基于单片机和GSM的家庭防盗系统的设计

出处：awfxkj 发布于：2011-11-16 18:11:16

　　摘要：针对目前市场上家用报警系统的不足，将GSM/GPRS 模块和单片机、摄像头模块及语音模块有机地结合起来，完成单片机与GSM/GPRS 模块的通信并完成与摄像头模块的通信，从而设计出功能强大的家庭网络防盗系统，通过实际的测试和工程应用表明，该系统在满足成本的前提下，可以实现远程防盗报警功能，在现有移动通信网络覆盖的区域内，可以达到控制的要求，应用前景非常广泛。

　　目前市场上家用报警系统多数是通过电话线实现报警功能的，当电话线被恶意剪断时，系统就会失去报警功能。针对此问题，将移动通信技术引入本系统设计中，避免了此类问题的发生，依据性价比及实际功能要求，本系统采用单片机及移动通信技术进行总体方案的设计。把GSM/GPRS 模块和单片机、摄像头模块及语音模块有机地结合起来，完成单片机与GSM/GPRS 模块的通信及与摄像头模块的通信，设计出功能强大的家庭网络防盗系统。

　　1 系统总体方案设计

　　系统中的移动通信模块采用广州谱泰科技有限公司的PT39I 模块。外围电路自行设计，通过单片机的RS232串口与移动通信模块进行连接。根据性价比以及系统的实际功能要求等，系统采用STC89C58 单片机作为控制器，通过STC89C58 标准的全双工串口与移动通信模块进行通信。首先将传感器采集到的报警信号发送至单片机，单片机通过判断，发送控制指令到通信模块，通信模块接到指令后调用设计好的报警短信息，利用GSM 网络发送到用户手机，实现报警功能[ 1].用户接到报警的短信息后，可以回复短信息到报警系统，系统根据用户回复的短信息内容进行相应的判断，从而发出相应的防盗指令给控制系统的执行机构。使用STC89C58 单片机作为控制中心，配有警情采集模块、移动通信模块、报警模块、执行机构、摄像头、语音等模块。系统总体硬件框图如图1 所示。

系统总体硬件框图

　　2 系统硬件组成模块

　　2.1 PT39I 模块

　　PT39I 是一款非常典型的无线通信GSM 模块，可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据功能、语音功能、短消息服务功能和传真功能。工作电压为3.4 V~4.3 V,实际使用中建议的电压值为3.8 V~4.0 V.工作在900MHz 和1 800 MHz 以及1 900 MHz 三个频段，所在频段功耗分别为2 W（900 MHz ）和1W（1 800 MHz 和1 900 MHz） .

　　图2 中恒压芯片为LM2941S , 根据PT39I 的电气规范可知其允许的电压范围为3.4 V~4.3 V, 因此可以将单片机的IO 引脚直接接在PT39I 模块上ZIF 连接器的15 脚上，启动模块需要加载一个至少100 ms 的低电平信号。通过延时的方法实现PT39I 模块的启动。

PT39I 供电电路

　　2.2 单片机选型

　　在设计时经过综合分析，需要一款内存较大的单片机，因此选中STC89C58 , 内存为1 KB RAM 空间，32 KBROM 空间。设计时划分了201 个短信数据交换空间，206 个彩信数据交换空间。采用22.118 4 MHz 的晶振频率有两个原因，一是匹配波特率，二是提高单片机数据的处理速度。

　　2.3 SIM 卡电路设计

　　SIM 卡是带有微处理器的芯片，内含5 个模块，每个模块对应一个功能：CPU, 程序存储器ROM、工作存储器RAM、数据存储器EEPROM 和串行通信单元，这5 个模块被集成在一块集成电路中。因此SIM 卡在与手机连接时，少需要5 个连接线：电源（VCC）、时钟（CLK）、数据I/O 口（Data）、复位（RST）、接地端（GND） .如图3 所示。

SIM 卡的连接图

　　2.4 摄像头模块

　　选择GXT-M201 摄像头，它可以直接输出JPEG 格式，便于GMS/GPRS 模块发送彩信。

　　2.5 语音电路设计

　　语音合成芯片采用科大讯飞公司生产的XF-S3111 ,该芯片内嵌多种合成方式。且体积较小，使用方便，主要是面向中低端应用，符合本系统的成本要求。本系统中需要使用其提示音合成的功能。

　　将单片机的P32 连接到语音的TXD 引脚上，单片机用模拟串口的方式将数据传给语音芯片。RST 与单片机的P15 相连，在本系统中对GB2312 和Unicode 格式编码的信息进行报读。在完成一种语音的播报后就进行模块重启，此时就用到芯片的复位信号。这样方便另一种语音的播报。该芯片采用3.3 V 电源供电，原理图中J2 为3.3 V 稳压芯片。8 脚为模拟音频信号输出点，接音频放大电路。

　　2.6 单片机与GSM 模块通信电路设计

　　74LS04 内部有6 个反相器，图4 只用到其中的4个。在该电路的设计中利用其驱动作用，保证单片机与GSM 模块间的通信数据不丢失。在实际应用过程中做过相关的调试，没有该驱动模块时通信数据是乱码，加入该器件通信数据正常，通信过程准确无误。原理图如图4 所示：1TXD 、1RXD 分别连接单片机的TXD 和RXD,74LS04 的13 和4 脚分别连接ZIF40 的RXD0 （18）和TXD0（19） .这样的连接使信号得到了放大，增强了传输过程中的驱动能力。

7404连接原理图

　　2.7 存储电路设计

　　在由单片机控制的仪器仪表、家用电器、工业监控等系统中，对某些状态参数，不仅要求能够在线修改，而且断电后能保持，以备上电后恢复系统的初始状态。为此选用24 系列串行EEPROM 的产品。同时由于系统要对特定用户报警，要求能对其身份进行有效的识别，而这种信息在一个相对的时间里是固定不变的，所以要对其进行保存而且要保证随时能够改写。对本系统即手机报警系统来说需要保存的信息有：用户自己的手机号码、报警时约定的报警密码、家庭的地址、家庭其他用户的号码等相关信息。这几个信息的内容相对简单，因此使用EXEL 产品中的24C02 完够达到要求。但是24C02 和其他24CXX 系列比较有一点特殊，其按页写方式写入数据时只能是8 B,这次设计中选用的是EXEL公司的24C02,其页写只能是4 B.所以在编程中采用字节写入方式。

　　3 系统软件设计

　　系统工作过程简介：当系统获得传感器信号时，单片机系统首先检查当前状态是否为设防状态。如果是，则单片机系统通过GSM 发送一条短信给用户，用户获得信息后可以发送控制命令。在异常状态下有"0 拍照" 、"1 监听" 、"2 拨打小区电话" 几条指令可用。当用户发送"0 拍照" 时，首先从存储器中提取用户号码与收到短信中的电话号码进行比对，校验成功后单片机就会发起对摄像头的通信并完成拍照与上传数据。之后通过GPRS 模块将照片发送至用户的手机上。当用户发送"1监听"时，单片机首先从存储器区中提取电话号码并拨打该号码。用户接听电话后，就可以监听家中的安全状况。

　　当用户发送"2 拨打小区电话" 时，系统将会自动从存储器中提取小区保安的电话号码并拨打保安电话。每完成操作，语音电路都会根据操作的内容提示用户操作的结果。系统软件工作流程图如图5 所示。

图5 系统软件工作流程图

　　利用串口助手可以对PT39I 进行测试和操作，也可以用来分析理解AT 指令协议，为软件编程做准备。在此基础上可以在单片机上开发程序，通过串口对无线通信模块进行控制，达到实现用单片机控制收发短消息的功能。.使用PT39I 收发短消息，用户必须准备一张已开通的SIM 卡，并将其插入PT39I 的SIM 卡座中。使用PC配合PT39I 收发短消息，使用时需开启PT39I 电源，通过串行数据线连接到PC 机，并在PC 端安装串口读写软件，例如超级终端、Telix 等，通过终端软件发送AT 命令，察看返回的数据是否正确。

　　系统的测试、启动、初始化完成后，用户可以发送" 拍照" 到系统的号码。发送短信后等待约1 min .用户会收到一条彩信，打开浏览，是系统抓拍的照片。有一点需要说明，系统摄像头抓拍的照片为收到用户短信后2 s左右，但是数据传输时间较长。具体传输时间由照片的大小和串口的通信速率决定。在系统收到用户发送的拍照命令后，系统要完成主控制器对摄像头模块的同步与设置。

　　本文的创新点在于通过软、硬件结合的方式，设计了一种基于STC89C58 和GSM 网络的家庭网络防盗系统，该防盗报警系统已经投入实际运用，运行良好，有一定的实用价值。传统的报警产品虽然种类众多，但它们大都是当有非法入侵或盗窃行为时，只会立即发出声、光、电等报警信号报警，本文报警系统可以实现远程报警防盗功能。另外，此类报警系统只要稍加改动，就可应用到汽车防盗、仓库防盗等多个方面。所以把GSM 应用在远程控制系统中的前景非常广泛。