基于Arduino DUE的防跟蹤遇襲報警系統

蘇 琳， 馬子杰， 方穎宏

(重慶大學 光電工程學院，重慶 400044)

基于Arduino DUE的防跟蹤遇襲報警系統

蘇 琳， 馬子杰， 方穎宏

(重慶大學光電工程學院，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，實現跟蹤、遇襲監測，鳴笛警告以及發送定位報警信息等功能。系統以Arduino DUE作為微處理控制系統，熱釋電紅外傳感器作為前端傳感單元，全球定位系統(GPS)模塊和全球移動通信系統/通用無線分組業務(GSM/GPRS)模塊作為定位和通信模塊。介紹了總體方案設計，同時闡述了系統模塊設計，包括硬件設計和軟件算法，給出了測試結果。經多次實驗：系統反應靈敏，抗干擾能力強，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(GPS)模塊； 全球移動通信系統/通用無線分組業務模塊

0 引 言

針對女性失聯遇害案件的預防，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[1～4]。同時研究現狀發現，市場上的家居安防報警系統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，本文設計實現了一種專為女性單獨行走夜路，防跟蹤遇襲的報警系統。該系統實現主動式與被動式兩種監測模式同時工作，主動式監測實時監測系統5m范圍以內環境情況，以鳴笛報警聲與振動提醒使用者，并決定是否報警；被動式監測實時監測系統50cm范圍以內環境情況，接收全球定位系統(global positioning system,GPS)或通用分組無線業務(GPRS)返回定位信息，及時發送報警定位信息。本文基于熱釋電紅外傳感器的工作原理，設計了以Arduino DUE為微處理器的防跟蹤遇襲報警系統。

1 系統總體設計

防跟蹤遇襲報警器以非接觸形式監測人體，并實施聯網報警的設備，主要由監測單元、通信單元、電源驅動單元幾部分組成，各部分的協調工作和數據傳輸由主微控制器Arduino DUE完成。在接收工作指令后，可自動監測使用者身后被檢測范圍內有無人體以及使用者(擁有主動意識)是否報警，并可對被監測人體與使用者的距離進行自動遠近判斷。監測完成后，系統自動獲取定位信息與時間信息，將其打包存儲，自動判斷是否執行報警指令，并自動復位。

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

1.1 硬件設計

防跟蹤遇襲報警系統主要由監測單元、報警單元、電源驅動單元幾部分組成，各部分的協調工作和數據傳輸由主微控制器Arduino DUE完成。以Arduino DUE為微控制器核心，以Arduino IDE為軟件開發環境。分別預設傳感器報警條件，通過數字串口連接實現主控芯片與傳感器之間的數據傳輸，可以控制報警單元振動鳴笛部分的啟動；通過TTL串口實現主控芯片與GSM/GPS之間的數據和指令傳輸；最后通過數字接口連接實現主控芯片與報警單元之間的數據和指令傳輸，實現以經緯度、時間為內容的報警短信發送。同時，報警取消開關設定在傳感器滿足報警條件之后，實現報警功能之前，以實現發生誤報時可及時取消報警的功能。系統結構如圖1。

圖1 系統設計框圖

1.1.1監測單元

監測單元由2只HC—SR501、微型人體感應模塊PIR(PM—2)組成。人體紅外傳感器不需要紅外線或電磁波等發射源；靈敏度高，控制范圍大；隱蔽性好，可流動安裝等優點，其紅外探頭依靠探測人體發射的10μm左右的紅外線而進行工作的[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，監測角度達100°。為了實現180°大范圍遠距離監測，采用2只HC—SR501。監測需實現HC—SR501主動式監測以及PM—2被動式監測2種方式，因此，設計邏輯電路以對目標有無以及遠近進行判斷，真值表如表1。

表1 監測單元真值表

輸出端口TF_flag,D_flag分別為目標有無及遠近的判斷標志位，統一使用數字接口連接與單片機控制器進行數據傳輸，采用浮空輸入(高阻抗輸入)模式，電路如圖2。當HC—SR501與PM—2同時監測到目標時，判斷為被動式監測，滿足條件，實施短信報警；當二者均未監測到目標時，系統自動復位，重新監測。

圖2 監測單元電路

PM—2靜態功耗小，體積小巧，易于安裝。因原靈敏度較高，達1 m，不符合系統需求，需通過調節模塊上分壓阻值使輸出靈敏度最低，實現50 cm范圍以內監測。當Usens=0.15 V時檢測靈敏度最低，監測范圍為50 cm。依照電阻分壓公式

(1)

式中R1,R2為靈敏度調節電阻，可適當選擇調節電阻的阻值，實現靈敏度調節。圖3為調節示意圖。

圖3 PM—2調節

1.1.2 電源驅動單元

根據系統的供電需求，需要3.3 V供給單片機Arduino DUE和5.0 V供給其他單元模塊，且保持供電穩定，多負載穩壓芯片總輸出功率大于各個負載總功率。電源模塊如圖4所示，采用7.5 V直流供電，通過2個帶集成延時復位功能的低壓差穩壓器：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_關及各輸出電壓開關分別串聯一個LED小燈以監控其工作情況。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。

負載總功率滿足

PGPS+PGSM

(5)

則驅動電路輸出功率滿足負載要求。

1.1.3 報警單元

SIM900A與U—BLOX NEO—6M GPS配套工作，可實現室內百度API IP定位[6]與室外GPS定位雙定位模式與短信報警功能，保證系統高可靠性，減少漏洞。SIM900A與U—BLOX NEO—6M GPS統一使用TTL電平的串行協議與單片機之間進行數據傳輸。單片機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向外界發送報警信息，保證報警的可靠性，信息的準確性。1027手機震動馬達與有源蜂鳴器實現系統及時提醒使用者的預防性與引起周圍群眾注意的警示性。

1.2 軟件設計

軟件采用模塊化設計[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。系統上電后進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的設定和初次檢查，同時斷開各模塊的電源。初始化完成后，系統正常運轉，進行人體監測和報警等操作，主程序流程如圖5所示。

為降低報警系統的漏判率與誤判率，監測單元采用周期監測法。系統通過在5 min監測周期內，判斷監測條件滿足的時間是否達到3 min，從而提高監測條件，實現對跟蹤者時隱時現的跟蹤方式進行監測，降低漏判率。

為了保證定位信息準確，對雙定位方式設置優先級。當GPS定位方式可用，而且獲取了定位結果時，不再發起網絡請求，直接返回給單片機定位信息。如果GPS不可用，再發起網絡請求，進行百度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緯度信息[8，9]，并調用谷歌IP獲取地址路徑并實行位置校正，再次對返回JSON格式的信息進行字符串匹配獲取實際地址。

圖5 軟件流程

2 結 論

實踐表明：防遇襲跟蹤報警系統實現了設計要求：實現5 m以內周期性監測，降低誤報率；50 cm以內監測，保證無意識時保護；實現手動報警功能，達到自衛目的；實現實時監測使用者身后危險情況，提高使用者夜行安全。該系統所采用的模塊均高度集成化，又具有一定的通用性，可以作為日常防護報警器使用。經測試，該系統反應靈敏，抗干擾能力強，安全可靠，攜帶方便，運行良好。

[1] 李 冬,梁 山.基于加速度傳感器的老年人跌倒檢測裝置設計[J].傳感器與微系統,2008,27(9):85-88.

[2] 高云峰,周 倫,呂明睿,等.自主移動機器人室內定位方法研究綜述[J].傳感器與微系統,2013,32(12):1-5,9.

[3] 趙 昱,趙德安,趙建波.基于GPRS技術的水質在線監測系統[J].傳感器與微系統,2010,29(7):84-86.

[4] 楊 衛,李 波,孫 喬,張文棟.基于熱釋電紅外傳感技術測距的時間差法研究[J].傳感器與微系統,2013,32(4):37-40.

[5] 劉舒祺,施國梁.基于熱釋電紅外傳感器的報警系統[J].國外電子元器件,2005(3):18-20.

[6] 賈志良.基于嵌入式和百度地圖的定位監控系統的設計與實現[D].包頭：內蒙古大學,2014.

[7] 崔玉玲.基于單片機的室內甲醛測試系統[J].電子設計應用,2007(9):123-124.

[8] 范洪博.快速精確字符串匹配算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2011.

[9] 何 畏.快速精確字符串匹配算法研究[D].合肥：合肥工業大學,2010.

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，專業方向為測控技術與儀器。