路文超+權(quán)偉+楊雯+郭培峰+和騰龍+楊應(yīng)山

摘 要：為了解決目前采用有線方式的住房入侵檢測系統(tǒng)所帶來的性能不可靠、成本高、安裝困難等問題，本文分析并設(shè)計了一種基于熱釋電紅外傳感器（PIR）的住房入侵檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用HC-SR501紅外感應(yīng)模塊檢測入侵，通過AT89C51單片機進行信號處理和控制，采用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)節(jié)點間的無線通訊。本文首先對系統(tǒng)進行了總體的方案設(shè)計，然后針對系統(tǒng)的組成及其功能進行了相應(yīng)的硬件和軟件的設(shè)計。實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的入侵檢測準(zhǔn)確性和實時性，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，功耗低，安裝簡便，實用性強。

關(guān)鍵詞：紅外探測；住房入侵檢測；HC-SR501；STC89C51單片機；nRF24L01無線模塊

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract：The current house intrusion detection system through cable connections has some obvious disadvantages，such as unreliable performance，high cost and complicated installation.This paper analyzes and designs a house intrusion detection system based on Pyroelectric Infrared Sensor （PIR）.The system applies the HC-SR501 infrared sensor module to detect instructions，uses the AT89C51 single chip microcomputer to process and control signals，employs the nRF24L01 wireless module to implement wireless communication among nodes.The paper firstly designs the overall scheme of the system，and then designs the hardware and software according to the composition and functions of the system.The experimental results show that the system has high-level accuracy and real-time capability of intrusion detection with high stability，low power consumption，simple installation and good practicability.

Keywords：infrared detection；housing instrusion detection；HC-SR501；STC89C51 MCU；nRF24L01 wireless module

1 引言（Introduction）

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，現(xiàn)代電子通訊為科學(xué)研究提供了強有力的技術(shù)支持，高科技產(chǎn)品使人們的生活變得更加豐富多彩，同時也提高了人們的居住安防意識。盡管城市的小區(qū)都安裝了監(jiān)控系統(tǒng)，但入室盜竊率仍居高不下，這與人工監(jiān)控的反應(yīng)力低下有極大關(guān)系更與防盜報警設(shè)備老舊有密切聯(lián)系。

本文分析并設(shè)計了一種基于熱釋電紅外傳感器（PIR）的住房入侵檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用HC-SR501紅外感應(yīng)模塊檢測入侵，通過AT89C51單片機進行信號處理和控制，采用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)節(jié)點間的無線通訊。系統(tǒng)通過紅外探測模塊與單片機相連實現(xiàn)實時檢測住房是否有人入侵。熱釋電紅外傳感器對人體運動引起的紅外輻射變化十分敏感，適合用于家庭輔助生活[1]，同時無線分布式熱釋電紅外傳感器系統(tǒng)可以部署多個傳感器從多個角度收集測量信號[2]。由于紅外線是不可見光，便于隱蔽，受環(huán)境干擾影響小，因此廣泛使用在報警、防盜、控制等領(lǐng)域。此外熱釋電紅外傳感器使用了劃分檢測區(qū)明亮和黑暗區(qū)域的菲涅爾透鏡[3]，在防盜報警等方面比其他類型的傳感器使用更加廣泛。當(dāng)今世界，移動通信手段例如GSM、NCDMA等技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，無線通信在全世界的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，如無線測控、無線自動抄表、無線視頻采集，這些技術(shù)為遠(yuǎn)距離通信的實現(xiàn)提供了強有力的技術(shù)支持。但在同一間屋內(nèi)或在相距不是很遠(yuǎn)的地方，無線通信的應(yīng)用同樣廣泛[4]。低功耗單片機和單片射頻收發(fā)模塊組成的無線通信系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)住房檢測系統(tǒng)在區(qū)域上的局限性，能夠?qū)崿F(xiàn)多點的無線通信。目前國內(nèi)外與住房檢測系統(tǒng)相關(guān)的文獻都只單獨研究了紅外探測技術(shù)防盜系統(tǒng)和無線通信技術(shù)在防盜上的應(yīng)用[5]，因此本文給出了一種在設(shè)計上有創(chuàng)新性突破的設(shè)計方案即采用無線通信并基于紅外探測技術(shù)的住房入侵檢測系統(tǒng)。

2 住房入侵檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計（Overall scheme

design of housing intrusion detection system）

目前國內(nèi)使用的各類防盜、保安報警器基本都是以超聲波、主動式紅外發(fā)射/接收，以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)[6]，這些防盜報警器都存在一些缺點，例如性能不穩(wěn)定、誤報率高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。本文利用STC89C51單片機和nRF24L01設(shè)計的基于熱釋電紅外傳感器的住房入侵檢測系統(tǒng)是一款簡易、便攜、高效的住房入侵檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)由主控終端、執(zhí)行終端組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。執(zhí)行終端和主控終端上均有一塊STC89C51單片機，執(zhí)行終端還安裝有nRF24L01無線模塊的發(fā)射裝置，主控終端安裝nRF24L01無線模塊的接收裝置。通過單片機和nRF24L01無線通信模塊發(fā)射裝置和接收裝置的軟件程序編寫實現(xiàn)聲光報警的功能。主控終端負(fù)責(zé)接收執(zhí)行終端發(fā)射的報警信息并將入侵點顯示在終端LCD顯示屏上，執(zhí)行終端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解密，并根據(jù)解密出來的信息執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而達(dá)到控制系統(tǒng)的作用[7]。本文的設(shè)計可實現(xiàn)的功能為用戶可將執(zhí)行終端安置在住宅需要防盜的位置，按下布防按鍵系統(tǒng)將進入布防狀態(tài)，由于nRF24L01無線通信模塊的主控終端可以與任意一個數(shù)據(jù)采集檢測點即執(zhí)行終端之間建立通信，因此當(dāng)有人闖入設(shè)置的任何一個執(zhí)行終端的檢測范圍，熱釋電紅外傳感器HC-SR501將探測到的人體紅外信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)執(zhí)行終端上的STC89C51單片機軟件處理并通過nRF24L01無線模塊的發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控終端，當(dāng)只有一個執(zhí)行終端發(fā)送了數(shù)據(jù)時，主控終端便會識別該執(zhí)行終端編號并顯示在LCD顯示屏上，當(dāng)主控終端接收到多個執(zhí)行終端的數(shù)據(jù)，將會在LCD屏上依次顯示入侵位置的編號同時進行聲光報警。

3 硬件設(shè)計（Hardware design）

3.1 熱釋電紅外傳感器（PIR）簡介

熱釋電紅外傳感器（PIR）是一種由高熱電系數(shù)材料制成的探測元件，每個探測器內(nèi)一般有一到兩個探測元件，紅外輻射熱量變化會引起元件的溫度變化，材料內(nèi)部極化強度發(fā)生改變，傳感器將紅外信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過引入場效應(yīng)管完成阻抗變換以獲得直接使用的電壓信號[6]。由于人體的紅外線中心波長為9—10μm，而探測元件的波長靈敏度在0.2—20μm內(nèi)基本穩(wěn)定不變[8]，為了提高探測器的靈敏度及響應(yīng)速度，采用菲涅爾透鏡增強紅外線并聚集在紅外感應(yīng)源上，使可通過紅外光波長穩(wěn)定在人體紅外信號波段7—10μm，并在探測器前方產(chǎn)生交替變化的明區(qū)和暗區(qū)使熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生禁區(qū)內(nèi)移動人體的紅外信號[9，10]。本文采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，內(nèi)置RD-624紅外傳感探頭，反應(yīng)靈敏，工作穩(wěn)定，工作于超低電壓模式適用于各類自動感應(yīng)設(shè)備。

3.2 AT89C51單片機簡介

AT89C51是一種帶有4K可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，可反復(fù)擦除1000次，采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)將所需基本功能集成在芯片上。其基本結(jié)構(gòu)是微處理器與外圍芯片結(jié)合，其主要特性有：8kBFlash，256字節(jié)RAM，32位可編程I/O線，兩個16位定時器/計時器，5向量級中斷結(jié)構(gòu)，可編程串行通信口，低功耗閑置，支持軟件選擇節(jié)電模式。CPU閑置時RAM、定時/計數(shù)器、串行通道及中斷系統(tǒng)可正常工作?？稍诹泐l率條件下靜態(tài)邏輯，掉電模式時可保護RAM存儲內(nèi)容，其他所有部件停止運行直到下一個終端復(fù)位。

3.3 nRF24L01無線模塊簡介

nRF24L01是一款新型微功率單芯片射頻收發(fā)模塊，工作在2.4—2.5GHz全球開放ISM頻段，發(fā)射功率最大為0dBm[11]，工作電壓范圍為1.9—3.6V，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等主要功能模塊[12]，融合Shock Burst技術(shù)，可通過軟件程序配置其通信頻道。數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2Mbps，接收工作電流僅為18mA，共有125個頻道，滿足多點通訊和跳頻要求[4]，具有高效GFSK調(diào)制，可同時設(shè)置六路接收通道地址并可選擇性打開接收通道，同時模塊內(nèi)置2.4GHz天線，體積小巧。nRF24L01無線模塊集抗干擾能力強、功耗低、擴展性好等優(yōu)點于一體，因此適用于多種環(huán)境下的小型場所，本文利用AT89C52單片機和nRF24L01無線模塊控制為實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信提供了靈活和低成本的方案。

nRF24L01無線模塊接口共有8個引腳，分別為GND、VCC、CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ，其主要功能如表1所示。

3.4 系統(tǒng)硬件電路連接

系統(tǒng)以AT89C51單片機為中心燒寫代碼，外圍接單片機最小系統(tǒng)、按鍵模塊、紅外熱釋電傳感器HC-SR501、LED指示燈、報警模塊、無線通信等子模塊。單片機AT89C51組成單片機最小系統(tǒng)，P1.3接收外接傳感器信號，P2.0控制工作指示燈，P2.2控制報警指示燈，P2.3控制外接SPEAKER。AT89C51單片機外界工作電壓為5V直流電源。單片機40腳接正極5V，20腳接電源地。

AT89C51單片機的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7分別于與nRF24L01無線模塊的CE、CS、SCK、MOSI、MISO、IQR相連。GND為電源地，VCC為3.3V工作電壓，系統(tǒng)采用USB供電，電壓約為5V，而nRF24L01在3.3V時工作較穩(wěn)定[5]，因此需要將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V電壓，電源模塊選用LDO低壓差線性穩(wěn)壓電源RT9193-33GB組成模擬電源，通過調(diào)節(jié)可以使輸出電壓降為3.3V。

液晶顯示屏選用LCD1602，其采用標(biāo)準(zhǔn)16接口，5V電壓，內(nèi)含復(fù)位電路可提供各種控制命令例如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍等多種功能。3腳可調(diào)節(jié)液晶顯示器對比度，將2、3腳外接1K電位器用來調(diào)整屏幕背光亮度[5]。AT89C51單片機與外圍模塊及nRF24L01無線模塊的硬件連接如圖2所示。

4 軟件設(shè)計（Software design）

4.1 AT89C51單片機軟件設(shè)計

當(dāng)檢測系統(tǒng)設(shè)置為布防狀態(tài)后，禁區(qū)內(nèi)有移動人體出現(xiàn)時，紅外熱釋電傳感器則捕捉紅外信號并對其進行處理，該信號經(jīng)單片機的軟件程序處理，驅(qū)動LED指示燈報警和蜂鳴器報警，同時主控終端處的LCD顯示屏上也會出現(xiàn)入侵點的坐標(biāo)。單片機控制紅外傳感器探測信號部分程序如下：

4.2 nRF24L01無線模塊軟件設(shè)計

本系統(tǒng)工作環(huán)境為近距離高速無線應(yīng)用條件，因此選用星型模式，nRF24L01有四種主要工作模式，如表2所示。

本文主要利用nRF24L01無線模塊的接收模式、發(fā)射模式、待機模式等模式。本文利用AT89C51單片機將主控終端配置為接收模式，將執(zhí)行終端配置為發(fā)送模式，采用nRF24L01無線模塊的通道0，通過改變頻道和地址實現(xiàn)一對多的無線通信。當(dāng)發(fā)送端緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)從待機模式進入發(fā)送模式，nRF24L01配置為發(fā)射模式，把要發(fā)送的節(jié)點地址和數(shù)據(jù)由SPI口寫入單片機，通過把nRF24L01發(fā)射裝置的軟件程序嵌套在AT89C51單片機軟件程序中，上電后就可自動將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。CE置高電平，此時中控終端的nRF24L01無線模塊進入接收模式，單片機引腳P3.7變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生中斷，單片機判斷到已接收數(shù)據(jù)，此時單片機通過SPI口將接收到的數(shù)據(jù)讀取出來，通信成功。當(dāng)系統(tǒng)從待機模式進入接收模式時，nRF24L01配置為接收模式，將數(shù)據(jù)存儲在寄存器中，中斷標(biāo)志位RX_DR為高電平，IRQ變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生中斷，向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)。單片機高速的運行速度為獲取多個數(shù)據(jù)檢測節(jié)點的信息提供了保障。工作前要先對nRF24L01進行初始化，CE置0，CSN置1，SCLK置0，IRQ置1，MCU將相關(guān)配置字寫入配置字寄存器。單片機控制nRF24L01無線模塊部分程序如下：

5 結(jié)論（Conclusion）

本文分析并設(shè)計了一種基于紅外探測技術(shù)的住房入侵檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用HC-SR501紅外感應(yīng)模塊檢測入侵，通過AT89C51單片機進行信號處理和控制，采用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)節(jié)點間的無線通訊，系統(tǒng)具有很好的移植性和通用

性，較高的準(zhǔn)確性和實時性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需復(fù)雜的布線，具有功耗低等特點，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

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作者簡介：

路文超（1995-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電氣工程及其自動化.

權(quán) 偉（1982-），男，博士，講師.研究領(lǐng)域：控制科學(xué)與工程. 本文通訊作者.

楊 雯（1996-），女，本科生.研究領(lǐng)域：機械設(shè)計制造及其自動化.

郭培峰（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電氣工程及其自動化.

和騰龍（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：車輛工程.

楊應(yīng)山（1996-），男，本科生.研究領(lǐng)域：電氣工程及其自動化.