ARM&GPRS技術(shù)的家居實(shí)時(shí)安防系統設計

摘要：設計了一個(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。該系統處于工作狀態(tài)時(shí)，能實(shí)時(shí)監控到是否有人進(jìn)入監控區域，且實(shí)現自動(dòng)發(fā)送彩信報警。系統采用微型圖像傳感器OV7670獲取圖像信息，并對圖像進(jìn)行初步處理，再利用GPRS模塊SIM900發(fā)送彩信到指定手機，同時(shí)將獲取的圖像數據保存到SD卡?。实验结贡砻?，系統工作穩定，實(shí)現了設計目標。

引言

最近幾年隨著(zhù)我國城鎮化的快速推進(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)人口相對復雜，因此家居防盜已經(jīng)成為人們非常關(guān)注的問(wèn)題，對于家居安防方面的研究國內外都有不少方案。而這些方案基本都采用了運行嵌入式操作系統的高性能ARM9或者ARM11平臺，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平臺為控制核心的家居實(shí)時(shí)安防系統，以更具實(shí)用性的設計和更低的成本，提供了一套實(shí)時(shí)安防解決方案，能很好地滿(mǎn)足大部分家庭對家居安防的需求。

1 系統結構

從圖1可以看出系統的模塊化設計思想，充分利用成熟的技術(shù)和模組產(chǎn)品，有利于降低設計的難度和整體成本。系統采用低紋波高效能的5 V開(kāi)關(guān)電源作為工作電源，電路內部經(jīng)過(guò)多路電源管理單元的穩壓處理后為系統各個(gè)模塊供電，以保證系統良好的抗干擾性能。系統的控制核心為STM32F103C8T6，振動(dòng)傳感器的型號為SW-180，是中斷信息輸入單元，用戶(hù)可以安裝在適合的位置，負責檢測振動(dòng)信號。系統框架圖如圖1所示。

熱釋紅外傳感器的型號為HC-SR501，同樣是單向輸入單元，該傳感器能準確發(fā)現100℃時(shí)5～7 m范圍內的人體移動(dòng)信號，實(shí)時(shí)將信號反饋到系統控制核心。圖像傳感器OV7670經(jīng)過(guò)數據緩存FIFO后與控制核心STM32F103C8T6連接，可降低微處理器的速度要求，減輕系統的負擔。

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)送到指定的手機內。一旦有可疑人員進(jìn)入房屋內，系統將被觸發(fā)，并自動(dòng)抓拍現場(chǎng)照片，發(fā)送彩信提醒用戶(hù)，然后將照片保存到系統自帶的SD卡內，以備查閱。

2 硬件設計

2.1 系統核心單元

系統核心處理器STM32F103C8T6采用高性能的ARM Cortex—M3 32位RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器(64 KB的閃存和20 KB的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩組APB總線(xiàn)的外設。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(xiàn)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(xiàn)接口。STM32F103C8T6的工作電壓為2.0～3.6 V，采用LQFP48封裝。系統內使用LDO將5 V電源轉換為3.3V為其供電。

圖2設計了時(shí)鐘電路和復位電路，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(xiàn)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。系統通過(guò)I2C總線(xiàn)控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位圖像數據。該產(chǎn)品VGA圖像最高達到30幀/s。用戶(hù)可以控制圖像質(zhì)量、數據格式和傳輸方式。OmniVision圖像傳感器應用獨有的傳感器技術(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，得到清晰穩定的彩色圖像。

圖3的電路中設計了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。PAM3101DAB28用于向OV7670內部的模擬電路提供穩定的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內部自帶的LDO即可正常工作，自動(dòng)為OV7670的內核部分提供1.8 V電源。

系統設計了一個(gè)FIFO芯片AL422B，該FIFO芯片的容量為384 KB，足夠存儲2幀QVGA圖像數據。由于采用了FIFO作為數據緩沖，系統的數據采集負擔大大降低，設計者只需關(guān)心如何讀取FIFO數據接口，不必再關(guān)心OV7670的數據是如何采集到的，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，就能夠實(shí)現圖像的采集。

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通使兩個(gè)引腳瞬間導通為ON狀態(tài);當外力消失時(shí)，電路恢復為開(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對振動(dòng)傳感器的開(kāi)關(guān)量信號進(jìn)行預處理，過(guò)濾干擾信號，經(jīng)過(guò)LM393后得到一個(gè)邊沿陡峭的觸發(fā)信號傳送到核心處理器STM32F103C8T6的中斷口。通過(guò)調節可調電阻即可改變振動(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)采用了功能強大的ARM926EJ-S芯片處理器。SIM900的供應電壓范圍為3.2～4.8 V，系統采用LDO器件MIC29302BU為其供電，LDO輸入端設計了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。