基于数字乡村建设的智能安防系统

贾梦泽，马敬文，张笑迪，李姿景，邓颖，李诚玉

黄河科技学院，河南郑州 450003

0 引言

随着社会主义新农村建设的进一步推进，以及国家一系列支持“三农”政策的落实，农村的面貌发生了翻天覆地的变化，农民的物质和精神生活日益丰富，生活条件得到极大改善。财富在农村的迅速增长也使得违法犯罪分子逐渐把目标锁定在了广大的农村地区。与此同时，农村家庭“空巢化”特点凸显，加之技术防范手段落后，警力不足，导致农村入室盗窃、抢劫等案件多发。农村盗窃案件发案率居高不下，给原本防范就较为薄弱的农村地区的社会治安带来了严峻挑战。潘杰等人[1]发表的《农村家庭中简易防盗报警器的应用探究》一文中表明，现在农村依然存在教育水平相对较低的实际情况，且多数青壮年外出打工导致家中多是老人和孩子。所以，价格昂贵、操作不便的高级防盗报警器在农村是不实用的，相反，功能简单、性能可靠的简易防盗报警器在农村家庭中更有实用价值。

1 系统工作原理

系统结构如图1 所示。主控选择STM32F103C8T6，OLED 显示屏，GSM 模块使用GA6-B，语音播报模块使用SYN6288，光敏电阻传感器，红外传感器，压力检测模块由应变式压力传感器和HX711 信号处理芯片组成，测量环境光照强度，当光照强度高于阈值时，LED 灯关闭，低于阈值时，LED 打开，按键设置布防或撤防，当布防时，红外传感器和压力传感器同时有信号则进行声音报警，语音播报“请尽快离开”，且红LED 灯亮，同时向预设手机号发送报警短信。

本系统实现当红外信号和光照信号同时输入时，系统进行语音报警并进行短信报警，且通过光照强度检测控制灯的亮灭。产品功能简单实用、性能可靠，且价格相对便宜、操作方便，在农村家庭中有较大的实用价值。

2 硬件电路设计

2.1 主控模块

主控模块电路图如图2 所示。主控模块[2]由滤波稳压电路、时钟电路、系统复位电路、USB 电源电路、SWD 调试接口电路和STM32F103C8T6 芯片组成。本次设计中使用芯片I/O 口接收红外感应电路、光照检测电路和压力检测电路发来的信号，通过芯片对获取信号的计算来控制报警及开灯。

2.2 红外检测模块

红外检测模块电路图如图3 所示。红外检测模块的功能是检测是否有人员进入，主要使用红外线传感器，将CPU的PA3 引脚作为该传感器输入引脚并设置为上拉输入模式，当模块检测到前方障碍物信号时，PA3 端口持续输出低电平信号。PA4 将输出高电平，PA4 与LDE 灯D2 连接，电路板上D2 点亮。

2.3 光照检测模块

光照检测模块电路图如图4 所示。光照检测模块功能是为感应开灯功能提供光照强度的检测。光敏电阻模块对环境光线敏感，用来检测周围环境光线的亮度，触发单片机。当在环境光线亮度达不到设定阈值时，DO 端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，DO 端输出低电平。DO 输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低。

将光敏电阻的AO 接入CPU 的PA2 端口。在CPU上配置ADC 模块，设置使用PA2 端口进行采样。 配置ADC 时钟分频为PCLK2/6，设置ADC 工作模式为独立模式，非扫描模式，非连续模式，并禁用外部触发。采样速率为ADC 时钟频率除以采样时间，即为72 MHz/239.5=300 kHz。采样精度为12 位，即可以表示0 ～4 095 的数字量。采样间隔为5 ms，即每采集一次数据需要等待5 ms的时间间隔。根据指定的通道和转换次数，对每次ADC1 规则组的转换结果进行求和，并在每次转换后进行延时5 ms。最终返回该结果的平均值。

2.4 压力检测模块

压力检测模块电路图如图5 所示。压力检测模块[3]功能是检测人员进入情况，与红外检测模块协同工作，防止误报，主要由应变式压力传感器和HX711压力信号处理芯片组成。该芯片内部包含稳压电源、时钟振荡电路等其他类似芯片所必需的外围电路，集成度高，响应时间短，抗干扰能力强。选择该芯片可以降低整机成本，并对整机的可靠性有一定的保证。

设置PB0 和PB1 两个I/O 口，用来分别连接HX711 芯片的SCL 和SDA 引脚。经过初始化后，CPU 可以通过PB0 端口和PB1 端口读取HX711 芯片输出的数据，该程序通过AD 转换将读取到的数据和已知的标定数据进行比较，就可以得到物体的准确重量。

2.5 短信报警模块

短信报警模块电路图如图6 所示。短信报警模块[4]功能是实现向上位机发送报警短信，主要由芯片GA6-B 及其外围电路构成。GA6-B 具有广域覆盖、永远在线、按量计费、高速传输、价格便宜的优点，广泛应用于工业领域。

将GA6-B 和CPU 的VCC、GND 以及UART 串口相连。GA6-B 的TXD 引脚接CPU 的PB11 引脚，GA6-B 的RXD 引脚接CPU 的PB10 引脚。在CPU 的代码中，通过配置UART 串口通信参数，包括波特率、数据位、校验位和停止位等参数，确保与GA6-B 一致。向GA6-B 发送AT 指令。发送AT 指令需要使用CPU 的PB11 引脚，将AT 指令以字符串的形式发送给GA6-B。GA6-B 收到AT 指令后，会根据指令完成相应的操作或者返回相关的信息。CPU 通过PB10 引脚接收GA6-B 发送的响应消息，GA6-B 和CPU 可以通过GPRS 网络进行数据传输。基于通信协议，可以实现远程数据传输、接收命令等功能。

2.6 语音播报模块

语音报警模块电路图如图7 所示。语音播报模块[5]的功能是发出语音报警信号，主要使用SYN6288 语音合成芯片构成。SYN6288 是采用PSOLA 拼接合成技术的一款语音合成芯片。SYN6288 通过异步串口通信方式接收待合成的文本数据，实现文本到语音的转换，可直接通过PWM 输出方式驱动扬声器或外接功率放大电路驱动扬声器，进行语音输出。

SYN6288 模块可以通过串口进行通信，因此需要将其与STM32F103C8T6 的USARTx端口连接，可以将SYN6288 的TXD 引脚连接到CPU 的USARTX 的PA10 引脚，同时将SYN6288 的RXD 引脚连接到CPU 的USARTX 的PA9引脚。此外，还需要将SYN6288 的VCC 引脚连接到CPU 的5 V 电源引脚，将GND 引脚连接到CPU 的地引脚。将USART1 进行串口初始化，包括GPIO 引脚配置、USART 初始化和中断配置。当收到USART1_RXNE中断时，读取串口1，接收寄存器（USART1->DR）中的数据，并根据接收状态（USART_RX_STA）的不同进行相应处理。接收状态包括3 个部分：接收完成标志（USART_RX_STA 的最高位为1 表示接收完成）、接收到0x0d（回车符）标志（USART_RX_STA 的第14 位为1 表示接收到了回车符）、接收到的有效字节数（USART_RX_STA 的第13 位表示接收到的有效字节数，最大为USART_REC_LEN-1）。当接收未完成时，根据接收状态进行相应处理。如果接收到了回车符，则设置接收到回车符标志位，否则将接收到的数据存入接收缓冲区，并更新接收状态。当接收完成时，设置接收完成标志，以便上层应用程序进行后续处理。若接收出错（接收到的数据中没有回车符或者接收到回车符后没有接收到0x0a），则重置接收状态，以便重新开始接收。

3 软件设计

程序流程图如图8 所示。当主控芯片接收到启动信号后，系统会进行复位初始化，并进入系统待机状态。此时，主控芯片会等待传感器信号产生的中断触发。如果没有传感器信号产生中断，系统会一直等待；而如果有传感器信号触发中断，系统会进入触发语音警报服务程序。

在警报状态中，主控芯片会向用户手机端发送报警短信，提醒用户有异常情况发生，同时，语音警报服务程序会播放警报声音，以提醒周围的人注意。

当警报解除后，需要按下停止警报按钮才能停止警报。此时，主控芯片会等待按下复位按钮来重新进行系统初始化，并重新进入等待中断触发的状态。

在系统运行过程中，主控芯片会不断检测传感器信号，如果有传感器信号触发中断，警报状态会再次启动，否则，系统将一直保持等待中断触发状态。

4 调试及结果

4.1 产品模块说明

产品的各功能模块如图9 所示。本产品经测试，功能均可正常使用，主要分为以下功能：压力检测功能由应变式压力传感器实现；光照检测功能由光敏电阻传感器实现；红外检测功能由红外传感器实现；短信报警功能由GSM 通信模块实现；语音报警功能由SYN6288 语音报警模块实现；主控STM32F103C8T6实现对整个系统的控制与管理；OLED 屏实现了工作状态的实时显示；撤防布防按键实现了系统工作状态的切换。

4.2 产品功能测试

4.2.1 使用说明

（1）当系统通过USB 正常供电后，会播报系统提示音，系统开始初始化，各个模块正常工作，系统默认撤防状态；

（2）按下布防按钮，系统各个模块开始工作，红外检测模块开始自动检测范围内的人体，当有人进入检测范围，红外信号输入；

（3）压力检测模块进入检测状态，所承受压力超过设定阈值时，压力信号输入；

（4）当两者同时输入时，触发语音报警“请尽快离开”，GSM 发送报警信息“warning”至用户手机；

（5）当亮度低于一定程度时，系统自动开灯，补充光照；

（6）按下按键，实现布防与撤防的转换，当处于撤防状态时，模块正常运行，但当有人闯入时，不会触发语音报警和GSM 的报警信息发送；

（7）撤防状态下，屏幕显示当前的光照强度与设定的光照阈值；布防状态下，屏幕显示压力信号与红外信号的输入状态。

4.2.2 产品运行演示

（1）当有人闯入时，手机收到的短信如图10所示；

（2）撤防状态下，屏幕显示如图 11 所示，布防状态下，屏幕显示如图12 所示；

（3）表1、表2 分别是撤防与布防时的产品测试结果。

表1 撤防功能测试数据表格

表2 布防功能测试数据表格

经过测试，感应LED 灯在有光照信号输入时，在布防状态下和撤防状态下均会点亮。布防状态下，只有在压力信号和红外信号同时输入时才会发出短信报警、语音报警及LED 警报，这个现象说明了系统运行正常，可以对外界环境进行有效地检测和响应。

产品可靠性测试如图13 所示。系统连续测试100次的结果可以充分验证其可靠性和稳定性。

值得注意的是，在撤防状态下，系统不会发出任何警报或控制灯光的开关状态，因此产生的所有信号都将被忽略。具体来说，当系统接收到来自压力电路和红外感应电路的信号后，系统会经过比较运算后判断是否超过了预设的阈值，如果超过阈值，则会触发报警机制。可以考虑加入WiFi 无线通信模块，以便与智能物联接轨实现市场大众化。

因此，系统运行正常、短信报警、语音报警及其LED 灯报警在布防状态下时，压力信号与红外信号同时输入时才会发出报警信号，这说明系统的硬件和软件设计是有效的，能够对外界环境进行有效地检测和响应，从而起到保护人身安全和家庭财产的作用。

5 结束语

当前，安防系统主要有以下几种：视频监控系统、入侵报警系统、门禁系统、防盗报警系统、安全防护系统等。这些安防系统的特点包括实时性、可远程访问、自动报警、身份认证、记录和保护等，但是对于农村来说，实用性较小，操作繁琐，尤其不适合老年人。

本系统采用的STM32F103C8T6 单片机控制器拥有强大的处理能力，且能够为多个外设提供时间同步，避免了因为外设口信号不同步而带来的数据错误问题。搭配光照检测模块、红外检测模块、压力检测模块、语音报警模块、GSM、OLED 模块和电源模块等多种组件， 实现了基于数字乡村建设的智能安防系统设计。产品设计理念简单，组件使用普及，生产成本较低，外观简洁，操作易学易用。

经过多次测试和验证，该系统具有较高的稳定性，能够长时间运行而不会出现系统崩溃、数据丢失等情况，同时具备功能实用、价格低廉、用户易操作、系统稳定性高等优点。

本项目特色明显，主要针对数字乡村建设中的智能安防，功能上删繁就简，操作方便，检测率高，实用性强，让乡村老人孩子消除了对这个电子产品“玩不转”的心理障碍。

此外，本产品可拓展性强，不仅可以应用于单家单户，随着市场化的推进，只要做简单的升级改造，就可以联网应用，具有较好的市场前景。