戴未然，薛宇城，王 莉

(1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016;2.南京郵電大學 通信工程學院，江蘇 南京 210003)

為了保證財產(chǎn)的安全，越來越多的單位、家庭使用防盜報警系統(tǒng)［1-5］。防盜報警系統(tǒng)有多種多樣，其中尤以基于紅外傳感器的防盜報警系統(tǒng)應用最為廣泛［1-4］。現(xiàn)有的被動式紅外探測傳感器的防盜報警器結(jié)構(gòu)簡單，易安裝，成本不高［1-4］，但也存在一些缺陷，主要有:誤報率較高［1，2，4］，給用戶帶來了不必要的麻煩;絕大多數(shù)的防盜報警系統(tǒng)只能現(xiàn)場報警［2-4，6，7］，但很多情況下用戶往往不在現(xiàn)場，于是這樣的系統(tǒng)不能讓用戶對事件進行實時掌握及處理，少數(shù)的可遠程監(jiān)控防盜報警的研究，制作成本較高、不能以便利的方式適應市場的要求［5，8，9］。為此，本文對被動紅外傳感防盜報警系統(tǒng)進行了改進研究，采用多種措施有效地抑制了溫度、電磁、白光等干擾，降低了誤報率，且更為節(jié)能;同時基于GSM網(wǎng)絡，既能實現(xiàn)現(xiàn)場實時報警，又能實現(xiàn)手機短信實時報警。此外，改進后的系統(tǒng)方便實用，成本較低，節(jié)能環(huán)保，具有廣闊的市場應用前景，也對防火等其它安保報警系統(tǒng)起到了借鑒作用。

1 系統(tǒng)工作的基本原理

被動紅外傳感防盜報警系統(tǒng)工作的基本原理［1-5］已有很多介紹，即直接由紅外傳感器接收入侵信號并轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大電路后啟動單片機工作，最后啟動音頻報警器現(xiàn)場報警。其工作流程圖可由圖1 表示。

圖1 被動紅外傳感防盜報警系統(tǒng)的基本工作原理

圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本不高，但也存在一些缺陷，典型的是，誤報率較高以及不能讓場外用戶對事件進行實時掌握及處理。本研究提出了一種改進的被動紅外傳感防盜報警系統(tǒng)，其工作原理如圖2所示。雙元熱釋電紅外傳感器采集的信號經(jīng)前置電路(溫度補償、濾波放大等)由A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，然后輸入MSP430 單片機，單片機計算設定時間內(nèi)采樣的均值和方差，根據(jù)均值和方差大小智能判斷入侵行為，之后輸出報警信號進行現(xiàn)場報警，同時通過GSM 模塊發(fā)出報警信號，并由手機用戶以短信方式接受。

圖2 改進的系統(tǒng)工作原理框圖

比較圖1 與圖2 可見，改進的系統(tǒng)在硬件及軟件上均有較大程度的變化，其作用一是抑制溫度及電磁輻射等的干擾，以降低誤報率，二是同時實現(xiàn)手機短信報警。下面就該系統(tǒng)硬件及軟件部分的改進做分別介紹。

2 硬件部分的改進

2.1 傳感器的選擇

本系統(tǒng)選用新的紅外傳感器——雙元熱釋電紅外傳感器RE200B［10］，其反應頻率為0.3Hz ～3Hz，可完全適配被測對象。選用RE200B的另一大優(yōu)點是該傳感器內(nèi)裝兩個對偶的傳感單元，可對溫度干擾起到一定的抑制作用。此外，在該傳感器上配置菲涅爾透鏡可以起到抗白光干擾的作用。

2.2 前置電路設計

系統(tǒng)的前置電路如圖3所示。主要由濾波放大、電壓比較及溫度補償?shù)入娐窐?gòu)成。

圖3 前置電路拓撲

雙元熱釋電紅外傳感器3 端和5V 電源間串聯(lián)10 kΩ 電阻R2，用于降低射頻干擾，1 端接地，2 端接5.1 kΩ 負載電阻R1，偏置電壓約為1 V。傳感器輸出直接耦合到低噪聲高速運放NE5532 構(gòu)成的放大電路中，再由電阻R5、電容C2 耦合到3 階濾波電路中?？捎嬎惴糯箅娐返碾妷涸鲆鏋?

在放大電路中采用熱敏電阻負反饋實現(xiàn)溫度補償［4］，當溫度較高時，熱敏電阻阻值降低，當溫度較低時，熱敏電阻阻值上升，這樣基本維持輸出電壓不變。在濾波電路中，根據(jù)德州儀器的Filter Pro 軟件得出上限截止頻率為f=20 Hz，電壓增益為1dB。該濾波電路有效地抑制了電磁輻射等高頻干擾。在最后一級采用1N4727 穩(wěn)壓二極管，構(gòu)成1.5V 門限電壓比較器，得到幅值為3V的方波，以便單片機A/D 采樣。

由于采用了溫度補償、低通濾波，有效地降低了射頻干擾及溫度變化干擾引起的誤報警，比過去的前置放大電路有了較大程度的改進。

2.3 短信報警硬件設計

為了實現(xiàn)手機短信報警并適配市面上的主流手機卡，本系統(tǒng)基于GSM 模塊采用了經(jīng)典的SIM300 集成芯片，具體電路圖如圖4所示。SIM300 模塊是一款三頻段GSM/GPRS 模塊，具有低功耗設計，睡眠模式下的電流消耗僅為2.5 mA。SIM300 內(nèi)部集成了TCP/IP 協(xié)議，并且擴展了TCP/IP的AT指令，使模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設備變得簡單方便。SIM300 采用4.5V 供電，可以直接使用電池供電。單片機通過串行接口與SIM300 進行通信，短信內(nèi)容由程序提前編好，通過此模塊可以直接發(fā)送。SIM300 內(nèi)部功能模塊具有調(diào)試和數(shù)據(jù)輸出兩個串口，更便于開發(fā)產(chǎn)品。SIM300 通過RXD和TXD 端口與單片機進行串口異步通信，并通過19、21、23、25 引腳與SIM 卡相連。PWRKEY 端口是SIM300 啟動使能端。該設計在此管腳上先給低電平，然后拉高，符合SIM300 啟動時所需的信號時序。

圖4 GSM 模塊及相應的電路圖

2.4 節(jié)能設計

硬件部分控制器采用超低功耗的MSP430 處理器，在待機時功耗僅為0.33μW，工作狀態(tài)下也僅為544μW。前置電路拓撲中全部采用5V 供電的運算放大器NE5532，GSM 模塊中SIM300 供電電壓也僅為4.5V，因此電路可以直接由電池供電。

3 軟件部分的改進

3.1 改進系統(tǒng)的主程序流程

改進后的系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。與已有的主程序相比，主要是在信號判斷上采用了新的智能判斷方法以及增加了相應的GSM 軟件設計。

3.2 信號的智能判斷軟件及節(jié)能設計

為了克服已有的報警系統(tǒng)易因小動物移動等造成的誤報警，這里采用MSP430 單片機并采取一系列的智能判斷方法。當在一段時間內(nèi)MSP430 采集到的電壓一直處于高電平，表示探測到移動人體經(jīng)過，此信號作為預入侵探測信號，產(chǎn)生中斷喚醒CPU 對紅外傳感器數(shù)據(jù)做進一步分析處理。分析處理的核心是進行智能入侵判斷，為了對真正的移動人體而不是其它如小動物等進行準確的報警，主要考慮必須在時間、空間和溫度上均與人體接近的時候，才能判斷為真正的入侵行為。本系統(tǒng)的智能入侵判斷方法是通過單片機對給定周期內(nèi)信號的電壓高電平均值和方差大小與設定值Eo和Do 分別進行比較，當符合預設條件時，單片機輸出報警信號。經(jīng)過多次實踐比較后，這里預設周期T 取1s、Eo 取3、Do取0.3。信號智能判斷方法防止了由于風吹動窗簾、小動物經(jīng)過等誤報警信號的產(chǎn)生，改進了已有的系統(tǒng)單片機的入侵判斷方法，降低了誤報率。

軟件部分采用“待機—喚醒—待機”的方式，在預檢信號不滿足要求時，單片機處于LPM0 狀態(tài)，SIM300 處于待機狀態(tài)。

圖5 改進的系統(tǒng)主程序流程圖

3.3 短信發(fā)送部分軟件設計

3.3.1 AT 通信方式

短信發(fā)送部分通過單片機的UART 端口發(fā)送AT 命令控制GSM 模塊發(fā)送報警短信。在UART 串口配置時選擇串口工作方式1，并通過單片機發(fā)送命令AT+IPR=9600 設置波特率為9600b/s，然后通過定時器T01 中斷完成AT 命令的發(fā)送，發(fā)送號碼和報警內(nèi)容也可以相應的在對應的AT 命令中進行修改。短信發(fā)送完成后，單片機給SIM300 發(fā)送指令，GSM 模塊關(guān)機，并且單片機進入低功耗狀態(tài)。

AT 支持text和pdu 兩種模式，由于text 模式不支持中文，因此該系統(tǒng)采用pdu 模式。通過AT+CMGF=0 即可實現(xiàn)pdu 模式的信息格式。

3.3.2 發(fā)送短信流程

發(fā)送短信流程由表1 表示。

表1 發(fā)送短信流程工作表

4 實驗測試

系統(tǒng)樣機制作成功后進行了實驗測試。測試開始時，Eo默認值為3，Do 默認值為0.3，但多次測試比較后，可對該默認設定值作適量微調(diào)。多次測試結(jié)果表明，當外來人員在測量區(qū)域入侵時，案發(fā)現(xiàn)場報警器能迅速響起，而場外的用戶手機最遲在15s 內(nèi)就能接收到短信報警。此外我們也對外來干擾情況下該裝置的反應進行了測試，比如，拉動窗簾、開關(guān)室內(nèi)光源、用熱光源對著傳感器照射、開關(guān)手機、電視機、吹風機等家用電器等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)均未產(chǎn)生誤報警。實測結(jié)果表明:該系統(tǒng)既能實現(xiàn)現(xiàn)場防盜報警，又能實現(xiàn)手機短信防盜報警，且誤報率不高，較為節(jié)能。

5 結(jié)論

防盜報警系統(tǒng)正越來越受到廣泛的重視，現(xiàn)有的被動式紅外傳感器的入侵探測器存在著誤報率較高及不利于場外用戶掌控的弱點。本研究基于雙元熱釋電紅外傳感器RE200B，采用多種抗干擾硬件及軟件設計，有效地降低了誤報率，同時基于GSM 網(wǎng)絡，實現(xiàn)了手機短信及現(xiàn)場的同時報警，較大程度地改進了現(xiàn)有的被動紅外傳感防盜報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下三個特點:一是誤報率較低;二是能以適配于市面主流手機的短信方式實時向場外用戶報警;三是方便實用，節(jié)能環(huán)保，成本不高。該系統(tǒng)在實際應用中前景廣闊，也為防火、防災等其它安保報警系統(tǒng)提供了一種有效的途徑。

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