趙 越，張 娟，吳 晨

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

0 引言

隨著智能家居浪潮的興起，人們對(duì)家居提出了更自動(dòng)、更智能、更安全的要求。如何花費(fèi)最小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)獲取更可靠的家居安全保障，是智能家居安防產(chǎn)品亟待解決的問題[1]。現(xiàn)有的紅外報(bào)警系統(tǒng)普遍存在無(wú)法平衡性能與成本的問題[2-7]。

針對(duì)以上需求，本文提出了一種主動(dòng)式雙光路紅外報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在具有良好的可靠性與準(zhǔn)確性的前提下，顯著降低了成本。采用的雙紅外光路結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確分辨了用戶行為與入侵行為，使誤報(bào)與漏報(bào)得到了明顯的改善，并由無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)入侵行為遠(yuǎn)程報(bào)警，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警的聯(lián)動(dòng)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、通信傳輸三個(gè)模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

信號(hào)檢測(cè)模塊以紅外傳感器為核心，實(shí)時(shí)檢測(cè)行為信號(hào)，反饋回信號(hào)處理模塊；信號(hào)處理模塊以STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，判斷和處理行為信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的命令，控制硬件單元?jiǎng)幼?；通信傳輸模塊采用SIM800A低功率全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)模塊實(shí)現(xiàn)與用戶端的通信傳輸功能。

外接三個(gè)模式切換按鍵，實(shí)現(xiàn)單向通過模式、休眠模式、雙向阻斷模式之間的切換。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件部分主要包含STM32F103單片機(jī)、開關(guān)式紅外傳感器、SIM800A通信模塊，并外接按鍵電路與聲光報(bào)警器。紅外傳感器由5 V電源模塊供電，單片機(jī)由3.3 V邏輯電平(transistor-transistor logic,TTL)電源模塊供電，SIM800A由5 V TTL電源模塊供電，三者共地連接。內(nèi)、外防護(hù)網(wǎng)紅外接收器的信號(hào)端分別與STM32F103的B6、B7引腳連接，用于在產(chǎn)生跳變信號(hào)后進(jìn)入相應(yīng)中斷。硬件組成整體框圖如圖2所示。

圖2 硬件組成整體框圖

2.2 信號(hào)檢測(cè)模塊

系統(tǒng)采用主動(dòng)式紅外探測(cè)器檢測(cè)入侵行為，紅外探測(cè)器由紅外發(fā)射器和接收器組成。發(fā)射器發(fā)射波長(zhǎng)峰值為0.94 μm的紅外光束,確保高于可見光波長(zhǎng)上限0.76 μm;接收器接收紅外光束，產(chǎn)生相應(yīng)的電平響應(yīng)。紅外接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 紅外接收器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

R5是紅外光敏電阻，隨著光照的減弱其阻值上升，運(yùn)算放大器的反向輸入端電位升高，激發(fā)三極管導(dǎo)通。R9遠(yuǎn)大于R8，故紅外光路未被阻斷時(shí)，J1/J2端子輸出高電平；紅外光路被阻斷時(shí)，三極管導(dǎo)通，J1/J2端子輸出低電平。

設(shè)置雙重紅外探測(cè)器，內(nèi)、外探測(cè)器分別由多次鏡面反射的單源紅外光形成防護(hù)網(wǎng)。當(dāng)防護(hù)網(wǎng)光路被阻斷，探測(cè)器電平發(fā)生變化時(shí)，下降沿作為中斷信號(hào)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)內(nèi)外探測(cè)器電平變化的時(shí)序，分辨用戶行為與入侵行為。雙重防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙重防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)對(duì)不同情況時(shí)，內(nèi)網(wǎng)防護(hù)網(wǎng)紅外接收器的電平變化曲線如圖5所示。

圖5 紅外接收器的電平變化曲線

2.2.1 入侵行為檢測(cè)

將外、內(nèi)防護(hù)網(wǎng)光路先后被阻斷的行為判定為入侵行為。

外防護(hù)網(wǎng)光路先被阻斷，電平發(fā)生由高到低的跳變，下降沿作為外部中斷信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)入報(bào)警識(shí)別中斷；內(nèi)防護(hù)網(wǎng)光路后被阻斷，電平發(fā)生由高到低的跳變，下降沿作為外部中斷信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)作出入侵行為的判定，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.2.2 用戶行為檢測(cè)

將內(nèi)、外防護(hù)網(wǎng)光路先后被阻斷的行為判定為用戶行為。用戶行為與入侵行為分辨判據(jù)如圖6所示。

圖6 分辨判據(jù)

內(nèi)防護(hù)網(wǎng)光路先被阻斷，電平發(fā)生由高到低的跳變，下降沿作為外部中斷信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)入用戶識(shí)別中斷；外防護(hù)網(wǎng)光路后被阻斷，電平發(fā)生由高到低的跳變，下降沿作為外部中斷信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)入應(yīng)用場(chǎng)合的判定。

內(nèi)防護(hù)網(wǎng)光路先恢復(fù)的用戶行為發(fā)生在陽(yáng)臺(tái)門，外防護(hù)網(wǎng)光路先恢復(fù)的用戶行為發(fā)生在單向窗。用戶行為與入侵行為遮擋防護(hù)網(wǎng)的時(shí)序不同，可選取合適的判據(jù)分辨用戶行為與入侵行為。

2.3 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊采用意法半導(dǎo)體公司(ST)推出的高性能微控制器STM32F103作為主控單元，實(shí)現(xiàn)低功耗、小型化設(shè)計(jì)[8]，及時(shí)響應(yīng)光路的阻斷。STM32F103單片機(jī)時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz[9]，指令執(zhí)行速度快，為系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確地處理入侵信號(hào)提供保證。STM32F103系列單片機(jī)是基于嵌入式ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器,包括256 KB的閃存和48 KB的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器[10]，含有豐富的增強(qiáng)型I/O端口和連接2條APB總線的外設(shè)，還包含4個(gè)通用16位定時(shí)器，以及標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口[11],以擴(kuò)展STM32的功能。

STM32中，每一個(gè)通用輸入/輸出端口的中斷以組為單位，同組間的外部中斷同一時(shí)間只能使用一個(gè)。內(nèi)、外兩道防護(hù)網(wǎng)獨(dú)立產(chǎn)生中斷信號(hào)，對(duì)應(yīng)PB6、PB7兩組不同的外部中斷源。當(dāng)防護(hù)網(wǎng)光路被阻斷時(shí)，STM32接收由B6、B7引腳傳輸?shù)耐獠恐袛嘈盘?hào)。

2.4 通信傳輸模塊

選用SIM800A作為通信傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)與用戶端的通信傳輸功能。該模塊工作在GSM 1 800 MHz頻段[12]，由5 V電源供電，休眠狀態(tài)時(shí)電流平均消耗0.55 mA，平均功耗為1 W。

STM32的A2、A3引腳與SIM800A的RXD、TXD引腳連接，實(shí)現(xiàn)串口異步通信。報(bào)警模式啟動(dòng)后，GSM模塊主要負(fù)責(zé)收發(fā)短消息,通過向RS-232串口發(fā)送AT指令[13]來實(shí)現(xiàn)。AT指令集是GSM模塊與嵌入式計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議,指令的內(nèi)容均為ASCII碼,接收的短信采用TEXT模式。

3 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)置系統(tǒng)工作狀態(tài)標(biāo)志位，低電平有效。當(dāng)判定用戶行為發(fā)生在陽(yáng)臺(tái)門時(shí)，外防護(hù)網(wǎng)光路恢復(fù)后，標(biāo)志位置1，單片機(jī)進(jìn)入無(wú)效循環(huán)；再次檢測(cè)到的外、內(nèi)防護(hù)網(wǎng)光路先后被阻斷，則為用戶行為觸發(fā)的入侵，標(biāo)志位復(fù)位，報(bào)警系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

三個(gè)模式切換按鍵的狀態(tài)用三位二進(jìn)制數(shù)表示，按鍵狀態(tài)在程序執(zhí)行過程中持續(xù)與上一狀態(tài)比較。當(dāng)有按鍵被按下，單片機(jī)將當(dāng)前狀態(tài)與上一狀態(tài)進(jìn)行異或邏輯判斷，確定哪個(gè)鍵被按下，從而進(jìn)入特定的工作模式：按鍵1代表休眠模式；按鍵2代表單向通過模式；按鍵3代表雙向阻斷模式。

休眠模式下，單片機(jī)停止工作，系統(tǒng)功耗降至最低；單向通過模式具有降低誤報(bào)率的入侵識(shí)別算法，能夠識(shí)別因用戶行為而引起的誤報(bào)，從而提高本設(shè)計(jì)的可靠性。在單向通過模式下，可分辨用戶行為與入侵行為，顯著降低誤報(bào)率；雙向阻斷模式下，可監(jiān)測(cè)雙向入侵。通過模式切換，能顯著降低本發(fā)明的功耗，同時(shí)提高使用的靈活性。

4 試驗(yàn)分析

4.1 傾斜角與單位長(zhǎng)度檢測(cè)值模型的建立

設(shè)紅外發(fā)射器的傾斜角度為α，紅外光路在鏡面的反射次數(shù)為c,系統(tǒng)安裝高度為h，安裝寬度為x。傾斜角度與反射次數(shù)的關(guān)系式為：

(1)

試驗(yàn)中，安裝高度h=1.5 m，安裝寬度x=0.5 m,則:

(2)

定義單位長(zhǎng)度檢測(cè)值β,其物理意義是單位長(zhǎng)度上的平均反射次數(shù):

(3)

系統(tǒng)的可靠性與紅外發(fā)射器的傾斜角度密切相關(guān)。隨著傾斜角度減小，反射次數(shù)增多，紅外光的光路變長(zhǎng)，空間內(nèi)的檢測(cè)范圍擴(kuò)大，漏報(bào)率和誤報(bào)率降低。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在預(yù)定的高度和寬度下進(jìn)行系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)。當(dāng)傾斜角低至9.5°、單位檢測(cè)值達(dá)到6時(shí)，1 000次通過試驗(yàn)中漏報(bào)2次、誤報(bào)0次，因此可認(rèn)為本系統(tǒng)漏報(bào)率為0.2%，誤報(bào)率小于0.1% 。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)可識(shí)別速度小于3.4 m/s、橫向?qū)挾却笥?0 cm、高度大于6 cm、以不同姿勢(shì)通過的人或物體；系統(tǒng)的可靠性與紅外發(fā)射器的傾斜角度密切相關(guān)，傾斜角度越小，漏報(bào)率和誤報(bào)率越低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于紅外探測(cè)器的報(bào)警系統(tǒng)，可靠性高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)入侵行為的遠(yuǎn)程通報(bào)。優(yōu)化識(shí)別程序，將漏報(bào)率降至0.2%，誤報(bào)率降至0.1%以下；調(diào)節(jié)紅外發(fā)射器出射角，可提高紅外光路的覆蓋密度，有效降低成本。本設(shè)計(jì)可用于家庭防盜及需控制人員進(jìn)出方向的場(chǎng)合。