基于GSM模塊TC35的智能門控安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著人民生活水平的提高和安全防范意識(shí)的增強(qiáng)，人們開始關(guān)心自己的生活和工作環(huán)境，不但要求周邊環(huán)境的舒適化和人性化，對居住工作環(huán)境的安全化和智能化也提出了更高的要求，安防系統(tǒng)已經(jīng)成為生活中必不可少組成部分。傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)主要依靠電話網(wǎng)播報(bào)警訊信息，但電話網(wǎng)易被破壞，且不適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)等架設(shè)通信線路困難或不經(jīng)濟(jì)的地方。

GSM網(wǎng)絡(luò)是基于時(shí)分多址技術(shù)和頻分多址技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)體系，是我國覆蓋面最廣，功能最強(qiáng)，用戶最多的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)。通過中國移動(dòng)公司建成的無縫覆蓋全國的GSM網(wǎng)，運(yùn)用GSM短信技術(shù)傳送警訊信息，具有安全可靠，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。把各種報(bào)警傳感器分別安裝在不同位置，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，相應(yīng)的傳感器會(huì)將無線信號(hào)發(fā)送至控制模塊的無線接收電路，控制模塊通過軟件判斷出異常情況的類型，通過串行口控制GSM模塊發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警短信，幾秒鐘后，用戶的手機(jī)上就可以接收到報(bào)警短信，提醒用戶采取措施。當(dāng)用戶在現(xiàn)場時(shí)，可通過發(fā)送短信撤除報(bào)警功能(簡稱撤防)，防止報(bào)警器對用戶行動(dòng)的誤報(bào)警。用戶還可以利用計(jì)算機(jī)對存儲(chǔ)于EEPROM中的報(bào)警記錄進(jìn)行讀取，以及對報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

2、硬件設(shè)計(jì)

2.1無線報(bào)警傳感器

無線報(bào)警傳感器主要包括熱釋電被動(dòng)式紅外報(bào)警器、煙霧報(bào)警器、煤氣泄漏報(bào)警器、窗(門)磁報(bào)警器等。每一種無線報(bào)警傳感器都是由傳感器、信號(hào)處理電路、無線發(fā)射電路等構(gòu)成。傳感器在檢測到異常情況后，通過無線發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)無線報(bào)警。為了區(qū)分報(bào)警器的類型(即警情類型)，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，提高報(bào)警的準(zhǔn)確性，每一個(gè)報(bào)警器都有不同的編碼。這個(gè)編碼由“地址碼”+“身份碼”構(gòu)成，“地址碼”用來標(biāo)示不同的安防系統(tǒng)，同一安防系統(tǒng)內(nèi)，所有無線報(bào)警器的地址碼和無線接收電路的地址碼是相同的;“身份碼”用來標(biāo)示不同的無線報(bào)警傳感器。地址碼和身份碼可以由硬件實(shí)現(xiàn)，如利用SC2262編碼芯片和SC2272解碼芯片實(shí)現(xiàn);也可以由軟件實(shí)現(xiàn)，在編程時(shí)直接寫入地址碼和身份碼。

2.2 控制模塊

控制模塊的核心是PIC16F74單片機(jī)。PIC16F74是一款低功耗、高速的Flash單片機(jī)，內(nèi)部主要集成USART模塊、I2C總線、SPI接口、輸入捕捉/輸出比較/脈寬調(diào)制CCP模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器WDT等功能部件。PIC16F74具有35條簡潔的指令系統(tǒng)，其中除了程序分支指令是單字節(jié)、雙周期指令外，其它都是單字節(jié)、單周期指令。單字節(jié)寬指令提高了軟件編碼效率，減少了所需要的程序存儲(chǔ)器單元，使系統(tǒng)具有很高的處理效率和卓越的性能。PIC16F74單片機(jī)優(yōu)異的性能加上良好的電磁兼容特性，使之非常適合于本系統(tǒng)的開發(fā)?？刂颇K主要用于處理報(bào)警信息，并與PC機(jī)通信。單片機(jī)與實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片(SD2001)通過I2C接口進(jìn)行通信。單片機(jī)通過普通IO與EEPROM(AT24C16)通信，AT24C16為I2C接口，對它的讀寫，需單片機(jī)程序產(chǎn)生I2C時(shí)序。 EEPROM中除了存儲(chǔ)報(bào)警信息外，還存儲(chǔ)用戶的手機(jī)號(hào)碼和撤防的密碼。

2.3 單片機(jī)與GSM模塊、PC機(jī)的硬件接口電路

圖2顯示了單片機(jī)與TC35、PC機(jī)的連接圖。GSM模塊采用西門子公司推出的TC35。TC35是一款高性能的GSM模塊，在應(yīng)用系統(tǒng)中很容易集成，可以工作在GSM900kHz和1800kHz兩個(gè)頻段，RS-232數(shù)據(jù)接口，符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM07.07和GSM07.05，且易于升級(jí)為GPRS(通用分組無線電業(yè)務(wù))模塊。TC35集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息、傳真提供快速、安全、可靠的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)和設(shè)計(jì)。

由于TC35數(shù)據(jù)接口工作在CMOS電平，而PIC16F74工作在TTL電平，工作電壓范圍一般比TC35寬，故應(yīng)在單片機(jī)和TC35之間加電平轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)通過異步串行接口RC6、RC7與TC35進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9600kbit/s，采用8位異步通信方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

單片機(jī)利用普通IO與PC機(jī)串口通信。單片機(jī)需要在通信程序中自己產(chǎn)生串行時(shí)序。

3、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)程序和PC機(jī)程序。PC機(jī)的程序主要是對計(jì)算機(jī)串口的讀寫，本文不加詳述。單片機(jī)的程序主要包括初始化、單片機(jī)對報(bào)警信號(hào)的處理、單片機(jī)與PC機(jī)的通信和單片機(jī)對設(shè)防撤防信號(hào)的處理。單片機(jī)程序的流程圖如圖3所示。當(dāng)單片機(jī)檢測到有GSM模塊接收到短信后，先判斷短信開頭部分的密碼正確與否，只有當(dāng)密碼正確才進(jìn)行相應(yīng)操作，否則不予處理。

3.1 單片機(jī)程序初始化

初始化程序主要包括對寄存器、IO的設(shè)置、從EEPROM中把用戶手機(jī)號(hào)碼和撤防密碼讀入單片機(jī)的寄存器中。初始化完成之后，單片機(jī)就循環(huán)檢測有無報(bào)警信號(hào)、是否連接到PC機(jī)、GSM模塊是否接收到短信。

EEPROM中存儲(chǔ)用戶手機(jī)號(hào)碼和撤防密碼，是為了防止系統(tǒng)斷電后導(dǎo)致的重要信息的丟失。在初始化時(shí)將信息讀入單片機(jī)的寄存器中，可以節(jié)省單片機(jī)處理的時(shí)間。

3.2 報(bào)警信息的處理

單片機(jī)通過無線接收電路接收探測電路發(fā)送的報(bào)警信號(hào)，通過報(bào)警器的“身份碼”識(shí)別報(bào)警類型，并將“報(bào)警類型”通過GSM模塊，以短信發(fā)送到用戶手機(jī)。發(fā)送完成之后，單片機(jī)從實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片讀取報(bào)警時(shí)間，并將“報(bào)警類型+報(bào)警時(shí)間”寫EEPROM。

利用AT指令可完成控制GSM模塊進(jìn)行SMS通訊的所有流程，歐洲通信委員會(huì)ETST發(fā)布的GSM07.05標(biāo)準(zhǔn)AT指令集是目前全球所有GSM模塊均支持的收發(fā)SMS的命令集，常見的AT指令見表1。

每個(gè)AT指令以“AT+”開頭，以回車結(jié)尾。在AT指令中還包括以下控制符：結(jié)束符(用表示)，十六進(jìn)制為0x0D;發(fā)送符(用<^Z>表示)，十六進(jìn)制為0x1A。

發(fā)送短消息常用Text和PDU(Protocol Data Unit)模式。使用Text模式收發(fā)短信的優(yōu)點(diǎn)是代碼簡單，容易實(shí)現(xiàn);缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信。而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用三種模式：7-bit、8-bit和UCS2編碼。7-bit編碼用于發(fā)送ASCII字符，8-bit編碼用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符(漢字)，編碼類型在PDU數(shù)據(jù)包中指定。下面舉例說明PDU編碼的組成。例如要把“有人非法開門!”七個(gè)字符發(fā)送到用戶手機(jī)13909639342，則PDU數(shù)據(jù)為：00 01 03 0D 91 683109699343F2 32 08 0E 67094EBA975E6CD55F0095E8FF01。

PDU數(shù)據(jù)說明如下：

(1)00表示省略短信中心號(hào)碼，由SIM卡決定;

(2)01表示文件頭字節(jié);

(3)03表示信息類型;

(4)0D表示被叫號(hào)碼長度;

(5)91表示被叫號(hào)碼類型;

(6)683109699343F2表示被叫號(hào)碼，被叫號(hào)碼經(jīng)過移位處理;

(7)32表示協(xié)議標(biāo)識(shí)TP-PID;

(8)08表示數(shù)據(jù)編碼方案TP-DCS，因?yàn)橐l(fā)送Unicode內(nèi)碼，所以使用USC2(16bit)編碼;

( 9)0E表示用戶數(shù)據(jù)長度;

(10)67094EBA975E6CD55F0095E8FF01表示用戶數(shù)據(jù)“人非法開門!”。

需要注意的幾個(gè)問題：

(1)所有AT指令的指令符號(hào)、常數(shù)、PDU數(shù)據(jù)包等都是以ASCII編碼形式發(fā)送的。

(2)單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送每一條指令后，必須以回車符(0DH)作為該指令的結(jié)束，若沒有這個(gè)回車符，GSM模塊將不識(shí)別這條指令。

(3)GSM模塊向單片機(jī)傳送短信時(shí)，其PDTU數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是以十六進(jìn)制表示的，但并不是直接向單片機(jī)傳送十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，而仍然是把每一位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)以ASCII編碼發(fā)送。這樣，兩個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)就變成4字節(jié)的ASCII碼。但PDU數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)字節(jié)長度部分仍然是實(shí)際字節(jié)長度，而不是變成ASCII碼的字節(jié)長度。單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，必須將其恢復(fù)成十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。

3.3 單片機(jī)與PC機(jī)的通信

PC機(jī)可以通過單片機(jī)讀出EEPROM中存儲(chǔ)的報(bào)警信息、用戶手機(jī)號(hào)碼和撤防的密碼，并可以對后兩項(xiàng)進(jìn)行修改。

單片機(jī)對是否進(jìn)行與PC機(jī)通信的判斷既可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，為了簡化硬件，提高系統(tǒng)可靠性，采用軟件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的判別。PC機(jī)與安防系統(tǒng)連通后，當(dāng)PC機(jī)要向單片機(jī)發(fā)送操作指令時(shí)，PC機(jī)就改變串口默認(rèn)電平狀態(tài)，并維持一段時(shí)間，單片機(jī)檢測到該電平后，就進(jìn)入與PC機(jī)通信的程序。PC機(jī)完成操作指令的發(fā)送后，串口就恢復(fù)為默認(rèn)電平。單片機(jī)接收到操作指令后，就判斷是“讀取”指令，還是“修改”指令，如果不是這兩條指令，就退出。

4、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)方案借助于GSM網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各個(gè)部分之間的通信無線化。無線報(bào)警器與主機(jī)之間的通信采用高頻無線調(diào)制的方式進(jìn)行;主機(jī)與用戶手機(jī)之間采用GSM網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)系統(tǒng)之間的通信無需另外布線，這樣既節(jié)約了成本，又提高了整個(gè)系統(tǒng)通信的可靠程度。整個(gè)系統(tǒng)既適合于城鎮(zhèn)家庭使用，也適合于偏遠(yuǎn)地區(qū)等不便架設(shè)通信線路的地方使用，具有很好的應(yīng)用前景。