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

　　摘要：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(lèi)貴重物品也越來(lái)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(wèn)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(lèi)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(kāi)關(guān)電源作為工作電源，電路內(nèi)部經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)濾干擾信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)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。