張倫++潘秀秀++張亞洲

摘 要：本項目針對家用車庫存在的安全性、便捷性等問題進(jìn)行研究，通過無線通信實現(xiàn)便捷的車庫控制、防盜、視頻監(jiān)控等，并實現(xiàn)利用超聲波測距方式解決汽車出入庫過程中的刮蹭問題。項目基于ARM內(nèi)核的STM32嵌入式處理器進(jìn)行設(shè)計與研究，實現(xiàn)的功能包括無線遙控車庫門、視頻監(jiān)控、紅外防盜、車距探測與預(yù)警、電子密碼鎖等，本項目力求在未來的智能家居中發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；STM32；嵌入式處理器；智能車庫；視頻監(jiān)控

中圖分類號：TP393；TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-03

0 引 言

隨著別墅型住宅日漸流行，智能車庫的控制和管理系統(tǒng)也得到了廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)車庫控制通常依賴互聯(lián)網(wǎng)，存在網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險與缺陷。例如家用私人車庫面積有限，車主駕駛車輛進(jìn)出車庫時經(jīng)常會發(fā)生刮蹭；車庫防盜系統(tǒng)依賴車庫攝像探頭，但它只支持發(fā)生盜竊后的證據(jù)記錄，并不能做到真正的防盜報警，且攝像頭一直處于工作中，對存儲、查看、耗能等都是一個考驗。我們針對傳統(tǒng)智能車庫存在的網(wǎng)絡(luò)安全、缺少刮蹭警示、車庫防盜等級較低、便捷性較差等問題提出了合理的解決方案，并建立了基于ARM處理器和無線全雙工通信控制的家用智能車庫系統(tǒng)。

1 設(shè)計目標(biāo)

本項目力求實現(xiàn)智能車庫性價比高、成本低、操作簡便、安全性強(qiáng)、更加智能與人性化的目標(biāo)，支持低成本、低功耗、高質(zhì)量的智能化家居理念，為未來人性化智能私人車庫的發(fā)展做鋪墊。主要實現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）用戶使用遙控板無線控制車庫大門的啟閉；

（2）利用紅外人體感應(yīng)模塊和報警器（在設(shè)計中使用蜂鳴器，蜂鳴頻率5 Hz）實現(xiàn)車庫的防盜報警；

（3）利用超聲波測距模塊實現(xiàn)探測與顯示車庫墻壁與車兩側(cè)的距離，并在距離小于等于4 cm時提醒報警（在設(shè)計中使用蜂鳴器，蜂鳴頻率2 Hz）；

（4）車庫門同時支持電磁鎖，在無線控制失效的情況下仍然可以開關(guān)門；

（5）遙控板可以打開或關(guān)閉車庫內(nèi)的攝像探頭，亦可在遙控板上查看視頻圖像。

設(shè)計指標(biāo)要求如下：

（1）實現(xiàn)遙控板和車庫主控板之間的全雙工無線通信；

（2）無線圖像傳輸分辨率不低于CIF圖像格式（352×288像素）標(biāo)準(zhǔn)，顏色信息為國際廣播電視標(biāo)準(zhǔn)RGB422；

（3）超聲波測距模塊在40 kHz載頻下探測誤差小于或等于2 cm；

（4）紅外人體感應(yīng)范圍不小于20 m2；

（5）系統(tǒng)能夠長時間可靠工作。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

本項目基于低成本考慮和外圍接口的設(shè)計需求，選用ST公司生產(chǎn)的ARMCortex?-M4結(jié)構(gòu)嵌入式處理器ST M32F407作為系統(tǒng)核心。該處理器具有實時控制、高速存儲、FSMC、DMA等功能，能夠滿足項目需求。軟件開發(fā)平臺選用Keil Software公司的MDK5，它滿足ARM Cortex?微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（Cortex Microcontroller Software Interface Standard，CMSIS），可方便的添加STM32處理器的固件庫。

2.1 無線全雙工通信的實現(xiàn)

目前常用的無線傳輸模塊有藍(lán)牙模塊，WiFi模塊、433長波模塊、nRF模塊等。藍(lán)牙模塊應(yīng)用最廣泛，其優(yōu)點是近距離匹配容易、成本較低、編程簡單；缺點是遠(yuǎn)距離匹配失效、穿墻效果差、傳輸速度低，不適合視頻圖像的遠(yuǎn)距離傳輸。WiFi模塊主要應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)通信，它是目前傳輸速率最快的無線通信模塊，具有高穿透性和高數(shù)據(jù)流傳輸特性，但其協(xié)議棧過于復(fù)雜、編程匹配困難、成本與功耗相對較高；433長波模塊適合遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，但成本過高；nRF模塊傳輸速度快、功耗低、協(xié)議棧簡單、成本低，廣泛應(yīng)用于智能家居中的短距離信號流傳輸，不論成本、性能還是功耗，均符合本系統(tǒng)的要求。

通過比較廠家資料可知，選擇nRF24L01作為本系統(tǒng)的無線通信模塊。nRF24L01采用2.4 GHz國際開放的ISM頻段。該模塊利用高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制信號，功率譜密度集中且具有恒幅包絡(luò)特性。調(diào)制出的恒定包絡(luò)單位時間內(nèi)傳輸內(nèi)容較多，不僅速度快、節(jié)能，還能使數(shù)據(jù)在空中的停留時間較短，確保收到的干擾較少，誤碼率大幅降低，傳輸過程可靠、高效。

本系統(tǒng)需要傳輸格式為CIF的圖像數(shù)據(jù)，CIF的分辨率為352×288，RGB422色彩模式下每像素色彩信息占用8位二進(jìn)制數(shù)，每幀所需的位數(shù)為352×288×8=811 008 b。假設(shè)每秒傳輸18幀畫面，則每秒需要的位數(shù)為14.6 Mb，即每秒需要的字節(jié)數(shù)為1 825 KB。增加無線通信的起始位和校驗位后，無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率大約為1.9 Mb/s，小于nRF24L01的最大數(shù)據(jù)傳輸速度2 Mb/s。該模塊完全能夠滿足本項目的需求。以上計算基于非壓縮的圖像數(shù)據(jù)格式，如果選擇支持幀內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮的MJPEG數(shù)據(jù)傳輸格式，還可以進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬，提高系統(tǒng)冗余度，或根據(jù)需要選擇更高的圖像分辨率。

nRF24L01采用SPI通信總線，確保收發(fā)信號能夠同步進(jìn)行，但單一的收發(fā)不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕咚俚臄?shù)據(jù)傳輸需要校驗和收發(fā)確認(rèn)。nRF24L01提供了兩種不同的收發(fā)模式，分別為Enhanced ShockBurstTM和ShockBurstTM，兩種模式由CE端口和CONFIG寄存器共同控制。本系統(tǒng)使用的編程方式（引腳電平使能和寄存器寫值）選擇Enhanced ShockBurstTM模式，它支持自動確認(rèn)字符（ACK）和自動重發(fā)。通信收發(fā)的地址和頻道同樣由程序來控制。

2.2 超聲波測距的實現(xiàn)

超聲波在相同的傳播媒介中（大氣條件）傳播速度相同，它借助傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動而傳播，波動方程描述方法與電磁波類似。endprint

A = A（X）cos（ωt+ kx） （1）

A（X） = A0e-αx （2）

其中：A（X） 為振幅，A0為常數(shù)，ω為圓頻率，t為時間，X為傳播距離，k=2π/λ為波數(shù)，λ為波長，α為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系如下：

α=af2 （3）

式中：a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率?？諝庵?，a=2×10-13s2/cm，將振動的聲波頻率f=40 kHz（超聲波）代入式（3）可得：α=3.2×10-4cm-1，即1/α=31 m；若f=30 kHz，則1/α=56 m。其物理意義為：聲波在空氣媒介里傳播，因空氣分子運(yùn)動摩擦等原因，能量被吸收損耗。在（1/α）長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的e分之一。

由此可以看出，頻率越高，衰減越大，傳播的距離也就越短。但頻率太低則不易測準(zhǔn)。在30～40 kHz范圍內(nèi)的波長為8～10 mm，可滿足測量要求。本系統(tǒng)選用信號載波頻率f=40 kHz的超聲波測距模塊HC-SR04。

HC-SR04有兩個編程控制I/O口，分別為TRIG和ECHO，編程實現(xiàn)測距的步驟為：

（1）首先TRIG口高電平觸發(fā)測距，給出≤10 μs的高電平信號；

（2）TRIG觸發(fā)后，模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；

（3）若有信號返回，則通過ECHO口輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，讀出定時計數(shù)器時間。測試距離=（高電平時間×聲速（340 m/s））/2。

單片機(jī)的信號采集與處理會出現(xiàn)延時，通過實驗測量，HC-SR04的最小探測距離為2 cm，將4 cm作為車與墻壁的報警提醒距離，則不會出現(xiàn)由于系統(tǒng)誤差導(dǎo)致報警距離失效的情況出現(xiàn)。當(dāng)車與墻壁的距離小于4 cm時，則蜂鳴器發(fā)出2 Hz報警聲，即單片機(jī)將一個2 Hz（高電平持續(xù)和間距時間為500 ms）的方波傳送給蜂鳴器的使能端，2 Hz方波通過定時器控制產(chǎn)生。

2.3 監(jiān)控圖像的處理

為了產(chǎn)生系統(tǒng)需求的CIF格式（或相近格式）圖像且圖像顏色信息質(zhì)量不低于RGB422標(biāo)準(zhǔn)，選擇OV2640作為圖像采集模塊。OV2640是OmniVision公司生產(chǎn)的一顆1/4英寸的CMOS UXGA（1 632×1 232）圖像傳感器，該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片UXGA攝像頭和影像處理器的所有功能，它利用窗縮小方式提供按任何比例縮小的UXGA圖像，這里根據(jù)顯示屏的大小，選用圖像大小為400×300、每秒15幀的圖像。圖像傳感器與STM32通過DCMI接口連接，圖像數(shù)據(jù)利用DMA方式采集到內(nèi)存中。

圖像使用高斯最小頻移鍵控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）調(diào)制方式，這種方式使信號具有低通效應(yīng)，所以設(shè)計中無需在解調(diào)之后加裝低通濾波器。系統(tǒng)本身的電器特征會產(chǎn)生高頻雜波，對圖像產(chǎn)生干擾，使400×300分辨率的圖像內(nèi)產(chǎn)生與原信號不同的噪點，需要用軟件編程方式濾除這些噪點從而矯正圖像，矯正方式如圖1所示。采用均值濾波法修正噪點的顏色信息，即把噪點周圍圖像的顏色信息相加后求均值，將該均值賦給噪點，從而達(dá)到修正圖像的目的。

2.4 紅外人體感應(yīng)報警的實現(xiàn)

自然光包含著各種頻譜的光，利用菲涅爾透鏡從自然光中取出特定區(qū)域頻譜的光，即人體的紅外光，再利用光感探頭將篩選出的光轉(zhuǎn)化成電信號并放大，最終將電信號傳入單片機(jī)內(nèi)，從而實現(xiàn)紅外人體感應(yīng)。

菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高其探測準(zhǔn)確度。當(dāng)有人從菲涅爾透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷交替，從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣使得接收到的紅外信號以強(qiáng)弱交替的脈沖形式輸入，所以只有當(dāng)帶有一定可被探測到的紅外光譜的物體或人正在運(yùn)動時才能被探測到。

本系統(tǒng)選擇HR-SR501模塊實現(xiàn)紅外線人體感應(yīng)功能。HR-SR501模塊由一個菲涅爾透鏡和一個德國原裝進(jìn)口LHI778光感探頭組成，具有全自動感應(yīng)、光敏控制、高靈敏度、溫度補(bǔ)償、雙觸發(fā)方式、支持感應(yīng)封鎖時間、工作電壓范圍寬、微功耗等特點。

HR-SR501有三個端口，分別是兩個電源口和一個OUT信號口，當(dāng)單片機(jī)采集到OUT口有上升沿電平時，開啟定時器中斷并執(zhí)行中斷程序，中斷程序內(nèi)放置蜂鳴器5 Hz聲響警報的控制程序。為了區(qū)分車主和盜竊者，我們在車庫門控制程序處設(shè)置了一個狀態(tài)位OPEN，當(dāng)OPEN值為1時代表車主正在車庫內(nèi)，此時即使OUT輸出上升沿信號，也不會觸發(fā)警報，只有當(dāng)OPEN為0且OUT輸出信號后才會觸發(fā)警報。5 Hz警報同樣用定時計數(shù)器來實現(xiàn)（端口電平變化時間為200 ms）。

2.5 車庫門自動開關(guān)

為確保車庫門打開或關(guān)閉時不發(fā)生損壞，車庫的開關(guān)門必須由一個擁有精確轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)距離的電機(jī)控制，即需要一個步進(jìn)電機(jī)。為了便于研究，本項目使用小型五線四相步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48進(jìn)行模擬，該電機(jī)是一個四端控制一端公共的5V供電步進(jìn)電機(jī)，減速比為1/64，廣泛用于教學(xué)科研中。嵌入式處理器無法直接驅(qū)動這樣的高耗能器件，必須為步進(jìn)電機(jī)增加一個穩(wěn)壓且高電流的驅(qū)動器。在此選用由LN2003驅(qū)動芯片做成的驅(qū)動器，LN2003芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)是8個達(dá)林頓管的列陣，達(dá)林頓管由兩個三極管組成，兩個三極管串聯(lián)。第一個管子的發(fā)射極接第2個管子的基極，所以達(dá)林頓管的放大倍數(shù)是兩個三極管放大倍數(shù)的乘積，具有很高的放大倍數(shù)。集電極開路，能輸出較大的電流（集電極電位高）。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動LN2003連接到單片機(jī)的引腳有四個，分別對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的四個控制端，所以控制電機(jī)的方式也是這四個端口如何獲得電平的方式。這四個端口同時被賦值以控制方向，步進(jìn)電機(jī)的速度由端口兩種賦值間的延時時間決定。endprint

車庫的開關(guān)門設(shè)置一個OPEN狀態(tài)標(biāo)志位，同時還設(shè)置一個ORC（OPEN or CLOSE）狀態(tài)位，該狀態(tài)位的值直接取自nRF24L01無線接收數(shù)據(jù)的第1位，接收的數(shù)據(jù)來自控制板發(fā)送的字串，該字串第一位的值由是否按下開門按鈕決定。當(dāng)按下開門按鈕時，車庫控制核心辨別nRF24L01接收數(shù)據(jù)的第一位數(shù)據(jù)值，為1則開門，并將OPEN設(shè)為1；為0則關(guān)門，同時將OPEN設(shè)為0，從而實現(xiàn)自動門的控制。在開關(guān)門程序失效或無線模塊不工作的情況下，系統(tǒng)將自動打開電磁鎖的繼電器，即使控制系統(tǒng)不工作，車主仍可以使用鑰匙開關(guān)門。

2.6 遙控板

遙控板使用飛思卡爾公司的嵌入式處理器K60作為控制核心，同時，還配置了4個按鈕、1個nRF24L01無線模塊和1個LCD顯示屏。4個按鈕分別對應(yīng)OV2640攝像頭的開關(guān)、超聲波測距警告開關(guān)、紅外人體感應(yīng)報警開關(guān)、車庫門開關(guān)。

攝像頭開啟及其他功能的控制實現(xiàn)與車庫門開關(guān)所用方式相同，即控制按鈕按下后，nRF24L01隨即將發(fā)送字串的第x位置數(shù)，接收端車庫控制核心提取接收字串的第x位數(shù)值并進(jìn)行相應(yīng)控制。顯示屏為一塊4.0英寸TFTLCD屏，具有亮度好、對比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷的特點，控制核心K60通過FSMC（可變靜態(tài)存儲控制器）與其通信。

2.7 系統(tǒng)長時間工作的實現(xiàn)

在由單片機(jī)構(gòu)成的微型計算機(jī)系統(tǒng)中，由于單片機(jī)的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾，造成程序異常而陷入死循環(huán)，導(dǎo)致程序的正常運(yùn)行被打斷，由單片機(jī)控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，使系統(tǒng)陷入停滯狀態(tài)，因此要使整個車庫系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的工作，就必須用到看門狗電路?？撮T狗電路在啟動正常運(yùn)行時系統(tǒng)不能復(fù)位，在系統(tǒng)陷入死循環(huán)的情況下強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位，程序重新執(zhí)行。STM32F407單片機(jī)內(nèi)置了兩種看門狗電路，一種是獨立看門狗，另一種是窗口看門狗。獨立看門狗可使系統(tǒng)得到可靠的檢查糾錯機(jī)制，即使在CPU掉電的情況下依舊可工作，但檢錯時間周期長，精確任務(wù)中的細(xì)微錯誤并不能檢測出來；窗口看門狗和CPU同時工作，其檢錯周期可由開發(fā)人員根據(jù)實際情況任意設(shè)置，適合精確任務(wù)的判錯。智能車庫系統(tǒng)中有很多精確且高速的任務(wù)（比如超聲波測距），所以本系統(tǒng)選擇窗口看門狗進(jìn)行系統(tǒng)檢錯復(fù)位工作。

3 系統(tǒng)測試

3.1 無線通信測試

（1）圖像傳輸正常，其最大傳輸命令或圖像的速度可達(dá)1.92Mb/s。

（2）3 m內(nèi)近距離圖像無明顯失真；9.4 m內(nèi)中距離會導(dǎo)致圖像噪點增多，且部分圖像區(qū)域噪點不可抑制，經(jīng)天線進(jìn)行增益發(fā)射后，噪點可控。

（3）在450 m無建筑物阻擋長遠(yuǎn)距離測試中，圖像失穩(wěn)，但增高發(fā)射天線后，圖像可基本保持穩(wěn)定傳輸，控制指令略有延遲。

3.2 圖像顯示測試

在遙控板的圖像顯示實驗中，我們發(fā)現(xiàn)屏幕長時間顯示后會出現(xiàn)刷新緩慢且圖像拼合（上一幀和下一幀部分重合）的情況，改變刷屏方向和供電電壓特性后，上述現(xiàn)象消失。

3.3 紅外報警測試

菲涅爾透鏡廣角170°，我們將其設(shè)置在3.4 m范圍內(nèi)進(jìn)行人體探測時，可靠的探測區(qū)域面積大約為60 m2，可覆蓋探測整個車庫。但當(dāng)有火源、高溫物體時，探測結(jié)果會出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。

3.4 測距防撞報警結(jié)論

超聲波可實現(xiàn)精確測距，車與墻壁距離在4 cm范圍內(nèi)時，蜂鳴器立即報警。

3.5 開關(guān)門結(jié)論

（1）車庫門的開啟和關(guān)閉過程精確可靠，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度準(zhǔn)確勻速。

（2）在尚未完全閉合時進(jìn)行打開操作，系統(tǒng)略有延遲。

（3）將車庫主控板上的nRF24L01取下時，車庫成功自動給電磁鎖上電。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)雖然總體運(yùn)行正常，但依舊存在許多問題，有待進(jìn)一步優(yōu)化。該系統(tǒng)實現(xiàn)了智能車庫的人性化和便捷化，用戶在安全性和智能化方面得到了保障，基于無線通信控制的家用智能車庫系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計取得了理想的效果。

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