基于32位ARM STM32F103C8T6和傳感器的實(shí)時安防系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

設(shè)計(jì)了一個以32位ARM微處理器STM32F103C8T6為控制核心，外加振動傳感器和熱釋紅外傳感器的實(shí)時安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，能實(shí)時監(jiān)控到是否有人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域，且實(shí)現(xiàn)自動發(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)。

最近幾年隨著我國城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，人們的居住環(huán)境得到了很大的提升，家中的各類貴重物品也越來越多。由于城市的流動人口相對復(fù)雜，因此家居防盜已經(jīng)成為人們非常關(guān)注的問題，對于家居安防方面的研究國內(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，外圍搭配多種高端傳感器，這類方案成本都較高。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)時安防解決方案，能很好地滿足大部分家庭對家居安防的需求。

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開關(guān)電源作為工作電源，電路內(nèi)部經(jīng)過多路電源管理單元的穩(wěn)壓處理后為系統(tǒng)各個模塊供電，以保證系統(tǒng)良好的抗干擾性能。系統(tǒng)的控制核心為STM32F103C8T6，振動傳感器的型號為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)檢測振動信號。系統(tǒng)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(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)100℃時5～7 m范圍內(nèi)的人體移動信號，實(shí)時將信號反饋到系統(tǒng)控制核心。圖像傳感器OV7670經(jīng)過數(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)入微處理器后將會進(jìn)行初步處理和格式轉(zhuǎn)換，得到的JPEG格式圖像再通過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)，并自動抓拍現(xiàn)場照片，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12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，以及2個I2C總線接口和SPI接口、3個USART接口、一個USB接口和一個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)了時鐘電路和復(fù)位電路，SD卡通過SPI接口與核心處理器通信，振動傳感器和熱釋紅外傳感器則通過中斷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時鐘作為OV7670的XCLK輸入信號。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FIFO芯片AL422B，該FIFO芯片的容量為384 KB，足夠存儲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的控制以及時序關(guān)系，就能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的采集。

2.3 振動傳感器單元

振動傳感器SW-180是一種彈簧型無方向性振動感應(yīng)器件，它可以任意角度觸發(fā)。在靜止時任何角度都為開路OFF狀態(tài)，當(dāng)受到外力碰撞或者大力晃動時，彈簧變形和中心電極接觸導(dǎo)通使兩個引腳瞬間導(dǎo)通為ON狀態(tài);當(dāng)外力消失時，電路恢復(fù)為開路OFF狀態(tài)。為了避免振動傳感器受干擾誤觸發(fā)，利用電壓比較器LM393對振動傳感器的開關(guān)量信號進(jìn)行預(yù)處理，過濾干擾信號，經(jīng)過LM393后得到一個邊沿陡峭的觸發(fā)信號傳送到核心處理器STM32F103C8T6的中斷口。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻即可改變振動傳感器的觸發(fā)靈敏度，振動傳感器電路如圖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。

SIM900模塊采用單電源供電，模塊射頻發(fā)射時會導(dǎo)致電壓跌落，這時電流的峰值最高會達(dá)到2 A以上，因此電源供電能力盡可能達(dá)到2 A，建議VBAT引腳并接大電容，電容容量可以設(shè)置為100～300 μF，并且大電容應(yīng)盡量靠近GPRS模塊的VBAT引腳。

PCB布局時，VBAT上的旁路電容盡量要放在對應(yīng)引腳附近，為了減少PCB走線阻抗，VBAT走線應(yīng)盡量寬、走線盡量短、最好大面積鋪地，以提供一個穩(wěn)定的電源，保證SIM900正常工作。

當(dāng)采用的是兩層板設(shè)計(jì)時，因?yàn)镻CB板層較厚，50Ω阻抗控制時，射頻線與RF_IN焊盤之間走線采用漸變線，以減少射頻線阻抗的突變。為了減少路徑損耗，SIM900RF_IN Pad和天線饋點(diǎn)的間距盡可能短。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序工作流程

從圖1可以了解到系統(tǒng)各個部分的連接關(guān)系，所有系統(tǒng)外圍模塊都會接入核心處理器STM32F103C8T6的相關(guān)接口，各個模塊的工作都受到核心處理器的控制。因此核心處理器在上電后必須首先進(jìn)行一系列的初始化工作，以保證各個模塊的穩(wěn)定協(xié)調(diào)下作。STM32F103C8T6內(nèi)部有一套復(fù)雜的時鐘系統(tǒng)，系統(tǒng)上電后，核心處理器首先需要初始化其內(nèi)部工作時鐘，然后才能設(shè)置內(nèi)部外設(shè)的工作模式，這些下作完成后才能通過各個接口初始化核心處理器外圍的各類模塊，例如OV7670和SIM900。

接下來主程序會進(jìn)入一個無限循環(huán)內(nèi)部，循環(huán)判斷振動傳感器和熱釋紅外傳感器的報(bào)警信號（該標(biāo)志信號由中斷函數(shù)產(chǎn)生）是否有效觸發(fā)，一旦報(bào)警信號生效，核心控制器立刻通過OV7670抓拍圖像數(shù)據(jù)（OV7670初始化時被設(shè)置為輸出320×240的QVGA分辨率RGB565格式圖像），然后進(jìn)行圖像處理。包括白平衡、圖像格式轉(zhuǎn)換等，得到JPEG格式圖像，再將圖像文件寫入SD卡內(nèi)保存。最后，利用SIM900接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，將圖像以彩信方式發(fā)送到指定手機(jī)上，至此一次完整的防盜報(bào)警完成，完整工作流程如圖6所示。

3.2 圖像傳感器OV7670工作流程

核心處理器STM32F103C8T6的I2C總線接口與OV7670的SCCB接口相連接。本系統(tǒng)中，在上電時核心處理器將OV7670配置為320×240分辨率的QVGA模式，輸出數(shù)據(jù)格式為RGB565。OV7670的部分初始化設(shè)置源代碼如下：

由于在OV7670與核心處理器之間增加了FIFO，該FIFO足夠存儲2幀QVGA圖像數(shù)據(jù)，所以核心處理器只需按照FIFO的通信時序，從FIFO中讀取圖像數(shù)據(jù)即可。核心處理器通過FIFO讀取一個像素圖像數(shù)據(jù)的程序流程如圖7所示。圖像傳感器抓取的原始圖像質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，如圖8所示。

結(jié)語

ARM和GPRS技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟，基于新型Cortex—M3架構(gòu)的ARM處理器的性價(jià)比較高，本系統(tǒng)正是充分利用現(xiàn)有成熟的技術(shù)，經(jīng)過優(yōu)化搭配，設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的家居安防系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是科學(xué)可行的，振動和紅外傳感器靈敏度較高。