基于ARM和GPRS技術(shù)的家居實(shí)時(shí)安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

導(dǎo)讀：設(shè)計(jì)了一個(gè)以32位ARM微處理器STM32F103C8T6為控制核心，外加振動(dòng)傳感器和熱釋紅外傳感器的實(shí)時(shí)安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控到是否有人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域，且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)送彩信報(bào)警。系統(tǒng)采用微型圖像傳感器OV7670獲取圖像信息，并對(duì)圖像進(jìn)行初步處理，再利用GPRS模塊SIM900發(fā)送彩信到指定手機(jī)，同時(shí)將獲取的圖像數(shù)據(jù)保存到SD卡內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

引言

最近幾年隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，人們的居住環(huán)境得到了很大的提升，家中的各類貴重物品也越來越多。由于城市的流動(dòng)人口相對(duì)復(fù)雜，因此家居防盜已經(jīng)成為人們非常關(guān)注的問題，對(duì)于家居安防方面的研究國(guó)內(nèi)外都有不少方案。而這些方案基本都采用了運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)的高性能ARM9或者ARM11平臺(tái)，外圍搭配多種高端傳感器，這類方案成本都較高。本文介紹一種基于低成本32位ARM平臺(tái)為控制核心的家居實(shí)時(shí)安防系統(tǒng)，以更具實(shí)用性的設(shè)計(jì)和更低的成本，提供了一套實(shí)時(shí)安防解決方案，能很好地滿足大部分家庭對(duì)家居安防的需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)思想，充分利用成熟的技術(shù)和模組產(chǎn)品，有利于降低設(shè)計(jì)的難度和整體成本。系統(tǒng)采用低紋波高效能的5 V開關(guān)電源作為工作電源，電路內(nèi)部經(jīng)過多路電源管理單元的穩(wěn)壓處理后為系統(tǒng)各個(gè)模塊供電，以保證系統(tǒng)良好的抗干擾性能。系統(tǒng)的控制核心為STM32F103C8T6，振動(dòng)傳感器的型號(hào)為SW-180，是中斷信息輸入單元，用戶可以安裝在適合的位置，負(fù)責(zé)檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

熱釋紅外傳感器的型號(hào)為HC-SR501，同樣是單向輸入單元，該傳感器能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)100℃時(shí)5～7 m范圍內(nèi)的人體移動(dòng)信號(hào)，實(shí)時(shí)將信號(hào)反饋到系統(tǒng)控制核心。圖像傳感器OV7670經(jīng)過數(shù)據(jù)緩存FIFO后與控制核心STM32F103C8T6連接，可降低微處理器的速度要求，減輕系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

圖像信息進(jìn)入微處理器后將會(huì)進(jìn)行初步處理和格式轉(zhuǎn)換，得到的JPEG格式圖像再通過GPRS模塊SIM900以彩信的方式發(fā)送到指定的手機(jī)內(nèi)。一旦有可疑人員進(jìn)入房屋內(nèi)，系統(tǒng)將被觸發(fā)，并自動(dòng)抓拍現(xiàn)場(chǎng)照片，發(fā)送彩信提醒用戶，然后將照片保存到系統(tǒng)自帶的SD卡內(nèi)，以備查閱。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)核心單元

系統(tǒng)核心處理器STM32F103C8T6采用高性能的ARM Cortex—M3 32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(64 KB的閃存和20 KB的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩組APB總線的外設(shè)。其包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，以及2個(gè)I2C總線接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN總線接口。STM32F103C8T6的工作電壓為2.0～3.6 V，采用LQFP48封裝。系統(tǒng)內(nèi)使用LDO將5 V電源轉(zhuǎn)換為3.3V為其供電。

圖2設(shè)計(jì)了時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，SD卡通過SPI接口與核心處理器通信，振動(dòng)傳感器和熱釋紅外傳感器則通過中斷I/O口接入，圖像傳感器OV7670的SCCB接口連接核心處理器的I2C總線接口，GPRS模塊SIM900則通過串口1進(jìn)行通信。

2.2 圖像采集單元

OV7670是OmniVision公司生產(chǎn)的一顆30W像素COMS圖像傳感器，具有體積小、工作電壓低的特點(diǎn)，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。系統(tǒng)通過I2C總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位圖像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品VGA圖像最高達(dá)到30幀/s。用戶可以控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。OmniVision圖像傳感器應(yīng)用獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰穩(wěn)定的彩色圖像。

圖3的電路中設(shè)計(jì)了12 MHz有源晶振，用于產(chǎn)生12 MHz時(shí)鐘作為OV7670的XCLK輸入信號(hào)。PAM3101DAB28用于向OV7670內(nèi)部的模擬電路提供穩(wěn)定的2.8 V工作電壓，同時(shí)I/O工作電壓也使用這組2.8V電源，這樣OV7670內(nèi)部自帶的LDO即可正常工作，自動(dòng)為OV7670的內(nèi)核部分提供1.8 V電源。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)FIFO芯片AL422B，該FIFO芯片的容量為384 KB，足夠存儲(chǔ)2幀QVGA圖像數(shù)據(jù)。由于采用了FIFO作為數(shù)據(jù)緩沖，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集負(fù)擔(dān)大大降低，設(shè)計(jì)者只需關(guān)心如何讀取FIFO數(shù)據(jù)接口，不必再關(guān)心OV7670的數(shù)據(jù)是如何采集到的，又是如何傳送到FIFO的，這樣就可以減少甚至不用關(guān)心CMOS的控制以及時(shí)序關(guān)系，就能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的采集。

2.3 振動(dòng)傳感器單元

振動(dòng)傳感器SW-180是一種彈簧型無方向性振動(dòng)感應(yīng)器件，它可以任意角度觸發(fā)。在靜止時(shí)任何角度都為開路OFF狀態(tài)，當(dāng)受到外力碰撞或者大力晃動(dòng)時(shí)，彈簧變形和中心電極接觸導(dǎo)通使兩個(gè)引腳瞬間導(dǎo)通為ON狀態(tài);當(dāng)外力消失時(shí)，電路恢復(fù)為開路OFF狀態(tài)。為了避免振動(dòng)傳感器受干擾誤觸發(fā)，利用電壓比較器LM393對(duì)振動(dòng)傳感器的開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，過濾干擾信號(hào)，經(jīng)過LM393后得到一個(gè)邊沿陡峭的觸發(fā)信號(hào)傳送到核心處理器STM32F103C8T6的中斷口。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻即可改變振動(dòng)傳感器的觸發(fā)靈敏度，振動(dòng)傳感器電路如圖4所示。

2.4 GPRS模塊單元

SIM900是SIMCOM公司推出的一款新型四頻GSM/GPRS模塊，支持MMS彩信功能，完全采用SMT封裝形式，同時(shí)采用了功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S芯片處理器。SIM900的供應(yīng)電壓范圍為3.2～4.8 V，系統(tǒng)采用LDO器件MIC29302BU為其供電，LDO輸入端設(shè)計(jì)了π型濾波電路，輸出端加入了EMI器件，還有旁路電容，以保證電源的紋波足夠低，如圖5所示。

SIM900模塊采用單電源供電，模塊射頻發(fā)射時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，這時(shí)電流的峰值最高會(huì)達(dá)到2 A以上，因此電源供電能力盡可能達(dá)到2 A，建議VBAT引腳并接大電容，電容容量可以設(shè)置為100～300 μF，并且大電容應(yīng)盡量靠近GPRS模塊的VBAT引腳。

PCB布局時(shí)，VBAT上的旁路電容盡量要放在對(duì)應(yīng)引腳附近，為了減少PCB走線阻抗，VBAT走線應(yīng)盡量寬、走線盡量短、最好大面積鋪地，以提供一個(gè)穩(wěn)定的電源，保證SIM900正常工作。

當(dāng)采用的是兩層板設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)镻CB板層較厚，50Ω阻抗控制時(shí)，射頻線與RF_IN焊盤之間走線采用漸變線，以減少射頻線阻抗的突變。為了減少路徑損耗，SIM900RF_IN Pad和天線饋點(diǎn)的間距盡可能短。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序工作流程

從圖1可以了解到系統(tǒng)各個(gè)部分的連接關(guān)系，所有系統(tǒng)外圍模塊都會(huì)接入核心處理器STM32F103C8T6的相關(guān)接口，各個(gè)模塊的工作都受到核心處理器的控制。因此核心處理器在上電后必須首先進(jìn)行一系列的初始化工作，以保證各個(gè)模塊的穩(wěn)定協(xié)調(diào)下作。STM32F103C8T6內(nèi)部有一套復(fù)雜的時(shí)鐘系統(tǒng)，系統(tǒng)上電后，核心處理器首先需要初始化其內(nèi)部工作時(shí)鐘，然后才能設(shè)置內(nèi)部外設(shè)的工作模式，這些下作完成后才能通過各個(gè)接口初始化核心處理器外圍的各類模塊，例如OV7670和SIM900。

接下來主程序會(huì)進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)內(nèi)部，循環(huán)判斷振動(dòng)傳感器和熱釋紅外傳感器的報(bào)警信號(hào)(該標(biāo)志信號(hào)由中斷函數(shù)產(chǎn)生)是否有效觸發(fā)，一旦報(bào)警信號(hào)生效，核心控制器立刻通過OV7670抓拍圖像數(shù)據(jù)(OV7670初始化時(shí)被設(shè)置為輸出320×240的QVGA分辨率RGB565格式圖像)，然后進(jìn)行圖像處理。包括白平衡、圖像格式轉(zhuǎn)換等，得到JPEG格式圖像，再將圖像文件寫入SD卡內(nèi)保存。最后，利用SIM900接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，將圖像以彩信方式發(fā)送到指定手機(jī)上，至此一次完整的防盜報(bào)警完成，完整工作流程如圖6所示。

3.2 圖像傳感器OV7670工作流程

核心處理器STM32F103C8T6的I2C總線接口與OV7670的SCCB接口相連接。本系統(tǒng)中，在上電時(shí)核心處理器將OV7670配置為320×240分辨率的QVGA模式，輸出數(shù)據(jù)格式為RGB565。OV7670的部分初始化設(shè)置源代碼如下：

由于在OV7670與核心處理器之間增加了FIFO，該FIFO足夠存儲(chǔ)2幀QVGA圖像數(shù)據(jù)，所以核心處理器只需按照FIFO的通信時(shí)序，從FIFO中讀取圖像數(shù)據(jù)即可。核心處理器通過FIFO讀取一個(gè)像素圖像數(shù)據(jù)的程序流程如圖7所示。圖像傳感器抓取的原始圖像質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，如圖8所示。

結(jié)語

ARM和GPRS技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟，基于新型Cortex—M3架構(gòu)的ARM處理器的性價(jià)比較高，本系統(tǒng)正是充分利用現(xiàn)有成熟的技術(shù)，經(jīng)過優(yōu)化搭配，設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的家居安防系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是科學(xué)可行的，振動(dòng)和紅外傳感器靈敏度較高。