基于ARM和GPRS技术的家居实时安防系统设计方案

导读：设计了一个以32位ARM微处理器STM32F103C8T6为控制，外加振动传感器和热释红外传感器的实时安防系统。该系统处于工作状态时，能实时监控到是否有人进入监控区域，且实现自动发送彩信报警。系统采用微型图像传感器OV7670获取图像信息，并对图像进行初步处理，再利用GPRS模块SIM900发送彩信到指定手机，同时将获取的图像数据保存到SD卡內。实验结果表明，系统工作稳定，实现了设计目标。

　　引言

　　近几年随着我国城镇化的快速推进，人们的居住环境得到了很大的提升，家中的各类贵重物品也越来越多。由于城市的流动人口相对复杂，因此家居防盗已经成为人们非常关注的问题，对于家居安防方面的研究国内外都有不少方案。而这些方案基本都采用了运行嵌入式操作系统的高性能ARM9或者ARM11平台，外围搭配多种高端传感器，这类方案成本都较高。本文介绍一种基于低成本32位ARM平台为控制的家居实时安防系统，以更具实用性的设计和更低的成本，提供了一套实时安防解决方案，能很好地满足大部分家庭对家居安防的需求。

　　1 系统结构

　　从图1可以看出系统的模块化设计思想，充分利用成熟的技术和模组产品，有利于降低设计的难度和整体成本。系统采用低纹波高效能的5 V开关电源作为工作电源，电路内部经过多路电源管理单元的稳压处理后为系统各个模块供电，以保证系统良好的抗干扰性能。系统的控制为STM32F103C8T6，振动传感器的型号为SW-180，是中断信息输入单元，用户可以安装在适合的位置，负责检测振动信号。系统框架图如图1所示。

 

　　热释红外传感器的型号为HC-SR501，同样是单向输入单元，该传感器能准确发现100℃时5～7 m范围内的人体移动信号，实时将信号反馈到系统控制。图像传感器OV7670经过数据缓存FIFO后与控制STM32F103C8T6连接，可降低微处理器的速度要求，减轻系统的负担。

　　图像信息进入微处理器后将会进行初步处理和格式转换，得到的JPEG格式图像再通过GPRS模块SIM900以彩信的方式发送到指定的手机内。一旦有可疑人员进入房屋内，系统将被触发，并自动抓拍现场照片，发送彩信提醒用户，然后将照片保存到系统自带的SD卡内，以备查阅。

　　2 硬件设计

　　2.1 系统单元

　　系统处理器STM32F103C8T6采用高性能的ARM Cortex—M3 32位RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器(64 KB的闪存和20 KB的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两组APB总线的外设。其包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，以及2个I2C总线接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN总线接口。STM32F103C8T6的工作电压为2.0～3.6 V，采用LQFP48封装。系统内使用LDO将5 V电源转换为3.3V为其供电。

 

　　图2设计了时钟电路和复位电路，SD卡通过SPI接口与处理器通信，振动传感器和热释红外传感器则通过中断I/O口接入，图像传感器OV7670的SCCB接口连接处理器的I2C总线接口，GPRS模块SIM900则通过串口1进行通信。

　　2.2 图像采集单元

　　OV7670是OmniVision公司生产的一颗30W像素COMS图像传感器，具有体积小、工作电压低的特点，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。系统通过I2C总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位图像数据。该产品VGA图像达到30帧/s。用户可以控制图像质量、数据格式和传输方式。OmniVision图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰稳定的彩色图像。

 

　　图3的电路中设计了12 MHz有源晶振，用于产生12 MHz时钟作为OV7670的XCLK输入信号。PAM3101DAB28用于向OV7670内部的模拟电路提供稳定的2.8 V工作电压，同时I/O工作电压也使用这组2.8V电源，这样OV7670内部自带的LDO即可正常工作，自动为OV7670的内核部分提供1.8 V电源。

　　系统设计了一个FIFO芯片AL422B，该FIFO芯片的容量为384 KB，足够存储2帧QVGA图像数据。由于采用了FIFO作为数据缓冲，系统的数据采集负担大大降低，设计者只需关心如何读取FIFO数据接口，不必再关心OV7670的数据是如何采集到的，又是如何传送到FIFO的，这样就可以减少甚至不用关心CMOS的控制以及时序关系，就能够实现图像的采集。

　　2.3 振动传感器单元

　　振动传感器SW-180是一种弹簧型无方向性振动感应器件，它可以任意角度触发。在静止时任何角度都为开路OFF状态，当受到外力碰撞或者大力晃动时，弹簧变形和中心电极接触导通使两个引脚瞬间导通为ON状态;当外力消失时，电路恢复为开路OFF状态。为了避免振动传感器受干扰误触发，利用电压比较器LM393对振动传感器的开关量信号进行预处理，过滤干扰信号，经过LM393后得到一个边沿陡峭的触发信号传送到处理器STM32F103C8T6的中断口。通过调节可调电阻即可改变振动传感器的触发灵敏度，振动传感器电路如图4所示。

 

　　2.4 GPRS模块单元

　　SIM900是SIMCOM公司推出的一款新型四频GSM/GPRS模块，支持MMS彩信功能，完全采用SMT封装形式，同时采用了功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器。SIM900的供应电压范围为3.2～4.8 V，系统采用LDO器件MIC29302BU为其供电，LDO输入端设计了π型滤波电路，输出端加入了EMI器件，还有旁路电容，以保证电源的纹波足够低，如图5所示。

 

　　SIM900模块采用单电源供电，模块射频发射时会导致电压跌落，这时电流的峰值会达到2 A以上，因此电源供电能力尽可能达到2 A，建议VBAT引脚并接大电容，电容容量可以设置为100～300 μF，并且大电容应尽量靠近GPRS模块的VBAT引脚。

　　PCB布局时，VBAT上的旁路电容尽量要放在对应引脚附近，为了减少PCB走线阻抗，VBAT走线应尽量宽、走线尽量短、大面积铺地，以提供一个稳定的电源，保证SIM900正常工作。

　　当采用的是两层板设计时，因为PCB板层较厚，50Ω阻抗控制时，射频线与RF_IN焊盘之间走线采用渐变线，以减少射频线阻抗的突变。为了减少路径损耗，SIM900RF_IN Pad和天线馈点的间距尽可能短。

　　3 系统软件设计

　　3.1 系统主程序工作流程

　　从图1可以了解到系统各个部分的连接关系，所有系统外围模块都会接入处理器STM32F103C8T6的相关接口，各个模块的工作都受到处理器的控制。因此处理器在上电后必须首先进行一系列的初始化工作，以保证各个模块的稳定协调下作。STM32F103C8T6内部有一套复杂的时钟系统，系统上电后，处理器首先需要初始化其内部工作时钟，然后才能设置内部外设的工作模式，这些下作完成后才能通过各个接口初始化处理器外围的各类模块，例如OV7670和SIM900。

　　接下来主程序会进入一个无限循环内部，循环判断振动传感器和热释红外传感器的报警信号(该标志信号由中断函数产生)是否有效触发，一旦报警信号生效，控制器立刻通过OV7670抓拍图像数据(OV7670初始化时被设置为输出320×240的QVGA分辨率RGB565格式图像)，然后进行图像处理。包括白平衡、图像格式转换等，得到JPEG格式图像，再将图像文件写入SD卡内保存。，利用SIM900接入GPRS网络，将图像以彩信方式发送到指定手机上，至此完整的防盗报警完成，完整工作流程如图6所示。

 

　　3.2 图像传感器OV7670工作流程

　　处理器STM32F103C8T6的I2C总线接口与OV7670的SCCB接口相连接。本系统中，在上电时处理器将OV7670配置为320×240分辨率的QVGA模式，输出数据格式为RGB565。OV7670的部分初始化设置源代码如下：

 

　　由于在OV7670与处理器之间增加了FIFO，该FIFO足够存储2帧QVGA图像数据，所以处理器只需按照FIFO的通信时序，从FIFO中读取图像数据即可。处理器通过FIFO读取一个像素图像数据的程序流程如图7所示。图像传感器抓取的原始图像质量符合设计要求，如图8所示。

 

　　结语

　　ARM和GPRS技术目前已经非常成熟，基于新型Cortex—M3架构的ARM处理器的性价比较高，本系统正是充分利用现有成熟的技术，经过优化搭配，设计了一套实用的家居安防系统。实验结果证明，系统的设计是科学可行的，振动和红外传感器灵敏度较高。