基于STM32的室內(nèi)安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王桂君 ,蔣 蓁

(1.上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,上海 200444；2.上海飛機制造有限公司,上海 200443)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，家居安全越來越受到人們的重視。在種類繁多的家居智能安全產(chǎn)品中，一款可靠、穩(wěn)定、功能強大的家居安全設(shè)備正快速地成為當今人們的必需品。文獻[1]～文獻[2]采用ZigBee模塊組或全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communications,GSM)移動網(wǎng)絡(luò)，通過中文短消息的形式，及時把報警情況發(fā)送至用戶的手機屏幕，并發(fā)出聲音報警。但系統(tǒng)的可擴展性以及互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來。文獻[3]～ 文獻[5]利用兩個麥克風(fēng)進行多聲源分離和二維平面定位，提出了一種基于雙麥克風(fēng)的室內(nèi)語音分離與聲源定位系統(tǒng)，可是沒有將報警信號實時傳送到遠程端。所以基于聲源定位的室內(nèi)安防監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用前景十分廣闊，涉及的應(yīng)用場所也越來越多。其在家庭安防中必將發(fā)揮聲源定位的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計方案是以STM32為主處理器和51單片機為輔助處理器[6-7]的組合方式；系統(tǒng)整體分為防盜門監(jiān)控模塊和搭載攝像頭的聲源定位模塊兩部分。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。從圖1可以看出，STM32核心控制模塊主要包括麥克風(fēng)陣列聲音采集模塊、攝像頭模塊、TF卡模塊和舵機模塊等部分。51單片機模塊主要包括聲光報警模塊和WiFi傳輸模塊等。51單片機和STM32模塊通過總線方式進行數(shù)據(jù)或命令的傳輸。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)實現(xiàn)思路如下：防盜門監(jiān)測裝置端采用51單片機對WiFi模塊、聲光報警模塊和光電對管傳感器進行控制，實現(xiàn)對防盜門安全信息的實時采集；有異常狀況時即刻進行聲光報警，并通過WiFi模塊將預(yù)先編輯好的危險信息發(fā)送到手機。

搭載攝像頭的聲源定位模塊則通過防盜門監(jiān)測模塊的繼電器進行實時控制。如果防盜門監(jiān)測裝置端感測到危險信號，則立即通過繼電器接通搭載攝像頭的聲源定位裝置端的電源，啟動STM32。STM32借助直接存儲器訪問(direct menory access,DMA)的方式來一次控制多路模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)的數(shù)據(jù)采集。通過STM32內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊實時采集麥克風(fēng)傳聲器的變化值，將采集到的數(shù)據(jù)先進行語音信號預(yù)處理，得到可以使用的信號段；然后通過時延估計算法進行危險聲源定位。根據(jù)定位的方位角及時調(diào)整攝像頭所對準的方向并進行拍照，然后將拍攝的照片以截取屏幕的方式保存在TF卡中，便于后期查看。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括聲源定位攝像頭端的電路設(shè)計和門禁檢測裝置端的電路設(shè)計。聲源定位攝像頭端的設(shè)計包括聲源定位裝置的硬件設(shè)計、攝像頭部分的硬件設(shè)計、圖像存儲部分的硬件設(shè)計。門禁檢測裝置端的硬件設(shè)計包括無線通信模塊的設(shè)計、防盜門狀態(tài)檢測裝置的選擇、聲光報警模塊的設(shè)計以及繼電器控制模塊的設(shè)計。其中，聲源定位攝像頭端的麥克風(fēng)陣列設(shè)計又包括麥克風(fēng)陣列傳聲器的選擇、麥克風(fēng)傳聲器語音信號的采集、采集語音信號調(diào)理電路設(shè)計和麥克風(fēng)傳聲器模擬信號/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計。本文著重介紹聲源定位傳感器模塊硬件設(shè)計。

2.1 聲源定位攝像頭端的硬件設(shè)計

①麥克風(fēng)陣列硬件設(shè)計。

麥克風(fēng)陣列的硬件設(shè)計好壞直接影響了整個系統(tǒng)的性能。為了實現(xiàn)對語音信號的采集和調(diào)理，本文所設(shè)計的聲音傳感器模塊采用音頻處理芯片LM386和LM393[8]。其中：LM386針對模擬的語音信號進行語音處理;LM386是音頻集成功放器件，它的功耗很低，而且增益可以大范圍調(diào)節(jié)。

駐極體電容傳聲器模擬信號處理電路如圖2所示。另外，LM393針對數(shù)字量的閾值設(shè)定的語音信號進行語音處理，不會受到VCC端的電壓值限制。當負載電阻沒有被運用時，它的輸出能夠作為簡單的對地開路，而且LM393輸出的電壓將會快速提高。駐極體電容傳聲器數(shù)字信號處理電路如圖3所示。

圖2 駐極體電容傳聲器模擬信號處理電路

圖3 駐極體電容傳聲器數(shù)字信號處理電路

2.2 防盜門監(jiān)測裝置端硬件設(shè)計

2.2.1 STM32與51單片機交互通信模塊

STM32與51單片機交互通信模塊如圖4所示。從圖4可以看出，系統(tǒng)采用中斷觸發(fā)、總線傳送的方式，51單片機可以通過P1～P2的端口向STM32發(fā)送中斷請求，STM32將數(shù)據(jù)發(fā)送到PA端口上，然后51單片機可以通過讀端口的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機中。

圖4 STM32與51單片機交互通信模塊

2.2.2 手機端與51通信模塊

防盜門監(jiān)測裝置端需要具有高優(yōu)先級，在有異常狀況時可以進行聲光報警，并將危險信息及時發(fā)送到手機上。ESP8266模塊[9]與51單片機接線圖如圖5所示。其中，51單片機通信接口采用串口的方式與ESP8266進行連接。這樣，手機就可以通過連接ESP8266預(yù)設(shè)的IP地址和端口進行SOCKET遠程通信，及時獲取家居報警信息。

圖5 ESP8266模塊與51單片機接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由聲源定位攝像頭端的軟件設(shè)計和防盜門監(jiān)測裝置端兩部分程序構(gòu)成。聲源定位攝像頭端的軟件設(shè)計包括了聲源定位裝置的程序設(shè)計、攝像頭部分的程序設(shè)計、液晶屏顯示模塊程序設(shè)計以及圖像存儲部分的程序設(shè)計。防盜門監(jiān)測裝置端的軟件設(shè)計主要就是無線通信模塊的程序設(shè)計。

聲源定位軟件主要包括麥克風(fēng)陣列的聲音信號采集、基于時延估計算法的定位、控制舵機旋轉(zhuǎn)、攝像頭采集、TFT屏顯示以及SD卡截取圖像等功能[10]。聲源定位攝像頭端的程序設(shè)計流程如圖6所示。從圖6可以看出，首先系統(tǒng)進行硬件的初始化，等待是否有危險信號。如果有危險信號，則啟動麥克風(fēng)進行數(shù)據(jù)采集，并通過試驗估計算法進行判斷聲音的來源和位置，并發(fā)送相應(yīng)指令給舵機；通過舵機的旋轉(zhuǎn)到達指定位置啟動攝像頭并進行拍照。

圖6 聲源定位攝像頭端的程序設(shè)計流程圖

3.1 時延估計算法程序設(shè)計

聲源定位裝置端的準確性主要靠算法實現(xiàn)。時延估計算法的程序設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 時延估計算法的程序設(shè)計流程圖

首先通過麥克風(fēng)傳聲器采樣得到模擬量，然后經(jīng)過STM32的A/D轉(zhuǎn)化得到數(shù)字量。最后，利用定時器來產(chǎn)生很短的定時間隔，提供給A/D轉(zhuǎn)換器進行定時采樣，將采樣轉(zhuǎn)化得到的數(shù)據(jù)不斷存放到一個數(shù)組中。因為外界聲音的大小在不斷產(chǎn)生著變化，在任何一段時間之內(nèi)肯定會存在這段聲音信號中的一個最大值。通過冒泡法判斷找出兩個數(shù)組中元素最大值所在的位置，進而可以根據(jù)兩個數(shù)組中最大值元素在數(shù)組中的位置差乘以采樣間隔就是想要得到的時延。得到時延后，就可以進一步算出聲源的方位。

3.2 系統(tǒng)測試

對聲源定位系統(tǒng)的麥克風(fēng)陣列定位、信號處理后的數(shù)據(jù)進行測試。首先，進行模擬偷竊者發(fā)聲，麥克風(fēng)傳聲器陣列A、B獲取的聲音信號與波形進行采集。然后，為了判斷硬件設(shè)備檢測的準確性，對波形的有效性進行驗證。

聲音傳感器接收到的語音波形如圖8所示。

圖8 聲音傳感器接收到的語音波形

從圖8可以看出，兩個聲音傳感器檢測到的語音信號波形幾乎是同步的，所以可以驗證發(fā)聲時聲源定位是有效的。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于聲源定位的室內(nèi)安防監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對麥克風(fēng)傳聲器采集到的語音信號進行預(yù)處理，采用一維麥克風(fēng)陣列下的時延估計算法來進行聲源定位；根據(jù)聲源位置控制舵機和攝像頭，將信息傳送到遠程端。實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速識別聲源定位，在智能家居時代具有很高的實際應(yīng)用價值。