等情况的发生。

系统由探测器和报警主机构成，其中STM32F103负责信息数据的采集，异常情况的判断及处理及处理之后的图像存储和发送，是整个系统的心脏。主控制器需要实时采集由人体释放的红外信号，采集的信号要把模拟信号转换成电信号。如果检测异常，那么主控制器接收到报警信号，对信息进行确认证实无误后通过写指令对M33模块控制其信号的采集，信息采集之后开启摄像头进行拍照，将照片存储到SD卡内。如果用户设定为发送模式，系统将通过GSM∕GPRS无线发送模块将照片发送至用户接收终端。如果设置为非发射模式，经过处理的拍摄的照片直接存储在SD卡内。若用户在家可直接用无线遥控器开启或关闭视频监控，若外出可发短信控制视频监控模式的转换，这样能做到实时监测住宅环境的安全情况。户主还可以发送短信与主机接通，可以随时随地监听家里的情况，这样就完成了主动查询的功能，当有入侵人员，开启扬声器，对其警告。[4]

2 系统硬件设计

2.1 最小系统设计

本系统最小系统由复位电路、启动配置电路、石英晶振电路、JTAG∕SW调试接口电路等组成。

2.2 PIR模块电路设计

热释电红外传感器是基于热电效应原理的热释电型红外传感器。在有人或动物进入探测区域现场的红外辐射发生变化，探测元件接收到10 μm左右的红外线，使热释电器件产生突变的电信号，从而发出警报。传感器会因自身的温度变化而对测量产生干扰，为了抑制这种干扰，该传感器在工艺上设计成将两个特征一致的热电元件反相串联或结成差动平衡电路的形式，这种设计形式能以非接触的方式检测出人体发出的红外线并且将检测到的人体红外线能量转换成电信号输出。此种传感器结构上一个双元热释电陶瓷在源极跟随器和FET连接，此外还包括保护电阻和RF额外的电容。该传感器外加TO-5外壳用来红外线的过滤，目的是用来保护避免强烈的白光的干扰。由于一般热释电红外传感器输出的是一个在1V基础上变化的信号，并且信号转换成电信号的变化幅度只有15 mV左右，在传感器外加菲涅尔透镜采用分割方式既降底由小宠物引起的误报率，还能使输出信号电压呈脉冲形式，对输出的信号进行处理。监测到的信号通过由LMV831组成的信号处理电路，可使采集的不规则的信号变为规范的高低电平信号，同时系统由STM32F103RC的12 bit高精度ADC0口进行间隙采集和软件算法判断是否有人入侵。[5]PIR工作原理如图2。

图2 PIR工作原理

2.3 M35模块硬件设计

在系统设计中，M35模块模块支持850∕900∕1800∕1900 MHz频率，支持TCP∕IP、MMS等协议，支持GSM07.07,GSM07.05和增强型AT命令集。M35模块通过AT指令控制模块实现一系列的功能，比如图像信息采集，信息的储存，彩信或短信发送等。M35模块通过串行总线与CPU进行通信。主控制其可以通过UART2向模块M35发送AT指令“AT+QSCLK=1”控制DTR1的电平使M35进入或退出睡眠状态。当DTR1设置高电平或长时间没有接到报警信号，M35可自动进入睡眠状态。因为要给用户发送报警信号，需要耗费一定的流量，M35模块既可以通过硬件也能通过软件来控制手机流量，一般采取软件控制流量来简化硬件电路连接。M33模块如果没有报警信号时一般处于睡眠状态，也可以通过I∕O口向模块的开关引脚输出多与2 s的高电平使模块开启正常工作模式。

与M35模块相连的模块有SD卡电路模块、图像处理电路模块、SIM卡电路和SD卡接口电路模块。M35中自带图像处理功能的硬件电路，大大简化了软件和硬件电路对图像的处理的复杂性，提高了系统实时通信的能力，当现场有人侵入是，STM32接收到信号后发送指令对现场进行拍照作为证据，STM32通过8位的数据信号和VREF、HREF控制信号及PCLK时钟信号实现对图像数据采集。在实际应用中M33模块和STM32F103发生同时对SD卡上的内容进行读取的情况，为了防止此情况下产生冲突，把系统设计成用单刀双掷模拟开关芯片PI3A412进行访问的选择。

3 系统软件设计与实现

在硬件系统的基础上，对软件进行设计，来确保系统能稳定可靠的运行，来满足设计的要求实现相应的功能。

本系统采用模块化的设计思想。其包括升级程序和应用程序。升级程序主要能实现系统应用程序的自动升级；应用程序主要分为报警信息的采集、图像采集模块、彩信或短信发送模块、显示模块等。

系统开机后对监视终端的各模块进行初始化，首先系统先判断有无升级程序，若有，则系统自动升级，完成升级后跳转到程序去，否则系统直接跳转到程序区进入低功耗状态等待接收PIR触发异常情况下的报警信息。系统软件运行的基本流程如图3。

系统上电初始化之后，先对系统功能进行相应的设置，可以使用键盘设置，也可以通过遥控器进行设置，当主人不在家时，需要进行设防，期间系统采用间断采集信号的形式，每隔200 ms采集一次，连续采集两次，和预设值比较的形式来判断是否有人入侵，若STM32确实检测到有人入侵信号，则通过发送AT指令“AT+QSCLK=1”唤醒M33模块，通过UART2向M33模块发送一系列AT指令实现彩信报警的功能，彩信报警的流程图如图4[6]。

图3 系统软件运行基本流程图

图4 彩信报警流程图

在设计家用安防报警器电路时主要用到热释电红外传探测器（PIR），人体产生的红外辐射被正常工作的热释电红外传感器检测到，人体辐射的热量在相应的波长范围内被检测到，同时当距离越远，PIR检测到人体辐射的红外能量越弱，若要能检测到人体辐射的能量就要求PIR的灵敏度要高。环境温度突然变高或变低对PIR检测人体辐射的热量有较大影响，特别是当环境温度与人体的温度接近时，很容易发生误报的情况。为了减少这种情况的发生，多次测试结果表明，如果在PIR监测范围为10 m以内有人走动时，那么触发相机误拍的几率就大大减少，也就减少了户主接收的误报警的短信。当有人进入PIR监测范围内，系统拍照并发送彩信。

4 结语

由于本系统带有图像处理和GPRS∕GSM模块，可以将采集到的报警信息以图片的形式发送彩信和发送短信相结合的方式发送给户主，户主能及时的发现警情并迅速做出反应，安全性能较之传统的报警器，有很大的提高。

本系统采用的是GPRS∕GSM无线网络，省去了传统有线网络布线复杂的问题，故应用范围更广泛；基于单片机的监测系统结构简单，具有可靠性高、实时性强的特点，故其市场潜力很大。

[1]罗永刚,邢雪宁,高沛.基于单片机的智能红外无线报警系统设计[J].自动化与仪器仪表，2013(01)：60-62.

[2]李泊颖,宋伟,王婧伊.浅谈居家防盗报警系统[J].陕西建筑,2010(07)：21-22.

[3]周丽,林锦国.智能无线防盗报警系统的设计[J].化工自动化及仪表,2011,38(11)：1374-1376.

[4]夏振华,阮宁君.基于GPRS的无线智能数据采集系统的设计[J].长江大学学报，2009,06（03）：77-80.

[5]焦卫东,朱林杰.红外防盗报警器的方案设计[J].嘉兴学院学报，2010,22(3)：84-87.

[6]郑道宝.基于DSP和GPRS的远程无线报警系统研究[D].衡阳：南华大学,2013：43-45.

The Design of Infrared Sensor Monitoring System Based on STM32

WANG Hua-jie,ZHANG Xiao-juan,ZHENG Lai-fang
（Department of Electronic Engineering,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan Shanxi,030008）

This design proposed the solution of the system that is based on GPRS∕GSM network transporting data to achieve the monitoring and alarming.The system uses STM32F103 as the main module,accepting alarm information from infrared body sensor real-time,then MCU sends controlling commands,the alarming signal to M33 module through AT commands,and then alarm signal are processed and alarm monitoring the scene for collecting and storing pictures and sending the message th-rough GPRS∕GSM network to send mail or MMS to your phone.practical results show that the system is stable,easy to install,wireless transmission,etc.,is widely used in home,warehouses and other places,providing a guarantee for the safety of these places.

MCU;the module of M33;GPRS∕GSM

TP212

A

1674-0874(2016)01-0024-04

2015-11-24

王华杰（1988-），女，河南周口人，硕士，助教，研究方向：嵌入式系统。

〔责任编辑 高彩云〕