基于STM32的智能安防系統(tǒng)

何錦淳 李爵成 李丹

摘 要：針對智能安防的需求，文中設(shè)計(jì)了一款基于STM32微處理器，在FreeRtos上開發(fā)，使用WiFi技術(shù)組網(wǎng)接入云平臺的安防系統(tǒng)。用戶可以在手機(jī)終端監(jiān)控多種傳感器數(shù)據(jù)（溫濕度、火情）和實(shí)時(shí)圖像。針對單片機(jī)優(yōu)化的JPEG壓縮算法在保證圖像質(zhì)量的前提下增加了圖像壓縮比，解決了低價(jià)格MCU內(nèi)存小的問題，并降低了硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

關(guān)鍵詞：STM32F103VET;JPEG編碼;FreeRtos;APP;圖像壓縮比;軟件開發(fā)

中圖分類號：TP216文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-06

0 引 言

隨著社會技術(shù)的發(fā)展，家庭、實(shí)驗(yàn)室、辦公室等對方位安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求愈加凸顯。安防監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)圖像、溫度、濕度和門狀態(tài)等的監(jiān)測與控制，通過及時(shí)觸發(fā)警報(bào)來減少災(zāi)害事故。市面上的監(jiān)控產(chǎn)品是作為單獨(dú)系統(tǒng)出現(xiàn)，僅僅具有視頻監(jiān)控或空氣質(zhì)量和室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測、改善功能?？紤]到火災(zāi)和入侵警報(bào)系統(tǒng)復(fù)雜度高，價(jià)格昂貴，且兩者未集成在一個(gè)系統(tǒng)中，因此文中設(shè)計(jì)了一款基于STM32微處理器的智能安防系統(tǒng)。

系統(tǒng)通過平臺網(wǎng)頁和安卓APP可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開門;通過紅外熱釋傳感器監(jiān)測火情，如果門被強(qiáng)制打開，還將發(fā)出警報(bào)并通過云將通知發(fā)送給住戶手機(jī)APP。該系統(tǒng)適用場景廣泛，安裝方便，無需對原有建筑進(jìn)行改造，且圖像壓縮存儲，大大降低了用戶的維護(hù)成本和管理成本。

1 智能安防系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的基于OneNET的智能安防監(jiān)控系統(tǒng)采用STM32作為主控制器，通過WiFi技術(shù)組網(wǎng)，經(jīng)EDP協(xié)議連接OneNET云服務(wù)器，由用戶端顯示和控制。通過安卓APP進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并由攝像頭采集圖像信息，待編碼后上傳到OneNET云平臺。采用紅外熱釋傳感器檢測火情，將ESP8266作為NodeMCU以檢測門的狀態(tài)[1-2]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32主控芯片

STM32系列ARM Cortex-M3是32位閃存微控制器，其工作時(shí)具有低功率、低電壓、實(shí)時(shí)功能極佳等特點(diǎn)。32位72 MHz CPU的速度基本可滿足本文中圖片壓縮編碼的性能需求，其中13個(gè)通信接口包括USART，SDIO，I2C和SPI等，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的圖像采集、SD卡讀寫和網(wǎng)絡(luò)通信功能[3-4]。電路如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1 OV7725攝像頭

攝像頭模塊內(nèi)部集成有AL422B FIFO芯片，支持輸出的最大圖像為30萬像素，其中單個(gè)像素點(diǎn)RGB分量為

2 B，通過輸出端口DO0～DO7將像素信息傳送至STM32。主控芯片在使用模塊時(shí)通過SCCB對OV7725的寄存器進(jìn)行配置。本系統(tǒng)采用兩線SCCB對OV7725進(jìn)行控制，與I2C總線類似。STM32作為主設(shè)備，OV7725作為從設(shè)備，通過時(shí)鐘線SIO_C和數(shù)據(jù)線SIO_D通信（相當(dāng)于I2C中的CLK和SDA）。攝像頭模塊與STM32的引腳連接如圖3所示。

2.2.2 溫濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骷伴T磁傳感器

DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品的可靠性與長期穩(wěn)定性。單片機(jī)通過I2C總線對其進(jìn)行配置和控制，在本設(shè)計(jì)中使用三線型封裝。

本設(shè)計(jì)中使用的火焰?zhèn)鞲衅骺梢詸z測火焰或者波長在 760～1 100 nm范圍內(nèi)的光源，探測角度約為60°，對火焰光譜較為靈敏。

在本設(shè)計(jì)中，常閉型門磁傳感器與ESP8266連接，作為獨(dú)立于主控的門狀態(tài)檢測和警報(bào)發(fā)出模塊。

2.3 通信模塊

2.3.1 ESP8266

ESP8266系列無線模塊是安信可科技有限公司自主研發(fā)的高性價(jià)比WiFi SoC模組。該系列模組支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/協(xié)議，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧。該模塊用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。ESP8266的頻率高達(dá)160 MHz，外設(shè)齊全，支持通用的AT指令開發(fā)和SDK二次開發(fā)。

2.3.2 ALK8266

ALK8266WiFi是一款靈活、功能強(qiáng)大、高性能、小尺寸的高性價(jià)比802.11b/g/n無線模組。上文所提到的ESP8266通過串口通信，通信受串口波特率的限制，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度無法滿足本系統(tǒng)的需求。ALK8266模組提供了SPI接口，可連接MCU，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端TCP/UDP服務(wù)器的高速通信，最大波特率可達(dá)40 Mb/s，實(shí)測有效吞吐量可達(dá)1 MB/s，適用于高速采集、語音通信及視頻傳輸?shù)葓龊?。該模組與MCU集成方便，占用主機(jī)資源少，同時(shí)還提供豐富、實(shí)用的API庫函數(shù)，用以對模組進(jìn)行配置查詢及高速數(shù)據(jù)收發(fā)。MCU和ALK8266的連接示意如圖4所示，ALK8266WiFi模組主機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 FreeRtos編程

本系統(tǒng)將STM32作為主控進(jìn)行溫濕度、火焰信息、圖片數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。為了更好地進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度，本設(shè)計(jì)引入FreeRtos?；诓僮飨到y(tǒng)的程序設(shè)計(jì)將硬件的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)，只需要為硬件模塊分配任務(wù)及相應(yīng)優(yōu)先級即可，因此可以使得程序代碼變得更簡潔且層次分明。

經(jīng)過移植操作后，在主函數(shù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行硬件初始化與網(wǎng)絡(luò)初始化，創(chuàng)建人物并調(diào)用vTaskStartScheduler（）啟動任務(wù)。

代碼如下：

int main（void）

{

Hardware_Init（）;

while（OneNet_DevLink（））//接入OneNET

mDelay（500）;

xTaskCreate（（TaskFunction_t）ReceiveCmdTask，"ReceiveCmdTask"，ReceiveCmd_Stack，"ReceiveCmdTask"，ReceiveCMd_Priority，&ReceiveCmdTask_Handler）;

//接受命令任務(wù)

xTaskCreate（（TaskFunction_t）Net_Task，"Net_Task"，Net_Task_Stack，"Net_Task"，Net_Task_Priority，&NetTask_Handler）;

//網(wǎng)絡(luò)任務(wù)

xTaskCreate（（TaskFunction_t）CheckSensorTask，"Check_Task"，CheckSensor_Stack，"Check_Task"，CheckSensor_Priority，&CheckSensor_Handler）;//數(shù)據(jù)采集任務(wù)

vTaskStartScheduler（）;

}

3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)備接入

在云平臺上完成設(shè)備創(chuàng)建后，為用戶分配產(chǎn)品ID，設(shè)備ID和API-KEY。設(shè)備通過以太網(wǎng)、WiFi和2G/3G等通信方式連接服務(wù)器，并發(fā)送請求。

連接請求包含3部分，即消息頭、選項(xiàng)和消息體。消息體中可能包含設(shè)備ID、產(chǎn)品ID（可選）、鑒權(quán)信息。數(shù)據(jù)包前12 B由開發(fā)SDK的API填充，用戶只需修改后面的設(shè)備號和API-KEY即可。以本系統(tǒng)上線為例，當(dāng)圖6所示服務(wù)器收到請求確認(rèn)設(shè)備權(quán)限時(shí)，會返回連接反饋{0x20，0x02，0x00，0x00}，表示設(shè)備成功上線[5-6]，如圖7所示。

3.2.2 上傳數(shù)據(jù)和圖片

EDP協(xié)議支持雙向消息傳輸，消息既可以從設(shè)備傳向云，也可以由設(shè)備云傳向設(shè)備。上傳數(shù)據(jù)包由消息頭和消息體組成。本設(shè)計(jì)使用Json格式，如{"temperature"："22"，"humidity"："95%"}。該格式結(jié)構(gòu)簡單，多數(shù)據(jù)傳輸只需按照鍵值對的形式添加到字符串即可。經(jīng)EDP協(xié)議封包后的數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.3 JPEG壓縮編碼實(shí)現(xiàn)

STM32F103獲得OV7725的RGB565圖像信息，這些數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式存儲在FIFO中，通過開啟幀中斷控制取出圖像數(shù)據(jù)。RGB數(shù)據(jù)加上BMP文件頭信息和調(diào)色板信息后就是一張BMP圖片，一張320×240的16位深度的BMP圖大小為225 Kb。為了提高圖片傳輸效率，安防系統(tǒng)中需要對圖像進(jìn)行壓縮以降低圖片數(shù)據(jù)量。在保證圖像顯示效果的前提下，本設(shè)計(jì)引入JpegLib實(shí)現(xiàn)JPEG壓縮。JPEG是一種有損圖像壓縮方法，可以在存儲大小和壓縮程度之間進(jìn)行權(quán)衡，可以針對用戶對畫質(zhì)的需求調(diào)整文件大小，降低了系統(tǒng)硬件的成本消耗[1，7]。算法流程如圖9所示。

系統(tǒng)部分代碼如下：

jpeg_set_default（cinfo，inbuf_buf）;//設(shè)置默認(rèn)參數(shù)

jpeg_start_compress（cinfo）;//開始壓縮，寫壓縮文件頭信息

FIFO_PREPARE;

count=0;

while（cinfo->next_lineimage_height）

{

for（i=0;i

{

READ_FIFO_PIXEL（color）;

cinfo->inbuf[count++]=（u8）（（color&0xf800）>>8）;

cinfo->inbuf[count++]=（u8）（（color&0x07e0）>>3）;

cinfo->inbuf[count++]=（u8）（（color&0x001f）<<3）;

}

cinfo->next_line++;

if（cinfo->next_line%cinfo->inbuf_height==0）

{//當(dāng)數(shù)據(jù)填滿時(shí)壓縮并輸出數(shù)據(jù)（填滿16行）

count=0;

jint_process_rows（cinfo）;//壓縮

memset（（void*）（cinfo->inbuf），0，cinfo->inbuf_size）;

//清空輸入緩沖區(qū)

}

}

jpeg_finish_compress（cinfo）;

4 安卓軟件開發(fā)

該APP主要實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測環(huán)境各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)的實(shí)時(shí)查看，對溫濕度閾值和攝像頭的拍照功能進(jìn)行控制，還可通過手機(jī)控制門的開關(guān)。APP主要包括三大模塊，分別為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊、調(diào)控模塊和歷史數(shù)據(jù)模塊。圖10所示為APP操作功能圖。

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊：支持獲取當(dāng)時(shí)環(huán)境的圖片、火情、門狀態(tài)以及溫濕度和當(dāng)前溫濕度的閾值，可以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，并支持下拉刷新。

（2）調(diào)控模塊：可通過當(dāng)前模塊給設(shè)備發(fā)送命令，從而控制當(dāng)前溫濕度的閾值范圍，并能控制設(shè)備的攝像頭拍照，也能夠通過手機(jī)前置攝像頭拍照功能實(shí)現(xiàn)人臉識別，以控制門鎖的開關(guān)。

（3）歷史數(shù)據(jù)模塊：可實(shí)現(xiàn)對以往各項(xiàng)數(shù)據(jù)的查詢。

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊

該模塊負(fù)責(zé)獲取數(shù)據(jù)并展示給用戶，其界面主要包括上半部分的照片區(qū)域和下半部分的環(huán)境參數(shù)區(qū)域。模塊使用SwipeRefreshLayout實(shí)現(xiàn)下拉刷新功能，使用Retrofit+RaJava網(wǎng)絡(luò)請求框架實(shí)現(xiàn)用GET方法通過由設(shè)備上傳到OneNET平臺上的數(shù)據(jù)流來讀取設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)，并顯示到各數(shù)據(jù)區(qū)域中。圖11與圖12分別為數(shù)據(jù)模塊的界面與從OneNET獲取數(shù)據(jù)的流程。

4.2 調(diào)控模塊

該模塊負(fù)責(zé)對設(shè)備功能的控制，主要包括溫濕度閾值控制、拍照控制和對門開關(guān)的控制。本界面設(shè)計(jì)了TextInputLayout與TextInputEditText的聯(lián)合使用，用戶輸入計(jì)劃改變的溫濕度閾值，然后點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕，通過網(wǎng)絡(luò)請求框架用POST方法給平臺下達(dá)命令，從而控制設(shè)備。調(diào)控界面如圖13所示，對設(shè)備的控制流程如圖14所示。

4.3 歷史數(shù)據(jù)模塊

歷史數(shù)據(jù)模塊負(fù)責(zé)提供對以往環(huán)境參數(shù)的查詢功能。該模塊使用Spinner控件提供要查詢的參數(shù)選擇，設(shè)有三個(gè)EditText用以方便用戶輸入要查詢的日期，同時(shí)還使用RecyclerView來顯示查詢的數(shù)據(jù)。圖15為歷史數(shù)據(jù)模塊界面。

5 系統(tǒng)測試與應(yīng)用

5.1 應(yīng)用測試

智能安防系統(tǒng)上線后，系統(tǒng)定時(shí)上傳數(shù)據(jù)并在平臺Web頁面（圖16）和安卓APP顯示。手機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行的控制均響應(yīng)在1 s之內(nèi)，若WiFi異?；蚍?wù)器異常，則系統(tǒng)會采取相應(yīng)的重連措施，并在LCD顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，如圖17所示。

5.2 網(wǎng)絡(luò)測試

STM32F103在CPU 72 MHz條件下實(shí)測UDP的傳輸速度達(dá)到700～800 Kb/s，TCP傳輸速度達(dá)到650～750 Kb/s，是普通串口WiFi模塊的700倍以上。經(jīng)測試，系統(tǒng)在普通WiFi環(huán)境下不丟包、不多包，不多字節(jié)，穩(wěn)定高速的通信可持續(xù)5 h以上。

5.3 圖片壓縮測試

本次實(shí)驗(yàn)測試在單片機(jī)STM32F103VEt上運(yùn)行JPEG壓縮算法，進(jìn)行圖像壓縮（壓縮一張圖片大概需要2 s）后對達(dá)到實(shí)際圖像品質(zhì)的圖像加以對比分析。

圖18中，原圖是OV7725拍攝的照片，為BMP格式，圖像分辨率為320×240。通過設(shè)置質(zhì)量因子，可以得到不同壓縮程度的照片。質(zhì)量因子越小，壓縮后照片的質(zhì)量越高，壓縮比越小。經(jīng)過反復(fù)測試可知，將質(zhì)量因子設(shè)定為75時(shí)的清晰度和文件大小比較適合本應(yīng)用。

6 結(jié) 語

本文利用STM32F103VET通過ALK8266模塊實(shí)現(xiàn)了安防系統(tǒng)與OneNET云平臺的對接，通過客戶端對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制，可以在有人闖入或者發(fā)生火情時(shí)及時(shí)向用戶發(fā)出警報(bào)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了圖片的壓縮算法，大大降低了帶寬要求和傳輸延時(shí)。該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定，成本低，適用于大部分安防情景。基于云平臺的智能安防系統(tǒng)還可以在智能家居網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對家中老人和小孩的監(jiān)控。

注：本文通訊作者為李丹。

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