基于STM32的家庭智能防盗报警系统设计

周海军，黄　雨，邓伟强，李　磊

（滁州学院　电子与电气学院，安徽　滁州239000）

现代电子信息技术和通讯技术的飞速发展为智能化安全住宅研究提供了强有力的技术保障，家庭防盗报警系统是现代财产保护的重要途径之一.设计的防盗报警系统是集传感器技术、自动控制技术、GSM通信技术、图像处理技术和嵌入式技术于一体的综合性系统.该系统由两部分组成，分为智能终端（上位机）和智能监控管理系统（下位机），系统可实现防盗、检测人员进出、实时监控、通信、语音报警等功能.

1　系统整体设计

系统采用模块化设计方法，系统模块包括嵌入式控制系统、图像视频采集系统、数据存储系统、人体入侵感应系统、语音报警系统、智能终端、SIM900A交互通信系统等.各部分的系统构成如下：

（1）嵌入式控制系统由STM32F103ZET6中央处理器构成；

（2）图像视频采集系统由摄像头OV7670采集模块、音频集成功放模块、GSM模块构成；

（3）人体入侵感应系统由红外探测模块、微波多普勒传感器构成；

（4）语音报警系统由ATK-SIM900A模块、蜂鸣器模块构成；

（5）数据存储系统由W25Q128FV存储芯片构成；

（6）SIM900A交互系统由SIM900A模块构成，智能系统利用此模块可以与房主预置的手机号码通信.智能防盗系统的整体框图如图1所示.

图1　防盗系统的整体框图

图像采集系统是采集当前的图像信息，考虑到SIM900A通信方式传输图片信息时，很费流量，图像信息平时存储在数据存储模块中，存储信息以图片为主，所以只有当入侵者已经进入房屋时，才会将采集到的清晰图片通过GSM方式传送到房主的手机上，可以有效避免外部人员的无意损坏.人体入侵感应系统安装在窗户的边沿，有人试图翻越窗户时，会切割红外线，阻挡红外信息传递，系统会拨打预留的房主手机号码，实现实时语音通信.数据存储系统主要用来存储摄像头采集的图像信息，当信息量超过当前容量时，会自动的覆盖较远的存储信息，保持内部存储信息的时效性.

语音报警系统会建立房主的手机和监控地的通信桥梁，类似两个人打电话，相互通信，起到威慑的作用.系统采用GSM卡进行通信，它是系统家庭智能防盗报警系统的特色和创新之处，通过和外围的电路配合使用，能够全面的保护家庭的财产.

智能移动终端通常是指能插GSM卡的移动终端设备.辅助电路包括光敏探测电路、5V电压转换3.3V电路，嵌入式系统保护电路等一系列在外围起辅助作用的电路.

2　系统硬件设计

下位机的硬件系统基于高性能的STM32F103处理器和嵌入式的实时操作系统控制的，上位机主要是手机或者手持式嵌入式处理系统.信息交流的方式以GSM的通信为主.在下位机操作系统中可以随时浏览存储信息和进行各种操作.

2.1　SIM900A通信及语音报警模块

ATK-SIM900A是ALIENTEK推出的一款高性能工业级GSM/GPRS模块，提供包括语音、短信和GPRS数据传输等功能.GSM模块传输引脚TX、RX，采用串口通信的方式与嵌入式系统连接，同时GSM通信内容通过音频功放芯片LM386放大，电路如图2所示.GSM模块利用TX9和RX10引脚接收无线信号，微弱信号与LM386的正向输入端相连，将信号进行功率放大，通过喇叭传递声音信息.

图2　通信及语音报警电路

2.2　摄像头OV7670采集模块

OV7670图像传感器可以输出各种分辨率的8位数据，包括整帧信号图像、子采样图像、取窗口图像.用户可以根据需要控制输出图像质量、数据格式和传输方式.通过SCCB接口编程，软件可以对摄像头采集的图像进行伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等参量的调节.它通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像.图3是摄像头采集电路的连接方式.系统正常情况以采集图片信息为主，在必要的时候可以利用摄像头录像，但是能存取得时间很短.

图3　摄像头采集电路

2.3　微波多普勒探测

微波多普勒传感器应用了主动探测技术，对前方扇形区域内的移动体探测效果较好，避免了红外探头的耐候性差、近距离、平行对射分布等缺点.同时，在微波多普勒传感器输入输出信号中，还含有移动体的速度、强度等有效信息，在软件处理时可以用来提高报警器的抗干扰和防漏报的能力.微波多普勒传感器探测的信号微弱，通常只有几毫伏，需要利用两级放大电路对相应的信号放大.系统利用LM324运放，放到倍数为1200，在放大电路的反馈信号上要加2.2nf电容，这样输出的效果会好些.放大的信号经过电压比较器LM393与2.5V的电压比较，会输出高低电平信号.有人接近，嵌入式处理器会检测到高电平信号，否则为低电平信号.微波多普勒信号的放大电路如图4所示.

图4　微波多普勒探测电路

2.4　电源模块设计

控制系统需要用到5V和3.3V两种电压值的电源.在调试阶段，5V电源是由USB接口提供，后期采用降压变压器对220V交流电降压整流，在通过LM7805产生，3.3V电源利用ASM1117稳压芯片实现，将5V的电压转换成3.3V，在输入输出端要加一个滤波电容，转换电路如图5所示.AMS1117和LM7805提供完善的过流保护和过热保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性.

图5　电源模块原理图

2.5　存储模块

W25Q128FV是一款SPI Flash存储芯片，主要用来存储图像信息，工作电压为2.7V到3.6V，支持多种外设接口，工作温度范围宽，适用范围较广.系统在微波多普勒传感器采集移动体信号时，定时存储图片信息，或入侵者越过红外传感器时，会加速存储图片信息.存储模块如图6所示.

图6　存储模块图

2.6　红外探测模块

在室内墙壁的门框或者窗户边缘安装红外传感器.红外探测主要是利用红外发射二极管发射的红外光是否被红外接收管接收，从而判断入口是否被入侵.

图7　外红探测电路图

3　软件系统设计

本设计中编译软件采用MDK 5，它是美国Keil Software公司出品的单片机C语言软件开发系统.

图8　系统工作流程图

该程序设计过程主要包括红外入侵探测和微波多普勒接近式探测两种方式，在正常启动系统时，会根据入侵的程度做出不同的反应.在入侵者接近时，只是定时采集图像信息，采集的信息存储在系统内部的存储器中.当人入侵之后，发送短信和图片信息给房主，并且实时的存储检测图像信息，房主可以根据GSM通信方式，给与入侵者警告，如果还不行，房主会报警，并且收集入侵者图像信息，即便入侵者进入家中破坏了智能防盗控制系统，也损坏不了进入的证据.系统工作流程图如图8所示.

此系统有在家模式和离家模式等两种工作模式.每一种模式又有白天和晚上之分，他们是通过光敏元件探测光线强度自动设置.工作模式分类如图9所示.当有人在家，可以将系统关闭，晚上会自动开启.离家模式时，白天和晚上都会开启系统.在白天离家时，需要房主主动开启，微波传感器判断客厅长时间没有人员走动时也会主动开启系统.

图9　工作模式

4　结束语

本文设计了基于嵌入式的智能防盗报警系统，详细的论述了系统的硬件组成和工作原理.房主可以利用语音报警系统与侵入者进行交流.同时系统引入的内部反馈机制，能够根据不同的异常情况做出相应的动作，很大层面上避免了错误警报的产生，形成了一个全天候、智能、稳定的闭环系统.与此同时，该产品选材更趋于大众化，易于购买，从而很大层面降低了开发成本.综上，该系统具有可靠性强，稳定性高，成本小等优点.当然，系统在设计上也存在一定缺陷，进一步开发可以加入WIFI模块，提供实时图像传输的通道.

参考文献：

〔1〕常亚兵,郑建立.基于ZigBee和GSM网络的智能家居系统的设计 [J].电子设计工程，2016，24(2):132-134.

〔2〕王军辉,马游春,李锦明.无线高速数据传输技术的研究 [J].计算机测量与控制,2011(9):2305-2307.

〔3〕阎志宽.LM386功放IC的使用方法[J].家庭电子,2003(8):43-43.

〔4〕丁果.微波多普勒传感器在质量检查的应用及改善[J].仪器仪表与分析监测,2011(4):23-25.

〔5〕张守武,周波.基于STC89C52的智能防盗防火报警系统设计[J].实验室研究与探索.2016,35(6):116-118.

〔6〕吴英才,林华清．热释电红外传感器在防盗系统中的应用[J]．传感器技术，2002(7):47-48.

〔7〕王福康,陈至坤．基于stm32的移动机器人远程控制系统[J]．华北理工大学学报，2017,39(4):77-81.