賈夢澤，馬敬文，張笑迪，李姿景，鄧穎，李誠玉

黃河科技學院，河南鄭州 450003

0 引言

隨著社會主義新農(nóng)村建設(shè)的進一步推進，以及國家一系列支持“三農(nóng)”政策的落實，農(nóng)村的面貌發(fā)生了翻天覆地的變化，農(nóng)民的物質(zhì)和精神生活日益豐富，生活條件得到極大改善。財富在農(nóng)村的迅速增長也使得違法犯罪分子逐漸把目標鎖定在了廣大的農(nóng)村地區(qū)。與此同時，農(nóng)村家庭“空巢化”特點凸顯，加之技術(shù)防范手段落后，警力不足，導致農(nóng)村入室盜竊、搶劫等案件多發(fā)。農(nóng)村盜竊案件發(fā)案率居高不下，給原本防范就較為薄弱的農(nóng)村地區(qū)的社會治安帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。潘杰等人[1]發(fā)表的《農(nóng)村家庭中簡易防盜報警器的應(yīng)用探究》一文中表明，現(xiàn)在農(nóng)村依然存在教育水平相對較低的實際情況，且多數(shù)青壯年外出打工導致家中多是老人和孩子。所以，價格昂貴、操作不便的高級防盜報警器在農(nóng)村是不實用的，相反，功能簡單、性能可靠的簡易防盜報警器在農(nóng)村家庭中更有實用價值。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主控選擇STM32F103C8T6，OLED 顯示屏，GSM 模塊使用GA6-B，語音播報模塊使用SYN6288，光敏電阻傳感器，紅外傳感器，壓力檢測模塊由應(yīng)變式壓力傳感器和HX711 信號處理芯片組成，測量環(huán)境光照強度，當光照強度高于閾值時，LED 燈關(guān)閉，低于閾值時，LED 打開，按鍵設(shè)置布防或撤防，當布防時，紅外傳感器和壓力傳感器同時有信號則進行聲音報警，語音播報“請盡快離開”，且紅LED 燈亮，同時向預(yù)設(shè)手機號發(fā)送報警短信。

本系統(tǒng)實現(xiàn)當紅外信號和光照信號同時輸入時，系統(tǒng)進行語音報警并進行短信報警，且通過光照強度檢測控制燈的亮滅。產(chǎn)品功能簡單實用、性能可靠，且價格相對便宜、操作方便，在農(nóng)村家庭中有較大的實用價值。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊電路圖如圖2 所示。主控模塊[2]由濾波穩(wěn)壓電路、時鐘電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、USB 電源電路、SWD 調(diào)試接口電路和STM32F103C8T6 芯片組成。本次設(shè)計中使用芯片I/O 口接收紅外感應(yīng)電路、光照檢測電路和壓力檢測電路發(fā)來的信號，通過芯片對獲取信號的計算來控制報警及開燈。

2.2 紅外檢測模塊

紅外檢測模塊電路圖如圖3 所示。紅外檢測模塊的功能是檢測是否有人員進入，主要使用紅外線傳感器，將CPU的PA3 引腳作為該傳感器輸入引腳并設(shè)置為上拉輸入模式，當模塊檢測到前方障礙物信號時，PA3 端口持續(xù)輸出低電平信號。PA4 將輸出高電平，PA4 與LDE 燈D2 連接，電路板上D2 點亮。

2.3 光照檢測模塊

光照檢測模塊電路圖如圖4 所示。光照檢測模塊功能是為感應(yīng)開燈功能提供光照強度的檢測。光敏電阻模塊對環(huán)境光線敏感，用來檢測周圍環(huán)境光線的亮度，觸發(fā)單片機。當在環(huán)境光線亮度達不到設(shè)定閾值時，DO 端輸出高電平，當外界環(huán)境光線亮度超過設(shè)定閾值時，DO 端輸出低電平。DO 輸出端可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低。

將光敏電阻的AO 接入CPU 的PA2 端口。在CPU上配置ADC 模塊，設(shè)置使用PA2 端口進行采樣。 配置ADC 時鐘分頻為PCLK2/6，設(shè)置ADC 工作模式為獨立模式，非掃描模式，非連續(xù)模式，并禁用外部觸發(fā)。采樣速率為ADC 時鐘頻率除以采樣時間，即為72 MHz/239.5=300 kHz。采樣精度為12 位，即可以表示0 ～4 095 的數(shù)字量。采樣間隔為5 ms，即每采集一次數(shù)據(jù)需要等待5 ms的時間間隔。根據(jù)指定的通道和轉(zhuǎn)換次數(shù)，對每次ADC1 規(guī)則組的轉(zhuǎn)換結(jié)果進行求和，并在每次轉(zhuǎn)換后進行延時5 ms。最終返回該結(jié)果的平均值。

2.4 壓力檢測模塊

壓力檢測模塊電路圖如圖5 所示。壓力檢測模塊[3]功能是檢測人員進入情況，與紅外檢測模塊協(xié)同工作，防止誤報，主要由應(yīng)變式壓力傳感器和HX711壓力信號處理芯片組成。該芯片內(nèi)部包含穩(wěn)壓電源、時鐘振蕩電路等其他類似芯片所必需的外圍電路，集成度高，響應(yīng)時間短，抗干擾能力強。選擇該芯片可以降低整機成本，并對整機的可靠性有一定的保證。

設(shè)置PB0 和PB1 兩個I/O 口，用來分別連接HX711 芯片的SCL 和SDA 引腳。經(jīng)過初始化后，CPU 可以通過PB0 端口和PB1 端口讀取HX711 芯片輸出的數(shù)據(jù)，該程序通過AD 轉(zhuǎn)換將讀取到的數(shù)據(jù)和已知的標定數(shù)據(jù)進行比較，就可以得到物體的準確重量。

2.5 短信報警模塊

短信報警模塊電路圖如圖6 所示。短信報警模塊[4]功能是實現(xiàn)向上位機發(fā)送報警短信，主要由芯片GA6-B 及其外圍電路構(gòu)成。GA6-B 具有廣域覆蓋、永遠在線、按量計費、高速傳輸、價格便宜的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

將GA6-B 和CPU 的VCC、GND 以及UART 串口相連。GA6-B 的TXD 引腳接CPU 的PB11 引腳，GA6-B 的RXD 引腳接CPU 的PB10 引腳。在CPU 的代碼中，通過配置UART 串口通信參數(shù)，包括波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位等參數(shù)，確保與GA6-B 一致。向GA6-B 發(fā)送AT 指令。發(fā)送AT 指令需要使用CPU 的PB11 引腳，將AT 指令以字符串的形式發(fā)送給GA6-B。GA6-B 收到AT 指令后，會根據(jù)指令完成相應(yīng)的操作或者返回相關(guān)的信息。CPU 通過PB10 引腳接收GA6-B 發(fā)送的響應(yīng)消息，GA6-B 和CPU 可以通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?；谕ㄐ艆f(xié)議，可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸、接收命令等功能。

2.6 語音播報模塊

語音報警模塊電路圖如圖7 所示。語音播報模塊[5]的功能是發(fā)出語音報警信號，主要使用SYN6288 語音合成芯片構(gòu)成。SYN6288 是采用PSOLA 拼接合成技術(shù)的一款語音合成芯片。SYN6288 通過異步串口通信方式接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換，可直接通過PWM 輸出方式驅(qū)動揚聲器或外接功率放大電路驅(qū)動揚聲器，進行語音輸出。

SYN6288 模塊可以通過串口進行通信，因此需要將其與STM32F103C8T6 的USARTx端口連接，可以將SYN6288 的TXD 引腳連接到CPU 的USARTX 的PA10 引腳，同時將SYN6288 的RXD 引腳連接到CPU 的USARTX 的PA9引腳。此外，還需要將SYN6288 的VCC 引腳連接到CPU 的5 V 電源引腳，將GND 引腳連接到CPU 的地引腳。將USART1 進行串口初始化，包括GPIO 引腳配置、USART 初始化和中斷配置。當收到USART1_RXNE中斷時，讀取串口1，接收寄存器（USART1->DR）中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收狀態(tài)（USART_RX_STA）的不同進行相應(yīng)處理。接收狀態(tài)包括3 個部分：接收完成標志（USART_RX_STA 的最高位為1 表示接收完成）、接收到0x0d（回車符）標志（USART_RX_STA 的第14 位為1 表示接收到了回車符）、接收到的有效字節(jié)數(shù)（USART_RX_STA 的第13 位表示接收到的有效字節(jié)數(shù)，最大為USART_REC_LEN-1）。當接收未完成時，根據(jù)接收狀態(tài)進行相應(yīng)處理。如果接收到了回車符，則設(shè)置接收到回車符標志位，否則將接收到的數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，并更新接收狀態(tài)。當接收完成時，設(shè)置接收完成標志，以便上層應(yīng)用程序進行后續(xù)處理。若接收出錯（接收到的數(shù)據(jù)中沒有回車符或者接收到回車符后沒有接收到0x0a），則重置接收狀態(tài)，以便重新開始接收。

3 軟件設(shè)計

程序流程圖如圖8 所示。當主控芯片接收到啟動信號后，系統(tǒng)會進行復(fù)位初始化，并進入系統(tǒng)待機狀態(tài)。此時，主控芯片會等待傳感器信號產(chǎn)生的中斷觸發(fā)。如果沒有傳感器信號產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)會一直等待；而如果有傳感器信號觸發(fā)中斷，系統(tǒng)會進入觸發(fā)語音警報服務(wù)程序。

在警報狀態(tài)中，主控芯片會向用戶手機端發(fā)送報警短信，提醒用戶有異常情況發(fā)生，同時，語音警報服務(wù)程序會播放警報聲音，以提醒周圍的人注意。

當警報解除后，需要按下停止警報按鈕才能停止警報。此時，主控芯片會等待按下復(fù)位按鈕來重新進行系統(tǒng)初始化，并重新進入等待中斷觸發(fā)的狀態(tài)。

在系統(tǒng)運行過程中，主控芯片會不斷檢測傳感器信號，如果有傳感器信號觸發(fā)中斷，警報狀態(tài)會再次啟動，否則，系統(tǒng)將一直保持等待中斷觸發(fā)狀態(tài)。

4 調(diào)試及結(jié)果

4.1 產(chǎn)品模塊說明

產(chǎn)品的各功能模塊如圖9 所示。本產(chǎn)品經(jīng)測試，功能均可正常使用，主要分為以下功能：壓力檢測功能由應(yīng)變式壓力傳感器實現(xiàn)；光照檢測功能由光敏電阻傳感器實現(xiàn)；紅外檢測功能由紅外傳感器實現(xiàn)；短信報警功能由GSM 通信模塊實現(xiàn)；語音報警功能由SYN6288 語音報警模塊實現(xiàn)；主控STM32F103C8T6實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制與管理；OLED 屏實現(xiàn)了工作狀態(tài)的實時顯示；撤防布防按鍵實現(xiàn)了系統(tǒng)工作狀態(tài)的切換。

4.2 產(chǎn)品功能測試

4.2.1 使用說明

（1）當系統(tǒng)通過USB 正常供電后，會播報系統(tǒng)提示音，系統(tǒng)開始初始化，各個模塊正常工作，系統(tǒng)默認撤防狀態(tài)；

（2）按下布防按鈕，系統(tǒng)各個模塊開始工作，紅外檢測模塊開始自動檢測范圍內(nèi)的人體，當有人進入檢測范圍，紅外信號輸入；

（3）壓力檢測模塊進入檢測狀態(tài)，所承受壓力超過設(shè)定閾值時，壓力信號輸入；

（4）當兩者同時輸入時，觸發(fā)語音報警“請盡快離開”，GSM 發(fā)送報警信息“warning”至用戶手機；

（5）當亮度低于一定程度時，系統(tǒng)自動開燈，補充光照；

（6）按下按鍵，實現(xiàn)布防與撤防的轉(zhuǎn)換，當處于撤防狀態(tài)時，模塊正常運行，但當有人闖入時，不會觸發(fā)語音報警和GSM 的報警信息發(fā)送；

（7）撤防狀態(tài)下，屏幕顯示當前的光照強度與設(shè)定的光照閾值；布防狀態(tài)下，屏幕顯示壓力信號與紅外信號的輸入狀態(tài)。

4.2.2 產(chǎn)品運行演示

（1）當有人闖入時，手機收到的短信如圖10所示；

（2）撤防狀態(tài)下，屏幕顯示如圖 11 所示，布防狀態(tài)下，屏幕顯示如圖12 所示；

（3）表1、表2 分別是撤防與布防時的產(chǎn)品測試結(jié)果。

表1 撤防功能測試數(shù)據(jù)表格

表2 布防功能測試數(shù)據(jù)表格

經(jīng)過測試，感應(yīng)LED 燈在有光照信號輸入時，在布防狀態(tài)下和撤防狀態(tài)下均會點亮。布防狀態(tài)下，只有在壓力信號和紅外信號同時輸入時才會發(fā)出短信報警、語音報警及LED 警報，這個現(xiàn)象說明了系統(tǒng)運行正常，可以對外界環(huán)境進行有效地檢測和響應(yīng)。

產(chǎn)品可靠性測試如圖13 所示。系統(tǒng)連續(xù)測試100次的結(jié)果可以充分驗證其可靠性和穩(wěn)定性。

值得注意的是，在撤防狀態(tài)下，系統(tǒng)不會發(fā)出任何警報或控制燈光的開關(guān)狀態(tài)，因此產(chǎn)生的所有信號都將被忽略。具體來說，當系統(tǒng)接收到來自壓力電路和紅外感應(yīng)電路的信號后，系統(tǒng)會經(jīng)過比較運算后判斷是否超過了預(yù)設(shè)的閾值，如果超過閾值，則會觸發(fā)報警機制?？梢钥紤]加入WiFi 無線通信模塊，以便與智能物聯(lián)接軌實現(xiàn)市場大眾化。

因此，系統(tǒng)運行正常、短信報警、語音報警及其LED 燈報警在布防狀態(tài)下時，壓力信號與紅外信號同時輸入時才會發(fā)出報警信號，這說明系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計是有效的，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境進行有效地檢測和響應(yīng)，從而起到保護人身安全和家庭財產(chǎn)的作用。

5 結(jié)束語

當前，安防系統(tǒng)主要有以下幾種：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、防盜報警系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)等。這些安防系統(tǒng)的特點包括實時性、可遠程訪問、自動報警、身份認證、記錄和保護等，但是對于農(nóng)村來說，實用性較小，操作繁瑣，尤其不適合老年人。

本系統(tǒng)采用的STM32F103C8T6 單片機控制器擁有強大的處理能力，且能夠為多個外設(shè)提供時間同步，避免了因為外設(shè)口信號不同步而帶來的數(shù)據(jù)錯誤問題。搭配光照檢測模塊、紅外檢測模塊、壓力檢測模塊、語音報警模塊、GSM、OLED 模塊和電源模塊等多種組件， 實現(xiàn)了基于數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)的智能安防系統(tǒng)設(shè)計。產(chǎn)品設(shè)計理念簡單，組件使用普及，生產(chǎn)成本較低，外觀簡潔，操作易學易用。

經(jīng)過多次測試和驗證，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，能夠長時間運行而不會出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰、數(shù)據(jù)丟失等情況，同時具備功能實用、價格低廉、用戶易操作、系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

本項目特色明顯，主要針對數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)中的智能安防，功能上刪繁就簡，操作方便，檢測率高，實用性強，讓鄉(xiāng)村老人孩子消除了對這個電子產(chǎn)品“玩不轉(zhuǎn)”的心理障礙。

此外，本產(chǎn)品可拓展性強，不僅可以應(yīng)用于單家單戶，隨著市場化的推進，只要做簡單的升級改造，就可以聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具有較好的市場前景。