家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬良川，張道信，朱 軍，丁海松

(安徽大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230039)

隨著人們生活水平的提高和網(wǎng)絡(luò)的普及，尤其是近幾年全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM[1]短信技術(shù)的發(fā)展和居住環(huán)境的改善，促使人們對(duì)家庭安全防范的意識(shí)得到空前的強(qiáng)化。在此領(lǐng)域中，針對(duì)傳統(tǒng)家庭報(bào)警系統(tǒng)具有布線復(fù)雜、范圍受局限等諸多缺點(diǎn)，使用無線通信設(shè)備并將其安裝于室內(nèi)，不但不會(huì)破壞房間原有布局，而且具有安裝過程便捷、投入少、組網(wǎng)快速等優(yōu)點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于CC1110[2]的無線傳輸，利用GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制信息和報(bào)警信息進(jìn)行發(fā)送和接收，用戶只要使用手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)主要由多個(gè)終端板和一個(gè)控制板組成。終端板可以安裝在門、窗、電氣設(shè)備上，通過終端板上的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控設(shè)備發(fā)生異常情況時(shí)，就會(huì)以短信的形式將特定的狀態(tài)信息和報(bào)警信息發(fā)送給用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭的遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由終端板(數(shù)據(jù)采集端)、控制板(數(shù)據(jù)接收端)、GSM模塊組成，如圖1所示。終端板將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后發(fā)送給控制板，控制板將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后發(fā)到用戶手機(jī)上，用戶可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)了解家庭情況?？刂瓢褰邮詹⒎治鲇脩舻闹噶睿阎噶罱馕龊蟀l(fā)給指定的終端板，指定的終端板根據(jù)接收到的控制信息去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)組成

終端板和控制板都采用CC1110芯片。終端板在無線通信模塊的基礎(chǔ)上增加了各種傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而控制板則在無線通信模塊的基礎(chǔ)上添加GSM模塊控制電路。

2.1 CC1110芯片的功能特點(diǎn)

CC1110芯片是美國TI公司的一款1 GHz以下頻帶的低功耗射頻(RF)片上系統(tǒng)解決方案。芯片內(nèi)嵌多達(dá)32 KB的在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器、4 KB的SRAM存儲(chǔ)器、8通道8～14 bit A／D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)16 bit定時(shí)器和 3個(gè) 8 bit定時(shí)器、2個(gè) UART／SPI、21 個(gè)通用 I／O?；?CC1110的高性能無線收發(fā)器工作于433 MHz頻段，頻率穩(wěn)定性好、靈敏度高、無線數(shù)據(jù)傳輸最大速度可達(dá)500 Kb／s，同時(shí)采用低供電電壓(2.3 V～3.6 V)，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的使用功耗。

2.2 無線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

CC1110芯片只要極少數(shù)外圍元件就能夠搭建穩(wěn)定可靠且功耗低的片上系統(tǒng)，大大簡化了RF電路的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)工作在433 MHz頻段。圖2是CC1110的外圍電路設(shè)計(jì)，主要由CC1110芯片、射頻匹配電路和其他外圍元件組成。

2.3 GSM模塊連接電路

圖2 無線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)GSM模塊設(shè)計(jì)選用西門子公司的TC35i[3]。該模塊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、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計(jì)。TC35i在休眠狀態(tài)時(shí)的電流消耗為3.5 mA，空閑狀態(tài)時(shí)為25 mA。TC35i有40個(gè)引腳，通過一個(gè)ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為五類：電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。TC35i的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口是一個(gè)串行異步收發(fā)器，固定的參數(shù)有：8 bit數(shù)據(jù)位和 1 bit停止位，無校驗(yàn)位，波特率在 300 b/s～115 200 b/s之間可選。GSM與控制板的連接電路圖如圖3所示。

圖3 GSM與控制板的連接電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由終端板程序和控制板程序組成。終端板程序通過傳感器對(duì)家用電器、門、窗等的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，根據(jù)命令把監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制板或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的控制?？刂瓢宄绦蜇?fù)責(zé)對(duì)終端板發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析，并利用GSM網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶，讓用戶及時(shí)了解家居狀況；同時(shí)控制板接收用戶的控制命令，并將控制命令解析后及時(shí)地發(fā)送給指定的終端板，終端板通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。

3.1 終端板的軟件設(shè)計(jì)

終端板的程序流程圖如圖4示。首先CC1110進(jìn)行I/O、無線模塊等系統(tǒng)的初始化。為了減少終端板的損耗，終端板每隔100 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣，并在控制板查詢的時(shí)候把信息發(fā)送給控制板。

終端板采集事務(wù)時(shí)序如圖5所示。終端板每隔100ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，為了減少功耗，數(shù)據(jù)采集完成后，傳感器關(guān)閉。當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，傳感器再次打開。如圖 5所示，第一個(gè)100ms傳感器工作5ms后關(guān)閉，第二個(gè)100ms時(shí)，傳感器再次打開，工作5 ms后關(guān)閉。

圖4 終端板的程序流程圖

圖5 終端板采集事務(wù)時(shí)序

終端板發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1 終端板數(shù)據(jù)包

導(dǎo)言表示數(shù)據(jù)包開始，終端板的標(biāo)識(shí)符包含終端板的識(shí)別碼，用于控制板區(qū)分哪個(gè)終端板發(fā)送的數(shù)據(jù)。終端板接收正確的數(shù)據(jù)包后，解析數(shù)據(jù)包，如果是查詢命令，終端板將設(shè)備的狀態(tài)信息發(fā)送給控制板；如果是控制命令，終端板控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，并將控制結(jié)果反饋給終端板?？刂瓢灏呀K端板返回的結(jié)果發(fā)送給用戶。

3.2 控制板的軟件設(shè)計(jì)

控制板的主程序流程圖如圖6所示，串口中斷程序流程如圖7所示。首先CC1110進(jìn)行I/O、無線模塊、串口、GSM模塊的初始化。終端板每隔200 ms查詢一次終端板的數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)控設(shè)備異?；蛴脩舨樵儽O(jiān)控設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)時(shí)，控制板將終端板的狀態(tài)信息或報(bào)警信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶。當(dāng)用戶需要控制監(jiān)控設(shè)備時(shí)，將控制信息以短信形式通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制板，控制板分析處理命令信息后將控制指令發(fā)送給指定的終端，指定的終端通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

圖6 控制板主程序流程圖

圖7 控制板串口中斷程序流程圖

控制板發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如表2所示。

表2 控制板發(fā)送數(shù)據(jù)格式

導(dǎo)言表示數(shù)據(jù)包的開始。時(shí)間信息用于終端板和控制板的時(shí)間同步。命令包含控制板對(duì)終端板發(fā)送的指令，其中還包括終端板的識(shí)別碼。結(jié)束標(biāo)志表示一個(gè)數(shù)據(jù)包的結(jié)束。每個(gè)終端板的識(shí)別碼不相同，當(dāng)終端板接收到數(shù)據(jù)包后，首先進(jìn)行時(shí)間同步，然后解析數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，判斷命令中的識(shí)別碼是否與自身的識(shí)別碼相同，如果相同則進(jìn)行命令響應(yīng)；不相同則在時(shí)間同步后放棄此數(shù)據(jù)包。

3.3 GSM模塊啟動(dòng)和數(shù)據(jù)處理

GSM模塊的啟動(dòng)：在GSM模塊上電后，必須給IGT一個(gè)大于100 ms低電平，模塊才啟動(dòng)。本系統(tǒng)在不降低系統(tǒng)可靠性的前提下，使用軟件方法啟動(dòng)，通過CC1110內(nèi)部定時(shí)器給出大于100 ms的低電平，以降低硬件成本。GSM正常啟動(dòng)后通過AT[4]命令進(jìn)行操作。常用的AT命令如表3所示。

表3 短信發(fā)送常用指令

為了節(jié)省GSM的控制和短信發(fā)送的時(shí)間，ATE0命令表示在系統(tǒng)初始化后關(guān)閉回顯。AT+CMGF用來選擇發(fā)送短信的格式，當(dāng)AT+CMGF=0時(shí)，用來發(fā)送中文短信，AT+CMGF=1時(shí)，用來發(fā)送英文短信。本文主要介紹發(fā)送中文短信如：

其中，AT+CMGS用來發(fā)送短信，AT+CMGS=23表示要發(fā)送23位十六進(jìn)制數(shù)，發(fā)送的短信是用ASCII表示的十六進(jìn)制，不包括初始的 2個(gè)0。等待 GSM模塊返回“＞”后，將短信輸出給GSM模塊，GSM將短信發(fā)出。短信發(fā)送格式如表4所示。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)施的控制和報(bào)警。終端板可以與各種傳感器和動(dòng)作機(jī)構(gòu)連接，具有很好的通用性。當(dāng)要添加新設(shè)備時(shí)，只要加一個(gè)終端板就可以，整個(gè)系統(tǒng)有非常好的可擴(kuò)展性。而且本系統(tǒng)不局限于家庭應(yīng)用，針對(duì)移動(dòng)設(shè)備，在控制板上外接一個(gè)GPS模塊，可將衛(wèi)星定位信息實(shí)時(shí)地發(fā)給用戶，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備的控制和報(bào)警。此外，由于有覆蓋廣、性能穩(wěn)定的GSM網(wǎng)絡(luò)的支持，可以確?？刂菩畔⒌目焖傩院蜏?zhǔn)確性。

表4 短信發(fā)送格式

[1]GSM 03.40.Technical realization of the short message service point-to-point[S].European Telecommunications Standards Institute(www.etsi.org).1994.

[2]Texas Instruments Incorporated.CC1110 datasheer[EB/OL].http：//focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc1110f32.html，2010-01-16.

[3]Siemens Corporation.TC35i hardware interface description[EB/OL].http：//www.siemens.com，2003-11-12.

[4]SiemensCorporation.TC35iATcommandset[EB/OL].http：//www.siemens.com，2005-09-09.

[5]GSM03.38.Alphabetsanslanguage-specificinformation[S].European Telecommunications Standards Instiute(www.etsi.org).1999.