基于GSM模塊TC35的智能門控安防系統(tǒng)設計

引言

隨著人民生活水平的提高和安全防范意識的增強，人們開始關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)播報警訊信息，但電話網(wǎng)易被破壞，且不適用于偏遠地區(qū)等架設通信線路困難或不經(jīng)濟的地方。

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

1、系統(tǒng)結構與原理

本安防系統(tǒng)結構如圖1所示。把各種報警傳感器分別安裝在不同位置，當出現(xiàn)異常情況時，相應的傳感器會將無線信號發(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)送相應的報警短信，幾秒鐘后，用戶的手機上就可以接收到報警短信，提醒用戶采取措施。當用戶在現(xiàn)場時，可通過發(fā)送短信撤除報警功能(簡稱撤防)，防止報警器對用戶行動的誤報警。用戶還可以利用計算機對存儲于EEPROM中的報警記錄進行讀取，以及對報警系統(tǒng)進行設置。

2、硬件設計

2.1無線報警傳感器

無線報警傳感器主要包括熱釋電被動式紅外報警器、煙霧報警器、煤氣泄漏報警器、窗(門)磁報警器等。每一種無線報警傳感器都是由傳感器、信號處理電路、無線發(fā)射電路等構成。傳感器在檢測到異常情況后，通過無線發(fā)射電路實現(xiàn)無線報警。為了區(qū)分報警器的類型(即警情類型)，同時增強系統(tǒng)的抗干擾能力，提高報警的準確性，每一個報警器都有不同的編碼。這個編碼由“地址碼”+“身份碼”構成，“地址碼”用來標示不同的安防系統(tǒng)，同一安防系統(tǒng)內，所有無線報警器的地址碼和無線接收電路的地址碼是相同的;“身份碼”用來標示不同的無線報警傳感器。地址碼和身份碼可以由硬件實現(xiàn)，如利用SC2262編碼芯片和SC2272解碼芯片實現(xiàn);也可以由軟件實現(xiàn)，在編程時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。PIC16F74是一款低功耗、高速的Flash單片機，內部主要集成USART模塊、I2C總線、SPI接口、輸入捕捉/輸出比較/脈寬調制CCP模塊、A/D轉換器、看門狗定時器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主要用于處理報警信息，并與PC機通信。單片機與實時時鐘芯片(SD2001)通過I2C接口進行通信。單片機通過普通IO與EEPROM(AT24C16)通信，AT24C16為I2C接口，對它的讀寫，需單片機程序產(chǎn)生I2C時序。 EEPROM中除了存儲報警信息外，還存儲用戶的手機號碼和撤防的密碼。

2.3 單片機與GSM模塊、PC機的硬件接口電路

圖2顯示了單片機與TC35、PC機的連接圖。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，在應用系統(tǒng)中很容易集成，可以工作在GSM900kHz和1800kHz兩個頻段，RS-232數(shù)據(jù)接口，符合ETSI標準GSM07.07和GSM07.05，且易于升級為GPRS(通用分組無線電業(yè)務)模塊。TC35集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的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，方便用戶的應用開發(fā)和設計。

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，故應在單片機和TC35之間加電平轉換電路。單片機通過異步串行接口RC6、RC7與TC35進行數(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。

單片機利用普通IO與PC機串口通信。單片機需要在通信程序中自己產(chǎn)生串行時序。

3、軟件設計

系統(tǒng)軟件包括單片機程序和PC機程序。PC機的程序主要是對計算機串口的讀寫，本文不加詳述。單片機的程序主要包括初始化、單片機對報警信號的處理、單片機與PC機的通信和單片機對設防撤防信號的處理。單片機程序的流程圖如圖3所示。當單片機檢測到有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，只有當密碼正確才進行相應操作，否則不予處理。

3.1 單片機程序初始化

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

EEPROM中存儲用戶手機號碼和撤防密碼，是為了防止系統(tǒng)斷電后導致的重要信息的丟失。在初始化時將信息讀入單片機的寄存器中，可以節(jié)省單片機處理的時間。

3.2 報警信息的處理

單片機通過無線接收電路接收探測電路發(fā)送的報警信號，通過報警器的“身份碼”識別報警類型，并將“報警類型”通過GSM模塊，以短信發(fā)送到用戶手機。發(fā)送完成之后，單片機從實時時鐘芯片讀取報警時間，并將“報警類型+報警時間”寫EEPROM。

利用AT指令可完成控制GSM模塊進行SMS通訊的所有流程，歐洲通信委員會ETST發(fā)布的GSM07.05標準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AT指令以“AT+”開頭，以回車結尾。在AT指令中還包括以下控制符：結束符(用表示)，十六進制為0x0D;發(fā)送符(用<^Z>表示)，十六進制為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)點是代碼簡單，容易實現(xiàn);缺點是不能收發(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!”七個字符發(fā)送到用戶手機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表示被叫號碼長度;

(5)91表示被叫號碼類型;

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

(7)32表示協(xié)議標識TP-PID;

(8)08表示數(shù)據(jù)編碼方案TP-DCS，因為要發(fā)送Unicode內碼，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!”。

需要注意的幾個問題：

(1)所有AT指令的指令符號、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)作為該指令的結束，若沒有這個回車符，GSM模塊將不識別這條指令。

(3)GSM模塊向單片機傳送短信時，其PDTU數(shù)據(jù)包的內容是以十六進制表示的，但并不是直接向單片機傳送十六進制數(shù)據(jù)，而仍然是把每一位十六進制數(shù)據(jù)以ASCII編碼發(fā)送。這樣，兩個字節(jié)的十六進制數(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)長度部分仍然是實際字節(jié)長度，而不是變成ASCII碼的字節(jié)長度。單片機接收到數(shù)據(jù)包后，必須將其恢復成十六進制數(shù)據(jù)。

3.3 單片機與PC機的通信

PC機可以通過單片機讀出EEPROM中存儲的報警信息、用戶手機號碼和撤防的密碼，并可以對后兩項進行修改。

單片機對是否進行與PC機通信的判斷既可以通過硬件實現(xiàn)，也可以通過軟件實現(xiàn)，為了簡化硬件，提高系統(tǒng)可靠性，采用軟件實現(xiàn)狀態(tài)的判別。PC機與安防系統(tǒng)連通后，當PC機要向單片機發(fā)送操作指令時，PC機就改變串口默認電平狀態(tài)，并維持一段時間，單片機檢測到該電平后，就進入與PC機通信的程序。PC機完成操作指令的發(fā)送后，串口就恢復為默認電平。單片機接收到操作指令后，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、結束語

本設計方案借助于GSM網(wǎng)絡和無線通信技術，實現(xiàn)了系統(tǒng)各個部分之間的通信無線化。無線報警器與主機之間的通信采用高頻無線調制的方式進行;主機與用戶手機之間采用GSM網(wǎng)絡。整個系統(tǒng)之間的通信無需另外布線，這樣既節(jié)約了成本，又提高了整個系統(tǒng)通信的可靠程度。整個系統(tǒng)既適合于城鎮(zhèn)家庭使用，也適合于偏遠地區(qū)等不便架設通信線路的地方使用，具有很好的應用前景。