蘇 琳， 馬子杰， 方穎宏

(重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400044)

基于Arduino DUE的防跟蹤遇襲報警系統(tǒng)

蘇 琳， 馬子杰， 方穎宏

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶400044)

介紹了一種集被動式與主動式于一體的防跟蹤遇襲報警系統(tǒng)，實現(xiàn)跟蹤、遇襲監(jiān)測，鳴笛警告以及發(fā)送定位報警信息等功能。系統(tǒng)以Arduino DUE作為微處理控制系統(tǒng)，熱釋電紅外傳感器作為前端傳感單元，全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊和全球移動通信系統(tǒng)/通用無線分組業(yè)務(wù)(GSM/GPRS)模塊作為定位和通信模塊。介紹了總體方案設(shè)計，同時闡述了系統(tǒng)模塊設(shè)計，包括硬件設(shè)計和軟件算法，給出了測試結(jié)果。經(jīng)多次實驗：系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，同時具備攜帶方便的特點。

被動式與主動式報警器； 熱釋電紅外傳感器； 全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊； 全球移動通信系統(tǒng)/通用無線分組業(yè)務(wù)模塊

0 引 言

針對女性失聯(lián)遇害案件的預(yù)防，市場上主動式報警器已不足夠滿足廣大客戶的需求，正迫切需求集被動式與主動式于一體的防跟蹤遇襲報警系統(tǒng)[1～4]。同時研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，市場上的家居安防報警系統(tǒng)具有誤報率漏報率較高、可靠性差、且形式單一，安裝固定等缺點。因此，本文設(shè)計實現(xiàn)了一種專為女性單獨行走夜路，防跟蹤遇襲的報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)主動式與被動式兩種監(jiān)測模式同時工作，主動式監(jiān)測實時監(jiān)測系統(tǒng)5m范圍以內(nèi)環(huán)境情況，以鳴笛報警聲與振動提醒使用者，并決定是否報警；被動式監(jiān)測實時監(jiān)測系統(tǒng)50cm范圍以內(nèi)環(huán)境情況，接收全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)或通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)返回定位信息，及時發(fā)送報警定位信息。本文基于熱釋電紅外傳感器的工作原理，設(shè)計了以Arduino DUE為微處理器的防跟蹤遇襲報警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

防跟蹤遇襲報警器以非接觸形式監(jiān)測人體，并實施聯(lián)網(wǎng)報警的設(shè)備，主要由監(jiān)測單元、通信單元、電源驅(qū)動單元幾部分組成，各部分的協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)傳輸由主微控制器Arduino DUE完成。在接收工作指令后，可自動監(jiān)測使用者身后被檢測范圍內(nèi)有無人體以及使用者(擁有主動意識)是否報警，并可對被監(jiān)測人體與使用者的距離進(jìn)行自動遠(yuǎn)近判斷。監(jiān)測完成后，系統(tǒng)自動獲取定位信息與時間信息，將其打包存儲，自動判斷是否執(zhí)行報警指令，并自動復(fù)位。

系統(tǒng)的設(shè)計思路為：主動式和被動式監(jiān)測分別選用不同性能指標(biāo)的紅外線熱釋電傳感器，以滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求。采用傳感器HC—SR501作為主動式監(jiān)測傳感器，采用型號為PM—2的低靈敏度檔微型人體紅外感應(yīng)傳感器模塊作為被動式監(jiān)測傳感器。

1.1 硬件設(shè)計

防跟蹤遇襲報警系統(tǒng)主要由監(jiān)測單元、報警單元、電源驅(qū)動單元幾部分組成，各部分的協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)傳輸由主微控制器Arduino DUE完成。以Arduino DUE為微控制器核心，以Arduino IDE為軟件開發(fā)環(huán)境。分別預(yù)設(shè)傳感器報警條件，通過數(shù)字串口連接實現(xiàn)主控芯片與傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以控制報警單元振動鳴笛部分的啟動；通過TTL串口實現(xiàn)主控芯片與GSM/GPS之間的數(shù)據(jù)和指令傳輸；最后通過數(shù)字接口連接實現(xiàn)主控芯片與報警單元之間的數(shù)據(jù)和指令傳輸，實現(xiàn)以經(jīng)緯度、時間為內(nèi)容的報警短信發(fā)送。同時，報警取消開關(guān)設(shè)定在傳感器滿足報警條件之后，實現(xiàn)報警功能之前，以實現(xiàn)發(fā)生誤報時可及時取消報警的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.1.1監(jiān)測單元

監(jiān)測單元由2只HC—SR501、微型人體感應(yīng)模塊PIR(PM—2)組成。人體紅外傳感器不需要紅外線或電磁波等發(fā)射源；靈敏度高，控制范圍大；隱蔽性好，可流動安裝等優(yōu)點，其紅外探頭依靠探測人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的[5]，增加菲涅耳透鏡，使熱釋電人體紅外傳感器(PIR)靈敏度大大增加，監(jiān)測角度達(dá)100°。為了實現(xiàn)180°大范圍遠(yuǎn)距離監(jiān)測，采用2只HC—SR501。監(jiān)測需實現(xiàn)HC—SR501主動式監(jiān)測以及PM—2被動式監(jiān)測2種方式，因此，設(shè)計邏輯電路以對目標(biāo)有無以及遠(yuǎn)近進(jìn)行判斷，真值表如表1。

表1 監(jiān)測單元真值表

輸出端口TF_flag,D_flag分別為目標(biāo)有無及遠(yuǎn)近的判斷標(biāo)志位，統(tǒng)一使用數(shù)字接口連接與單片機(jī)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用浮空輸入(高阻抗輸入)模式，電路如圖2。當(dāng)HC—SR501與PM—2同時監(jiān)測到目標(biāo)時，判斷為被動式監(jiān)測，滿足條件，實施短信報警；當(dāng)二者均未監(jiān)測到目標(biāo)時，系統(tǒng)自動復(fù)位，重新監(jiān)測。

圖2 監(jiān)測單元電路

PM—2靜態(tài)功耗小，體積小巧，易于安裝。因原靈敏度較高，達(dá)1 m，不符合系統(tǒng)需求，需通過調(diào)節(jié)模塊上分壓阻值使輸出靈敏度最低，實現(xiàn)50 cm范圍以內(nèi)監(jiān)測。當(dāng)Usens=0.15 V時檢測靈敏度最低，監(jiān)測范圍為50 cm。依照電阻分壓公式

(1)

式中R1,R2為靈敏度調(diào)節(jié)電阻，可適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)電阻的阻值，實現(xiàn)靈敏度調(diào)節(jié)。圖3為調(diào)節(jié)示意圖。

圖3 PM—2調(diào)節(jié)

1.1.2 電源驅(qū)動單元

根據(jù)系統(tǒng)的供電需求，需要3.3 V供給單片機(jī)Arduino DUE和5.0 V供給其他單元模塊，且保持供電穩(wěn)定，多負(fù)載穩(wěn)壓芯片總輸出功率大于各個負(fù)載總功率。電源模塊如圖4所示，采用7.5 V直流供電，通過2個帶集成延時復(fù)位功能的低壓差穩(wěn)壓器：TPS7333(3.3 V)和TPS7350(5.0 V)，分別控制輸出3.3 V和5.0 V電壓?？傠妷洪_關(guān)及各輸出電壓開關(guān)分別串聯(lián)一個LED小燈以監(jiān)控其工作情況。輸出端引出一個3.3 V和一個5.0 V以備使用。

圖4 電源模塊原理

TPS7350總功率計算

PTotal=(Vi-Vo)×Io+Vi×Istatic

(2)

GSM工作功率計算

PGSM=VGSM×IGSM

(3)

GPS功率計算

PGPS=VGPS×IGPS

(4)

紅外線傳感器工作電流極低，因此，功耗可以忽略。

負(fù)載總功率滿足

PGPS+PGSM

(5)

則驅(qū)動電路輸出功率滿足負(fù)載要求。

1.1.3 報警單元

SIM900A與U—BLOX NEO—6M GPS配套工作，可實現(xiàn)室內(nèi)百度API IP定位[6]與室外GPS定位雙定位模式與短信報警功能，保證系統(tǒng)高可靠性，減少漏洞。SIM900A與U—BLOX NEO—6M GPS統(tǒng)一使用TTL電平的串行協(xié)議與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)實時接收通信模塊傳回的定位信息，并打包存儲，在滿足條件下，通過SIM900A向外界發(fā)送報警信息，保證報警的可靠性，信息的準(zhǔn)確性。1027手機(jī)震動馬達(dá)與有源蜂鳴器實現(xiàn)系統(tǒng)及時提醒使用者的預(yù)防性與引起周圍群眾注意的警示性。

1.2 軟件設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計[7]。全部軟件由初始化程序、主程序、信息采集子程序、報警程序、振動器與蜂鳴器控制程序組成。主程序是控制和管理的核心。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化和中斷處理操作。初始化主要完成對各通信串口的配置及波特率等參數(shù)的設(shè)定和初次檢查，同時斷開各模塊的電源。初始化完成后，系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，進(jìn)行人體監(jiān)測和報警等操作，主程序流程如圖5所示。

為降低報警系統(tǒng)的漏判率與誤判率，監(jiān)測單元采用周期監(jiān)測法。系統(tǒng)通過在5 min監(jiān)測周期內(nèi)，判斷監(jiān)測條件滿足的時間是否達(dá)到3 min，從而提高監(jiān)測條件，實現(xiàn)對跟蹤者時隱時現(xiàn)的跟蹤方式進(jìn)行監(jiān)測，降低漏判率。

為了保證定位信息準(zhǔn)確，對雙定位方式設(shè)置優(yōu)先級。當(dāng)GPS定位方式可用，而且獲取了定位結(jié)果時，不再發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求，直接返回給單片機(jī)定位信息。如果GPS不可用，再發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求，進(jìn)行百度API IP定位。在百度API IP定位中，采用字符串匹配算法獲取定位經(jīng)緯度信息[8，9]，并調(diào)用谷歌IP獲取地址路徑并實行位置校正，再次對返回JSON格式的信息進(jìn)行字符串匹配獲取實際地址。

圖5 軟件流程

2 結(jié) 論

實踐表明：防遇襲跟蹤報警系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)計要求：實現(xiàn)5 m以內(nèi)周期性監(jiān)測，降低誤報率；50 cm以內(nèi)監(jiān)測，保證無意識時保護(hù)；實現(xiàn)手動報警功能，達(dá)到自衛(wèi)目的；實現(xiàn)實時監(jiān)測使用者身后危險情況，提高使用者夜行安全。該系統(tǒng)所采用的模塊均高度集成化，又具有一定的通用性，可以作為日常防護(hù)報警器使用。經(jīng)測試，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，攜帶方便，運行良好。

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AntitrackingattackwarningsystembasedonArduinoDUE

SU Lin, MA Zi-jie, FANG Ying-hong

(SchoolofOptoElectronicEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

A kind of passive and active anti-tracking attack alarm system is described to achieve monitoring whether someone are tracking or attacking,issue a whistle warning and send positioning alarm information and other functions.The system uses Arduino DUE as microprocessor control system,pyroelectric infrared sensor as front sensing unit,GPS module and GSM / GPRS module as positioning and communication module.Overall design of program is introduced,and design of system module is expatiated,which includes hardware design and software algorithm,and test results is given.After several experiments,the system is responsive,it has strong anti-interference ability,safe and reliable,at the same time,it is easy to carry.

passive and active alarm; pyroelectric infrared sensor; GPS module; GSM/GPRS module

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0105—03

2016—09—06

TP 391

B

1000—9787(2017)10—0105—03

蘇 琳(1994-)，女，本科，專業(yè)方向為測控技術(shù)與儀器。