羅維康，張亞婉，張彩威，黎偉健

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州 511325）

0 引言

近年來(lái)女性遭受侵害的案件越來(lái)越多，其中女性獨(dú)自搭乘網(wǎng)約車(chē)遇害的案件不在少數(shù)，而目前市面上的女生防狼噴霧存在刺激性氣體、易誤傷自己等缺點(diǎn)。防狼警棍、強(qiáng)光手電筒等防狼產(chǎn)品，便攜性差，易被對(duì)方發(fā)覺(jué)而增加自身危險(xiǎn)。針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)此報(bào)警系統(tǒng)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有防狼產(chǎn)品的易誤傷、偽裝性差等缺陷。

如今GPRS無(wú)線通訊技術(shù)已是一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備中，相較于采用藍(lán)牙，GPRS可獨(dú)立通訊，不需要連接附近的手機(jī)就可以對(duì)外發(fā)送信息。本設(shè)計(jì)采用的GPRS技術(shù)和GPS技術(shù)，可通過(guò)GPRS對(duì)外發(fā)送求救信息和實(shí)時(shí)位置。同時(shí)，嵌入式單片機(jī)對(duì)強(qiáng)光LED、蜂鳴器的控制，可為遇險(xiǎn)人員爭(zhēng)取一定的救援時(shí)間，引起周?chē)啡说淖⒁?，從而幫助遇險(xiǎn)人員脫離危險(xiǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由攝像頭采集環(huán)境圖片并存入到SD卡、雙全球定位系統(tǒng)來(lái)定位人的位置，傳遞給嵌入式單片機(jī)進(jìn)行信息處理后，通過(guò)GPRS無(wú)線通信技術(shù)，以短信形式發(fā)送求救信號(hào)和位置信息給緊急聯(lián)系人，請(qǐng)求救援。同時(shí)使用蜂鳴器發(fā)出高達(dá)120 dB的聲音，引起周邊人的強(qiáng)烈注意，以及發(fā)出強(qiáng)光照射對(duì)方，為自己爭(zhēng)取到一定時(shí)間，從而脫離危險(xiǎn)。

嵌入式單片機(jī)對(duì)采集到信息的處理過(guò)程如圖1所示。報(bào)警器的實(shí)時(shí)位置也可以通過(guò)GPS＋北斗雙全球定位系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行定位，最后通過(guò)串口通信來(lái)與GPRS無(wú)限傳輸模塊與手機(jī)緊急聯(lián)系人通信。

圖1 信息處理

GPRS無(wú)線通信技術(shù)通信過(guò)程如圖2所示。當(dāng)嵌入式單片機(jī)處理完所采集的信息后，通過(guò)WH－LTE－7S4 V2模塊發(fā)送短信到緊急聯(lián)絡(luò)人的手機(jī)上，達(dá)到將當(dāng)前實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的功能。

圖2 GPRS無(wú)線通信技術(shù)

2 硬件設(shè)計(jì)

該報(bào)警系統(tǒng)硬件部分主要包括嵌入式微控制器模塊、GPRS模塊和GPS/北斗模塊。其中嵌入式微控制器模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作出相應(yīng)的控制。GPS/北斗模塊采集當(dāng)前位置信息，GPRS模塊通過(guò)串口接口與主控器組建網(wǎng)絡(luò)并連接手機(jī)端[1]。

2.1 嵌入式單片機(jī)

本系統(tǒng)選取STM32F103C8芯片作為報(bào)警器的主控芯片，該芯片在移動(dòng)通信以及通用處理等領(lǐng)域得到廣泛使用。片上集成5個(gè)通用同步/異步串行收發(fā)器，采用較低的電壓供電2.0～3.6 V[2]；其中PWM輸出最多可占6個(gè)通道；另外還擁有2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器[3]，嵌入式單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

2.2 OV7670攝像頭

本系統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)采用OV7670攝像頭模塊，OV7670攝像頭具有體積小、工作電壓低等特點(diǎn)[4]。采用帶FIFO模塊的OV7670，將FIFO作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可使數(shù)據(jù)采集變得更簡(jiǎn)便，用戶只需關(guān)心如何讀取數(shù)據(jù)即可，不需關(guān)心數(shù)據(jù)如何采集，可減小CMOS的控制與時(shí)序關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)圖像的采集。

OV7670原理如圖4所示。

圖4 OV7670原理

2.3 GPRS模塊

GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過(guò)Internet網(wǎng)進(jìn)行通信。采用GPRS技術(shù)的無(wú)線通訊系統(tǒng)具有傳輸速度較快、始終在線、實(shí)時(shí)性高、安全性強(qiáng)、資費(fèi)便宜等特點(diǎn)[5]。采用TCP/IP協(xié)議，GPRS模塊（DTU）可將數(shù)據(jù)傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)端，GPRS模塊GPRS通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 GPRS通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

USR－GPRS－734支持RS485串口，可實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)與串口數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，提供高達(dá)171.2 kbit/s的傳輸速率，應(yīng)用帶寬大約30～40 kbit/s[6]。其支持多重保護(hù)，包括電路保護(hù)、電源保護(hù)、RS485口保護(hù)，是一款高穩(wěn)定性的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。其工作過(guò)程為：首先在DTU插入具有GPRS功能的SIM卡，然后對(duì)DTU進(jìn)行上電操作，再注冊(cè)到GPRS網(wǎng)絡(luò)，最后對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理中心建立連接[7]。

2.4 GPS/北斗模塊

A9G是一個(gè)完整的四頻GSM/GPRS＋GPRS/GPS模塊。A9G支持固件二次開(kāi)發(fā)，具有25個(gè)IO、UART、SPI、I2C、LCD、SDIO、ADC等多種外設(shè)，在多數(shù)情況下可以直接省去外部MCU；支持GPS、BDS（北斗）定位；支持語(yǔ)音通話及SMS短信；支持UART接口下載等優(yōu)勢(shì)。A9G支持CoAP、MQTT、HTTP 3種物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議，可供用戶根據(jù)需要靈活選擇[8]。

3 軟件設(shè)計(jì)

報(bào)警器的軟件系統(tǒng)包括圖像采集模塊、位置信息采集模塊、控制處理模塊、GPRS無(wú)線通訊模塊、按鍵模塊以及聲光報(bào)警模塊。當(dāng)有按鍵按下開(kāi)始采集周?chē)h(huán)境信息，包括圖像的采集和位置信息；當(dāng)有第二個(gè)按鍵按下，即進(jìn)行GPRS無(wú)線通訊向緊急聯(lián)系人發(fā)送求救信號(hào)和位置信息，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警?？刂浦髁鞒倘鐖D6所示。

圖6 控制主流程

3.1 嵌入式單片機(jī)

STM32主控芯片主要進(jìn)行中斷初始化、串口初始化處理、圖像采集、GPS位置信息采集、無(wú)線通訊與聲光報(bào)警進(jìn)行控制。LED和蜂鳴器可直接由I/O產(chǎn)生不同高電平信號(hào)控制，控制LED和蜂鳴器的IO口為PA4和PA5，都設(shè)置為推挽輸出模式。

3.2 OV7670攝像頭程序設(shè)計(jì)

STM32利用外部中斷監(jiān)控OV7670的數(shù)據(jù)輸出，若OV7670生成同步信號(hào)，就會(huì)觸發(fā)STM32的外部I/O中斷，可在中斷服務(wù)子程序中，對(duì)OV7670進(jìn)行讀寫(xiě)操作，第二次檢測(cè)到同步信號(hào)時(shí)，STM32關(guān)閉FIFO寫(xiě)使能，關(guān)閉OV7670的圖像輸出，同時(shí)通知STM32主程序，開(kāi)始從FIFO緩沖區(qū)中，讀取當(dāng)前幀的圖像數(shù)據(jù)。

編程設(shè)置OV7670采集圖像，并將采集好的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存在SD卡中。

3.3 GPRS無(wú)線通信模塊程序設(shè)計(jì)

在USR－GPRS－734中內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧[9]，數(shù)據(jù)的收發(fā)可通過(guò)AT指令完成，開(kāi)機(jī)后，GPRS數(shù)據(jù)的發(fā)送由設(shè)置AT指令實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)配置流程如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)配置流程

3.4 GPS模塊程序設(shè)計(jì)

GPS模塊的主要作用為采集位置信息，并將位置信息傳遞給主控器。當(dāng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)被GPS模塊接收后，主控制器對(duì)位置信息進(jìn)行提取。首先主控器需與GPS模塊進(jìn)行串口連接通信，主控器通過(guò)串口獲得GPS模塊中的數(shù)據(jù)；然后提取幀頭為GPRMC的數(shù)據(jù)，并從該數(shù)據(jù)提取所需的定位信息，主要包括時(shí)間、經(jīng)緯度坐標(biāo)、航向等[10]。其工作流程如圖8所示。

圖8 GPS模塊工作流程

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)的實(shí)物如圖9所示，將其設(shè)計(jì)成相機(jī)進(jìn)行偽裝。為驗(yàn)證該報(bào)警器位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及GPRS工作情況，將設(shè)備進(jìn)行實(shí)測(cè)。結(jié)果表明很好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)想。測(cè)試結(jié)果表明平臺(tái)利用接收數(shù)據(jù)顯示的定位結(jié)果準(zhǔn)確，未出現(xiàn)較大偏差。緊急聯(lián)系人接收到了求救短信，如圖9所示。

圖9 報(bào)警器實(shí)物

圖10 求救短信測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是一種基于嵌入式單片機(jī)與GPRS技術(shù)的一款新型防身報(bào)警器，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分別為STM32、GPRS模塊、攝像頭等。在功能上，GPS定位準(zhǔn)確，求救信息發(fā)送及時(shí)，緊急聯(lián)系人可實(shí)時(shí)追蹤求救者的位置，迅速收到求救短信，極大地幫助了遇險(xiǎn)人員脫險(xiǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理并且功能穩(wěn)定，具有可靠性高、精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在技術(shù)上應(yīng)用了當(dāng)前流行的技術(shù)，實(shí)用性和功能性強(qiáng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到使用的要求，本設(shè)計(jì)亦可應(yīng)用于兒童和老人走失的隨身定位。