基于STM32的智能安防系統

何錦淳 李爵成 李丹

摘 要：針對智能安防的需求，文中設計了一款基于STM32微處理器，在FreeRtos上開發，使用WiFi技術組網接入云平臺的安防系統。用戶可以在手機終端監控多種傳感器數據（溫濕度、火情）和實時圖像。針對單片機優化的JPEG壓縮算法在保證圖像質量的前提下增加了圖像壓縮比，解決了低價格MCU內存小的問題，并降低了硬件設計復雜度。

關鍵詞：STM32F103VET;JPEG編碼;FreeRtos;APP;圖像壓縮比;軟件開發

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

0 引 言

隨著社會技術的發展，家庭、實驗室、辦公室等對方位安全監控系統的需求愈加凸顯。安防監控系統能夠實現圖像、溫度、濕度和門狀態等的監測與控制，通過及時觸發警報來減少災害事故。市面上的監控產品是作為單獨系統出現，僅僅具有視頻監控或空氣質量和室內環境的監測、改善功能。考慮到火災和入侵警報系統復雜度高，價格昂貴，且兩者未集成在一個系統中，因此文中設計了一款基于STM32微處理器的智能安防系統。

系統通過平臺網頁和安卓APP可以進行實時監控與控制，并實現遠程開門;通過紅外熱釋傳感器監測火情，如果門被強制打開，還將發出警報并通過云將通知發送給住戶手機APP。該系統適用場景廣泛，安裝方便，無需對原有建筑進行改造，且圖像壓縮存儲，大大降低了用戶的維護成本和管理成本。

1 智能安防系統方案設計

文中設計的基于OneNET的智能安防監控系統采用STM32作為主控制器，通過WiFi技術組網，經EDP協議連接OneNET云服務器，由用戶端顯示和控制。通過安卓APP進行實時監控，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[1-2]。系統設計方案如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 STM32主控芯片

STM32系列ARM Cortex-M3是32位閃存微控制器，其工作時具有低功率、低電壓、實時功能極佳等特點。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個通信接口包括USART，SDIO，I2C和SPI等，實現了系統的圖像采集、SD卡讀寫和網絡通信功能[3-4]。電路如圖2所示。

2.2 數據采集模塊

2.2.1 OV7725攝像頭

攝像頭模塊內部集成有AL422B FIFO芯片，支持輸出的最大圖像為30萬像素，其中單個像素點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通過SCCB對OV7725的寄存器進行配置。本系統采用兩線SCCB對OV7725進行控制，與I2C總線類似。STM32作為主設備，OV7725作為從設備，通過時鐘線SIO_C和數據線SIO_D通信（相當于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、火焰傳感器及門磁傳感器

DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品的可靠性與長期穩定性。單片機通過I2C總線對其進行配置和控制，在本設計中使用三線型封裝。

本設計中使用的火焰傳感器可以檢測火焰或者波長在 760～1 100 nm范圍內的光源，探測角度約為60°，對火焰光譜較為靈敏。

在本設計中，常閉型門磁傳感器與ESP8266連接，作為獨立于主控的門狀態檢測和警報發出模塊。

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的高性價比WiFi SoC模組。該系列模組支持標準的IEEE802.11b/g/協議，內置完整的TCP/IP協議棧。該模塊用以實現設備的聯網，也可以構建獨立的網絡控制器。ESP8266的頻率高達160 MHz，外設齊全，支持通用的AT指令開發和SDK二次開發。

2.3.2 ALK8266

ALK8266WiFi是一款靈活、功能強大、高性能、小尺寸的高性價比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，網絡傳輸速度無法滿足本系統的需求。ALK8266模組提供了SPI接口，可連接MCU，實現與遠端TCP/UDP服務器的高速通信，最大波特率可達40 Mb/s，實測有效吞吐量可達1 MB/s，適用于高速采集、語音通信及視頻傳輸等場合。該模組與MCU集成方便，占用主機資源少，同時還提供豐富、實用的API庫函數，用以對模組進行配置查詢及高速數據收發。MCU和ALK8266的連接示意如圖4所示，ALK8266WiFi模組主機系統架構如圖5所示。

3 系統軟件設計

3.1 FreeRtos編程

本系統將STM32作為主控進行溫濕度、火焰信息、圖片數據采集等任務。為了更好地進行多任務調度，本設計引入FreeRtos。基于操作系統的程序設計將硬件的控制權轉交給操作系統，只需要為硬件模塊分配任務及相應優先級即可，因此可以使得程序代碼變得更簡潔且層次分明。

經過移植操作后，在主函數設計中進行硬件初始化與網絡初始化，創建人物并調用vTaskStartScheduler（）啟動任務。

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

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

//網絡任務

xTaskCreate（（TaskFunction_t）CheckSensorTask，"Check_Task"，CheckSensor_Stack，"Check_Task"，CheckSensor_Priority，&CheckSensor_Handler）;//數據采集任務

vTaskStartScheduler（）;

}

3.2 網絡傳輸軟件設計

3.2.1 設備接入

在云平臺上完成設備創建后，為用戶分配產品ID，設備ID和API-KEY。設備通過以太網、WiFi和2G/3G等通信方式連接服務器，并發送請求。

連接請求包含3部分，即消息頭、選項和消息體。消息體中可能包含設備ID、產品ID（可選）、鑒權信息。數據包前12 B由開發SDK的API填充，用戶只需修改后面的設備號和API-KEY即可。以本系統上線為例，當圖6所示服務器收到請求確認設備權限時，會返回連接反饋{0x20，0x02，0x00，0x00}，表示設備成功上線[5-6]，如圖7所示。

3.2.2 上傳數據和圖片

EDP協議支持雙向消息傳輸，消息既可以從設備傳向云，也可以由設備云傳向設備。上傳數據包由消息頭和消息體組成。本設計使用Json格式，如{"temperature"："22"，"humidity"："95%"}。該格式結構簡單，多數據傳輸只需按照鍵值對的形式添加到字符串即可。經EDP協議封包后的數據報結構如圖8所示。

3.3 JPEG壓縮編碼實現

STM32F103獲得OV7725的RGB565圖像信息，這些數據以數組的形式存儲在FIFO中，通過開啟幀中斷控制取出圖像數據。RGB數據加上BMP文件頭信息和調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，安防系統中需要對圖像進行壓縮以降低圖片數據量。在保證圖像顯示效果的前提下，本設計引入JpegLib實現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行權衡，可以針對用戶對畫質的需求調整文件大小，降低了系統硬件的成本消耗[1，7]。算法流程如圖9所示。

系統部分代碼如下：

jpeg_set_default（cinfo，inbuf_buf）;//設置默認參數

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）

{//當數據填滿時壓縮并輸出數據（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

}

}

jpeg_finish_compress（cinfo）;

4 安卓軟件開發

該APP主要實現對監測環境各項環境指標的實時查看，對溫濕度閾值和攝像頭的拍照功能進行控制，還可通過手機控制門的開關。APP主要包括三大模塊，分別為實時數據模塊、調控模塊和歷史數據模塊。圖10所示為APP操作功能圖。

（1）實時數據模塊：支持獲取當時環境的圖片、火情、門狀態以及溫濕度和當前溫濕度的閾值，可以實時獲取當前環境參數，并支持下拉刷新。

（2）調控模塊：可通過當前模塊給設備發送命令，從而控制當前溫濕度的閾值范圍，并能控制設備的攝像頭拍照，也能夠通過手機前置攝像頭拍照功能實現人臉識別，以控制門鎖的開關。

（3）歷史數據模塊：可實現對以往各項數據的查詢。

4.1 實時數據模塊

該模塊負責獲取數據并展示給用戶，其界面主要包括上半部分的照片區域和下半部分的環境參數區域。模塊使用SwipeRefreshLayout實現下拉刷新功能，使用Retrofit+RaJava網絡請求框架實現用GET方法通過由設備上傳到OneNET平臺上的數據流來讀取設備收集到的數據，并顯示到各數據區域中。圖11與圖12分別為數據模塊的界面與從OneNET獲取數據的流程。

4.2 調控模塊

該模塊負責對設備功能的控制，主要包括溫濕度閾值控制、拍照控制和對門開關的控制。本界面設計了TextInputLayout與TextInputEditText的聯合使用，用戶輸入計劃改變的溫濕度閾值，然后點擊“確認”按鈕，通過網絡請求框架用POST方法給平臺下達命令，從而控制設備。調控界面如圖13所示，對設備的控制流程如圖14所示。

4.3 歷史數據模塊

歷史數據模塊負責提供對以往環境參數的查詢功能。該模塊使用Spinner控件提供要查詢的參數選擇，設有三個EditText用以方便用戶輸入要查詢的日期，同時還使用RecyclerView來顯示查詢的數據。圖15為歷史數據模塊界面。

5 系統測試與應用

5.1 應用測試

智能安防系統上線后，系統定時上傳數據并在平臺Web頁面（圖16）和安卓APP顯示。手機對系統進行的控制均響應在1 s之內，若WiFi異常或服務器異常，則系統會采取相應的重連措施，并在LCD顯示網絡狀態，如圖17所示。

5.2 網絡測試

STM32F103在CPU 72 MHz條件下實測UDP的傳輸速度達到700～800 Kb/s，TCP傳輸速度達到650～750 Kb/s，是普通串口WiFi模塊的700倍以上。經測試，系統在普通WiFi環境下不丟包、不多包，不多字節，穩定高速的通信可持續5 h以上。

5.3 圖片壓縮測試

本次實驗測試在單片機STM32F103VEt上運行JPEG壓縮算法，進行圖像壓縮（壓縮一張圖片大概需要2 s）后對達到實際圖像品質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。通過設置質量因子，可以得到不同壓縮程度的照片。質量因子越小，壓縮后照片的質量越高，壓縮比越小。經過反復測試可知，將質量因子設定為75時的清晰度和文件大小比較適合本應用。

6 結 語

本文利用STM32F103VET通過ALK8266模塊實現了安防系統與OneNET云平臺的對接，通過客戶端對系統進行監控和控制，可以在有人闖入或者發生火情時及時向用戶發出警報。同時實現了圖片的壓縮算法，大大降低了帶寬要求和傳輸延時。該系統實際運行穩定，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還可以在智能家居網關中進行擴展，實現對家中老人和小孩的監控。

注：本文通訊作者為李丹。

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