基于ARM及GPRS的远程入侵监控报警系统的设计

摘要：为了实现远程入侵监控报警的需求，设计了一种基于MMS功能的红外入侵检测监控报警系统，该系统把红外技术、彩信技术、无线通信技术充分结合起来，实现了将监控现场采集的入侵者图片通过GPRS网络以彩信的形式发送到用户手机的功能，使用户远离家中也可以实时掌控家中的情况。
关键词：入侵探测；监控报警；GPRS模块；Cortex-M3

    随着电子和通信技术的不断发展，单片机已经在数据压缩采集、电子设备、工业控制领域、以及多种家电设备等方面得到了广泛的应用，无线通信因其投资少、维护简单、方便、快捷和实时性强的优势，充分弥补了有线通信的缺陷，尤其是现在已经覆盖全国的GPRS网络已经得到了非常广泛的应用。
    同时无线报警系统越来越受欢迎，无线监控报警系统不需要人员在场，将单片机技术、通信技术、网络技术和计算机技术结合起来，通过一定的网络设备建立起通信关系，具有高度的可靠性，集软硬件为一体，是对待监测范围内的待监设备完成自动准确采集、传输的系统。
    可见设计出一种低价格适于家用的、工作性能稳定可靠的智能型入侵监控报警系统是必要的。通过此系统对家里出现的入室盗窃等状况自动发送报警信息数据并及时通知用户进行处理和解决。

1 系统的功能需求分析
    本课题主要是为家庭、办公室等场所设计的安装方便、低成本的小型民用监控报警设施。本设计的目标是通过无线通信网络，实现入侵信号的检测和现场入侵图像的采集，达到远程监控的目的。系统的应用示意图如图1所示。监控终端一般安装在室内比较隐蔽的部位，人体入侵检测模块要对准门或窗等部位。

2 系统工作流程
    当有入侵者闯入热释电红外探测器的监测范围内时，红外传感器立即向主控制器发出报警信号，接到警情之后，主控制器对信息进行确认，证实无误后，对图像采集器进行初始化并拍摄入侵图像，接着把图像数据信息通过GPRS模块以发送彩信的形式传给用户手机。如果用户想主动查看家里情况，则可以给报警系统发送短消息告知．GPRS模块接到信息后，通过程序将信号传送至监控系统，再重复上面的过程，这样就完成了主动查询的功能。使用户了解家里的情况。系统的整体工作过程如图2所示。

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3 系统硬件设计
    整个系统的硬件主要由主控制器、CMOS图像采集模组热释红外传感器及信号放大电路、GPRS模块、继电器电路、电源及复位电路组成。系统总体结构图如图3所示。

    监控系统以微处理器为核心，通过控制和协调各个模块的正常运行来保证系统稳定有序的工作。本系统选用功耗低、价格合理、体积小、可靠性高的基于ARM Cortex-M3内核的ST公司的STM32F103系列处理器芯片作为系统的主控制单元。STM32F103系列芯片使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核，采用指令和数据总线分开的哈佛结构，在取指的同时可以读取或存储数据，16位和32位的可混合Thumb-2指令集，具有很高的代码密度，可降低存储器的需求，3级流水线，内部集成前实时时钟功能满足本课题对时间截取的要求，内置了快速的中断控制器，提供了优越的实时性能，与ARM7TDMI相比运行速度最多可快35％且代码可节省45％。
    本系统采用热释电红外传感器LHi778来探测入侵者身体产生的红外线辐射，并转化成电信号输出，从而触发摄像头拍摄现场照片，并将其传递至用户手机终端。
    选用GXT-M201串口摄像头模块来完成现场图像的采集和压缩。GXT-M201是一款能够将视频采集和图像压缩集于一身的图像采集模块，它是通过比较简单的串行口指令来控制图像的捕捉和获取，并对采集到的图像完成JPEG格式的压缩，接着通过串口输出。
    选用IWOW公司的TR800GPRS模块，TR800的接收速率和发送速率都能够保证稳定可靠的实现数据、传真、语音传输和短消息服务。TR800超低的功耗能够保证其在使用电池的情况下正常工作，它具有标准的AT指令集接口，与ESTI GSM Phase2+标准兼容，支持文本和PDU格式的的短信传输，支持Group3(Class2．0)协议的传真功能和语音功能。TR800的下载速度最大可达85．6kbps，内部嵌入了TCP／IP协议栈，WAP协议栈和MMS(彩信)协议栈。
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4 系统软件分析
    本系统的程序主要就是单片机控制程序。主要作用就是配合系统的硬件功能，保证整个系统稳定可靠的运行起来，达到设计要满足的要求。系统的监视终端软件结构函数如表1所示。

4. 1 图像采集模块通信协议
    摄像头模块的软件主要包含两部分，即摄像头初始化子程序和摄像头拍照子程序。摄像头通信时采用的协议是UART串行协议，与微控制器每次传递6个字节的单独指令，指令的包头为0xAA。摄像头模块与单片机之间通信时，采用的通信方式是应答的方式。
4．2 用户终端请求协议
    如果用户想主动了解家中的安全情况，可以通过手机给GPRS模块传送短信息命令，进入串口接收中断入口，微控制器触发摄像头拍摄现场照片，然后再由GPRS模块以彩信的形式传送。

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4．3 GPRS模块软件分析
    GPRS模块TR800与微控制器STM32F103之间通过USART2这个串口进行数据通信，通过该串口，可以用标准的AT指令控制TR800，以完成数据的无线发送。GPRS模块TR800内嵌彩信协议栈，支持彩信的收发，通过串口用AT指令来控制模块工作，部分指令为：
   
4．4 红外感应程序
    微处理器STM32F103的红外检测I／O口中断发生则证明有人员闯入，这时要立刻触发摄像头模块拍摄入侵者照片，随后再将入侵者的照片数据发送出去或者是在NANDFLASH芯片中存储。如下图5所示。

5 结束语
    该系统将单片机技术、通信技术、网络技术和计算机技术结合起来，通过一定的网络设备建立起通信关系，具有高度的可靠性，集软硬件为一体，是对待监测范围内的待监设备完成自动准确采集、传输的系统。该系统具有成本低、实用方便、人机界面友好等优点，从而满足用户对家庭安全的需求。