基于ARM及GPRS的遠(yuǎn)程入侵監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著電子和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)已經(jīng)在數(shù)據(jù)壓縮采集、電子設(shè)備、工業(yè)控制領(lǐng)域、以及多種家電設(shè)備等方面得到了廣泛的應(yīng)用，無(wú)線通信因其投資少、維護(hù)簡(jiǎn)單、方便、快捷和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，充分彌補(bǔ)了有線通信的缺陷，尤其是現(xiàn)在已經(jīng)覆蓋全國(guó)的GPRS網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。

同時(shí)無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)越來(lái)越受歡迎，無(wú)線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)不需要人員在場(chǎng)，將單片機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)一定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立起通信關(guān)系，具有高度的可靠性，集軟硬件為一體，是對(duì)待監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的待監(jiān)設(shè)備完成自動(dòng)準(zhǔn)確采集、傳輸?shù)南到y(tǒng)。

可見(jiàn)設(shè)計(jì)出一種低價(jià)格適于家用的、工作性能穩(wěn)定可靠的智能型入侵監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是必要的。通過(guò)此系統(tǒng)對(duì)家里出現(xiàn)的入室盜竊等狀況自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息數(shù)據(jù)并及時(shí)通知用戶進(jìn)行處理和解決。

1、系統(tǒng)的功能需求分析

本課題主要是為家庭、辦公室等場(chǎng)所設(shè)計(jì)的安裝方便、低成本的小型民用監(jiān)控報(bào)警設(shè)施。本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)入侵信號(hào)的檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)入侵圖像的采集，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖如圖1所示。監(jiān)控終端一般安裝在室內(nèi)比較隱蔽的部位，人體入侵檢測(cè)模塊要對(duì)準(zhǔn)門或窗等部位。

圖1 系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖

2、系統(tǒng)工作流程

當(dāng)有入侵者闖入熱釋電紅外探測(cè)器的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外傳感器立即向主控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，接到警情之后，主控制器對(duì)信息進(jìn)行確認(rèn)，證實(shí)無(wú)誤后，對(duì)圖像采集器進(jìn)行初始化并拍攝入侵圖像，接著把圖像數(shù)據(jù)信息通過(guò)GPRS模塊以發(fā)送彩信的形式傳給用戶手機(jī)。如果用戶想主動(dòng)查看家里情況，則可以給報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送短消息告知。GPRS模塊接到信息后，通過(guò)程序?qū)⑿盘?hào)傳送至監(jiān)控系統(tǒng)，再重復(fù)上面的過(guò)程，這樣就完成了主動(dòng)查詢的功能。使用戶了解家里的情況。系統(tǒng)的整體工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體工作過(guò)程圖

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件主要由主控制器、CMOS圖像采集模組熱釋紅外傳感器及信號(hào)放大電路、GPRS模塊、繼電器電路、電源及復(fù)位電路組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控系統(tǒng)以微處理器為核心，通過(guò)控制和協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的正常運(yùn)行來(lái)保證系統(tǒng)穩(wěn)定有序的工作。本系統(tǒng)選用功耗低、價(jià)格合理、體積小、可靠性高的基于ARMCortex-M3內(nèi)核的ST公司的STM32F103系列處理器芯片作為系統(tǒng)的主控制單元。STM32F103系列芯片使用ARM最新的、先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，采用指令和數(shù)據(jù)總線分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，在取指的同時(shí)可以讀取或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，16位和32位的可混合Thumb-2指令集，具有很高的代碼密度，可降低存儲(chǔ)器的需求，3級(jí)流水線，內(nèi)部集成前實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能滿足本課題對(duì)時(shí)間截取的要求，內(nèi)置了快速的中斷控制器，提供了優(yōu)越的實(shí)時(shí)性能，與ARM7TDMI相比運(yùn)行速度最多可快35%且代碼可節(jié)省45%。

本系統(tǒng)采用熱釋電紅外傳感器LHi778來(lái)探測(cè)入侵者身體產(chǎn)生的紅外線輻射，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，從而觸發(fā)攝像頭拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片，并將其傳遞至用戶手機(jī)終端。

選用GXT-M201串口攝像頭模塊來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)圖像的采集和壓縮。GXT-M201是一款能夠?qū)⒁曨l采集和圖像壓縮集于一身的圖像采集模塊，它是通過(guò)比較簡(jiǎn)單的串行口指令來(lái)控制圖像的捕捉和獲取，并對(duì)采集到的圖像完成JPEG格式的壓縮，接著通過(guò)串口輸出。

選用IWOW公司的TR800GPRS模塊，TR800的接收速率和發(fā)送速率都能夠保證穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、傳真、語(yǔ)音傳輸和短消息服務(wù)。TR800超低的功耗能夠保證其在使用電池的情況下正常工作，它具有標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集接口，與ESTIGSMPhase2+標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持文本和PDU格式的的短信傳輸，支持Group3（Class2.0）協(xié)議的傳真功能和語(yǔ)音功能。TR800的下載速度最大可達(dá)85.6kbps,內(nèi)部嵌入了TCP/IP協(xié)議棧，WAP協(xié)議棧和MMS（彩信）協(xié)議棧。

4、系統(tǒng)軟件分析

本系統(tǒng)的程序主要就是單片機(jī)控制程序。主要作用就是配合系統(tǒng)的硬件功能，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行起來(lái)，達(dá)到設(shè)計(jì)要滿足的要求。系統(tǒng)的監(jiān)視終端軟件結(jié)構(gòu)函數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

4.1 圖像采集模塊通信協(xié)議

攝像頭模塊的軟件主要包含兩部分，即攝像頭初始化子程序和攝像頭拍照子程序。攝像頭通信時(shí)采用的協(xié)議是UART串行協(xié)議，與微控制器每次傳遞6個(gè)字節(jié)的單獨(dú)指令，指令的包頭為0xAA.攝像頭模塊與單片機(jī)之間通信時(shí)，采用的通信方式是應(yīng)答的方式。

4.2 用戶終端請(qǐng)求協(xié)議

如果用戶想主動(dòng)了解家中的安全情況，可以通過(guò)手機(jī)給GPRS模塊傳送短信息命令，進(jìn)入串口接收中斷入口，微控制器觸發(fā)攝像頭拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片，然后再由GPRS模塊以彩信的形式傳送。

圖4 用戶請(qǐng)求拍照軟件結(jié)構(gòu)

4.3 GPRS模塊軟件分析

GPRS模塊TR800與微控制器STM32F103之間通過(guò)USART2這個(gè)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)該串口，可以用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令控制TR800,以完成數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送。GPRS模塊TR800內(nèi)嵌彩信協(xié)議棧，支持彩信的收發(fā)，通過(guò)串口用AT指令來(lái)控制模塊工作，部分指令為：

4.4 紅外感應(yīng)程序

微處理器STM32F103的紅外檢測(cè)I/O口中斷發(fā)生則證明有人員闖入，這時(shí)要立刻觸發(fā)攝像頭模塊拍攝入侵者照片，隨后再將入侵者的照片數(shù)據(jù)發(fā)送出去或者是在NANDFLASH芯片中存儲(chǔ)。如下圖5所示。

圖5 紅外感應(yīng)I/O口中斷子程序流程圖

5、結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)將單片機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)一定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立起通信關(guān)系，具有高度的可靠性，集軟硬件為一體，是對(duì)待監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的待監(jiān)設(shè)備完成自動(dòng)準(zhǔn)確采集、傳輸?shù)南到y(tǒng)。該系統(tǒng)具有成本低、實(shí)用方便、人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)，從而滿足用戶對(duì)家庭安全的需求。