基于Cortex-M3的GSM短信報警系統(tǒng)設(shè)計

陳康偉 王 健, 鐘 波

（1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.聚光科技（杭州）股份有限公司，浙江 杭州 310052）

基于Cortex-M3的GSM短信報警系統(tǒng)設(shè)計

陳康偉1王 健1,2鐘 波2

（1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.聚光科技（杭州）股份有限公司，浙江 杭州 310052）

系統(tǒng)以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32單片機來控制GSM模塊及熱釋電傳感器模塊，并應(yīng)用于家庭防盜報警系統(tǒng)中。SIM900A模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，能支持中文短信息，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。STM32單片機具有低功耗、高性能的特點。紅外專用芯片BISS0001設(shè)計的人體傳感模塊能以非接觸方式檢測出來自人體發(fā)出的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)化成電信號輸出。結(jié)合以上芯片，附加揚聲器報警可達到家庭智能防盜的目的。

STM32單片機；GSM；熱釋電傳感器；家庭智能防盜

引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展和人民群眾生活水平的極大提高，人們越來越注重自身所處的環(huán)境是否安全。特別是當(dāng)家中無人或者僅有老人孩子時，家庭成員的生命和財產(chǎn)的安全性越來越受到重視。因此，家庭防盜已成為一個重要的社會問題。目前，許多住宅小區(qū)的安防主要依靠傳統(tǒng)的機械式（防盜網(wǎng)、防盜窗）防盜系統(tǒng)。這樣不僅有礙美觀，不符合火災(zāi)逃生的要求，而且不能有效地防止壞人的侵入。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，防盜報警系統(tǒng)已迫切從原來的簡單化、局部化向智能化、集成化發(fā)展。

當(dāng)前，GSM短信息服務(wù)已作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，基于GSM短信模塊與單片機相連接應(yīng)用于家庭無線防盜報警系統(tǒng)中，讓家庭防盜更及時、更方便，以最直觀的中文短消息形式，直接把案發(fā)地點的情況反映到用戶的手機屏幕上。同時采用一種熱釋電紅外傳感器進行檢測，變有形的傳統(tǒng)防盜網(wǎng)防盜窗為無形的監(jiān)控，給家庭防盜提供最直觀、高效、可靠的保障。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計及工作原理

GSM短信報警系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)[1]由STM32單片機模塊、熱釋電傳感器模塊、GSM模塊及傳統(tǒng)揚聲器模塊組成。GSM模塊采用芯訊通（SIMCom）公司生產(chǎn)的SIM900A芯片及外圍設(shè)計電路，而熱釋電傳感器模塊采用紅外專用芯片BISS0001的設(shè)計電路。首先當(dāng)熱釋電傳感器模塊檢測到人發(fā)射的紅外線時，通過其外圍放大電路轉(zhuǎn)換成電壓信號傳輸給STM32單片機。單片機判斷熱釋電傳感器模塊送來的數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送一個高電平給GSM模塊，使GSM模塊發(fā)送短信到設(shè)定的手機號碼，及時通知主人家里出現(xiàn)了什么情況，同時使揚聲器發(fā)聲報警，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)想功能。

然而白天當(dāng)主人在家的時候，則不需要設(shè)定防盜功能，可以關(guān)閉功能；假如主人要離開房屋或夜間睡眠時，則需要打開防護功能。這些 “設(shè)防”、“撤防”的功能，同樣可以通過手機發(fā)送特定短信至GSM模塊的方式進行開啟和關(guān)閉，熱釋電傳感器檢測會隨之起作用，以免引起不必要的麻煩和誤報。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 STM32F103最小系統(tǒng)

STM32系列單片機[2]由ST公司生產(chǎn)的專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。本系統(tǒng)采用的STM32屬于互聯(lián)型產(chǎn)品，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：72MHZ主頻，56k字節(jié)Flash，64字節(jié)SRAM，2個看門狗，多個16 位定時器，80%的引腳可以作為通用I/O 口，以及USART、SPI等通信外設(shè)，其外設(shè)完全滿足本系統(tǒng)的功能要求。因此，本系統(tǒng)采用STM32F103作為總控制器，其最小系統(tǒng)如圖2所示。

本系統(tǒng)采用4線JTAG接口，即TMS(測試模式選擇)、TCK(測試時鐘)、TDI(測試數(shù)據(jù)輸入)、TDO(測試數(shù)據(jù)輸出)，又采用常規(guī)的20pin接口方式，通過仿真器與PC機連接，可以實現(xiàn)在線仿真調(diào)試，方便可靠。系統(tǒng)采用8MHZ晶體振蕩器，此時需要接負載電路。另外，復(fù)位電路的設(shè)計方式簡潔，可以實現(xiàn)系統(tǒng)可靠復(fù)位。

圖2 STM32F103RBT6最小系統(tǒng)

2.2 GSM模塊

GSM模塊[3]用芯訊通（SIMCom）公司生產(chǎn)的SIM900A，是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構(gòu)，性能強大，支持AT指令。

利用STM32的串口來控制GSM MODEM，單片機與GSM模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設(shè)定，通常為19200bps。GSM MODEM與單片機之間采用串口通信的方式，MODEM的TXD、RXD分別為發(fā)送、接收端，與單片機的PA10、PA9連接，組成串口通信。GSM模塊通過把PWRKEY信號拉低一段時間然后釋放來開機。當(dāng)模塊開機后就可以發(fā)送AT命令來控制模塊，用戶可以通過“AT+IPR=x”設(shè)置波特率并把參數(shù)保存。一旦配置為固定波特率，當(dāng)模塊開機時將會從串口收到字符“RDY”。這些字符在自動波特率激活的情況下無法顯示。同樣，可以通過把PWRKEY 信號拉低一段時間然后釋放來關(guān)機?；蛘呤褂肁T命令“AT+CPOWD=1”關(guān)閉模塊。該命令使模塊從網(wǎng)絡(luò)上注銷，讓軟件進入安全狀態(tài)，保存有用數(shù)據(jù)，讓然后完全斷開供電。在關(guān)機前，模塊串口將自動發(fā)送下列字符串“NORMAL POWER DOWN”，這之后將不能執(zhí)行AT命令。模塊進入掉電模式，僅僅RTC處于激活狀態(tài)。掉電模式可以通過STATUS引腳來檢測，在掉電模式下此引腳輸出為低電平。GSM主模塊（包括SIM部分）如圖3所示。

圖3 GSM主模塊（包括SIM部分）

2.3 熱釋電傳感器模塊

熱釋電傳感器模塊[4]括熱釋電傳感器及外圍放大電路，當(dāng)有人進入傳感器所能檢測到的范圍時，傳感器檢測到能量變化，轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，然后通過外圍放大電路放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號傳輸給單片機。其作用原理如下：人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10um左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10um左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10um左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應(yīng)源上。由實驗證明，傳感器不加菲涅爾透鏡，其檢測距離小于2m，而加上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可增加到10m左右。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)后續(xù)電路檢測處理后就能產(chǎn)生電信號發(fā)送給單片機處理。

熱釋電BISS0001模塊的原理圖如圖4所示。圖中，運算放大器OP1(芯片內(nèi)部)將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由C104耦合給運算放大器OP2（芯片內(nèi)部）進行第二級放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器，輸出信號Vo經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動繼電器去接通負載。CDS1為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，CDS1的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。JP1是工作方式選擇開關(guān)，當(dāng)JP1跳線帽跳2、3口時，與1端連通，芯片處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式，這種工作方式下即使檢測區(qū)域有人活動模塊也會自動停止輸出一段時間（封鎖延時）然后再檢測，這種工作方式一般習(xí)慣稱為脈沖輸出；當(dāng)JP1跳線帽跳1、2口時，與2端連通，芯片則處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式，只要檢測區(qū)域有人模塊就一直有輸出，這種模式一般稱為電平輸出。另外，輸出延遲時間T x由外部的R33和CY2的大小調(diào)整,觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R13和CY1的大小調(diào)整。 模塊采用低功耗穩(wěn)壓器件7133A-1，可以保證在很寬的輸入電壓下穩(wěn)定提供3.3V的工作電壓，確保模塊能正常工作。

圖4 熱釋電模塊原理圖

2.4 電源

電源模塊分兩部分：單片機供電模塊和GSM供電模塊。單片機電源采用典型的電源設(shè)計方案，如圖5所示。其中C9和C10是旁路電容，起到抑制干擾的作用，而C11和C12 是電解電容，起到濾波的作用；一般大電容旁邊并聯(lián)一個小電容的目的是降低高頻內(nèi)阻，因為大的電解電容一般采用卷繞工藝制造，所以等效電感較大；小電容可以提供一個小內(nèi)阻的高頻通道，降低電源全頻帶內(nèi)阻。這個電路在實際中比較常見。

圖5 電源部分電路

而SIM900A模塊電源采用VBAT為3.4V到4.5V的單電源供電，由于和單片機工作電壓不同，由單獨電源模塊供電，如圖6所示。VBAT端輸出電壓4.2V給GSM模塊使用。

圖6 GSM模塊的電源

2.5 揚聲器

揚聲器部分主要包括一個繼電器，當(dāng)單片機相應(yīng)端口置為高電平時，驅(qū)動繼電器，使得揚聲器電路接通，發(fā)出聲響以起到報警作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 AT指令

AT指令集是從TEC(Terminal Equipment)或DTE (Data Terminal Equipment)向TA (Terminal Adapter)或DCE (Data Circuit Terminating Equipment發(fā)送的通過TATE發(fā)送AT命令來控制MS (Mobile Station)的功能與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進行交互，用戶可以通過AT命令進行呼叫短信電話本數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)補充業(yè)務(wù)傳真等方面的控制。下面是一些短消息相關(guān)的常用AT指令：

AT+CIMI 得到手機IMSI號碼AT+COPS 網(wǎng)絡(luò)營運商AT+CSCA 短信中心號碼AT+CPMS 選擇短信儲存地點，可選擇ME（SIM卡）和MT（機身）AT+CMGL 列出指定狀態(tài)的短信息的PDU代碼AT+CMGR 列出指定序號的短信息PDU代碼AT+CMGS 發(fā)送短信AT+CMGD 刪除指定的短信AT+CMGF 短信格式，分為Text模式和PDU模式AT+CNMI 設(shè)置新短消息通知電腦端AT+CSCA 短信中心

目前，發(fā)送短消息常用Text和PDU(Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實現(xiàn)起來十分容易，但最大的缺點是不能收發(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。所以此處使用PDU模式來收發(fā)短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼：7-bit、8-bit和UCS2編碼。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。該模塊集射頻電路和基帶于一體，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。

首先使用命令“AT + CMGF = 0〈CR＞〈LF＞”來選擇PDU模式，比如SMSC(短信中心)號碼是+8613800471500，對方號碼是13656639676，消息內(nèi)容是：“你好”。則手機發(fā)送的PDU串是08 91 68 31 08 40 17 05 F0 11 000D 91 68 31 49 17 87 90 F6 00 08 00 06 4F60597D0021。

3.2 系統(tǒng)程序主流程圖

系統(tǒng)程序主流程圖如圖7所示，系統(tǒng)先初始化，然后檢測是否設(shè)防。因為單片機利用AT指令控制GSM模塊，將數(shù)據(jù)傳送出去。AT指令按照GSM模塊支持的AT指令格式書寫，通過單片機的串口發(fā)送出去。所以此模塊的“設(shè)防”，“撤防”則可以通過以下方式：如果模塊被命令“AT+CFUN=0”設(shè)置成最小功能模式, 則關(guān)閉射頻功能和SIM卡的功能，在這種情況下，串口仍然可以繼續(xù)使用，但是和射頻功能及SIM卡功能相關(guān)的AT命令不能使用。 此時為撤防狀態(tài)。當(dāng)模塊通過“AT+CFUN=0”設(shè)置為最小功能，模塊可以通過“AT+CFUN=1”命令返回全功能模式。此時為設(shè)防狀態(tài)。一旦“設(shè)防”之后，系統(tǒng)正常工作。如果單片機通過熱釋電模塊檢測到有人進入，馬上通過串口發(fā)送一個高電平到GSM模塊，使模塊發(fā)送短信給主人，同時揚聲器發(fā)聲報警。

圖7 系統(tǒng)程序主流程圖

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)有以下特色：由于該系統(tǒng)設(shè)置了具有“設(shè)防”和“撤防”功能，可以避免誤報；同時系統(tǒng)中揚聲器和軟件配合，能迅速而有效地起到報警作用；另外，借助先進穩(wěn)定、成熟高效的GSM移動網(wǎng)絡(luò)，使得該報警系統(tǒng)更具智能化和集成化，報警方式更顯直觀性和可靠性；最后可針對家庭的實際需要開發(fā)其他功能，如添加攝像頭等，使系統(tǒng)更加完善?？傊?，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，STM32單片機與GSM模塊技術(shù)應(yīng)用到位，功能電路實現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能良好、穩(wěn)定，較好地達到了家庭防盜要求的各項指標(biāo)。而且該系統(tǒng)成本低、實用性和可操作性強，有著一定的應(yīng)用價值，能得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

[1] 求是科技.單片機典型模塊設(shè)計實例導(dǎo)航[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[2] 劉軍.例說 STM32[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[3] 吳曉慶.單片機控制GSM模塊通信[J].內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2010,(3):87-88.

[4] 張佳一.熱釋電紅外傳感器放大電路的設(shè)計及其應(yīng)用[J].廣西:廣西通信技術(shù),2010,(3):24-26.

The design of GSM message alarm system based on the Cortex-M3 kernel

This system uses the STM32 microcontroller which based on Cortex-M3 kernel to control the GSM module and PIR Sensor module to use in home security alarm system. The SIM900A module is a compact size of GSM module, it can support Chinese message. And this module is a collection of radiofrequency(RF) circuit and Baseband ,which provide the standard AT Command Interface.The STM32 MCU has low power consumption and high performance characteristics. The PIR Sensor BISS0001 detects the infrared radiation from the human body in non-contact mode, and translates into electrical signals to the output。Therefore, we can combine these chips with additional alarm speakers to reach the purpose of family intelligent security.

STM32 MCU；GSM；PIR Sensor；Family intelligent security

TP277

A

1008-1151(2012)05-0001-03

2012-04-28

陳康偉（1989－），男，浙江浦江人，杭州電子科技大學(xué)在讀研究生，研究方向為嵌入式軟件。