基于GSM和單片機的家庭防盜防火系統(tǒng)

張超敏, 王雪嬌

江蘇職業(yè)技術(shù)學院 無錫機電分院 江蘇無錫 214028

1 設計背景

隨著網(wǎng)絡通信技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們對住宅安全性和智能化的要求也越來越高。目前,多數(shù)住宅仍以防盜門、防盜鎖為主要防盜方式,在長時間家中無人的情況下,防盜效果不盡如人意,且在火災發(fā)生時增加居民的逃生難度。

全球移動通信系統(tǒng)(GSM)無線網(wǎng)絡覆蓋范圍廣,基于GSM和STC89C52單片機設計家庭防盜防火系統(tǒng),更適用于家庭、辦公室等場所的防盜防火。這一系統(tǒng)利用前端傳感器和GSM無線網(wǎng)絡,以短信的形式實現(xiàn)防盜、防火、遠程控制等功能[1-2]。

2 系統(tǒng)硬件框圖

STC89C52單片機是一種能耗低、速度快、數(shù)據(jù)處理能力強的微處理器,是家庭防盜防火系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)硬件設計分為液晶顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、前端傳感器檢測模塊、GSM無線網(wǎng)絡通信模塊、語音錄放模塊。MQ-2煙霧傳感器和DS18B20溫度傳感器用于檢測室內(nèi)是否有火災發(fā)生。被動熱釋電紅外探測器檢測是否有人員非法入侵。當警情發(fā)生時,GSM無線網(wǎng)絡通信模塊實現(xiàn)遠程通信。語音錄放模塊模擬家中有人。液晶顯示模塊實時顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù),可用作人機交互界面。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3 系統(tǒng)硬件電路

3.1 單片機最小系統(tǒng)

STC89C52單片機采用室內(nèi)5 V穩(wěn)定電源模塊供電,正常工作需要外接上電復位電路、時鐘電路,構(gòu)成單片機最小系統(tǒng),如圖2所示。復位電路的作用主要是對單片機相關(guān)寄存器和輸入輸出端口進行初始化,復位的方式包括外圍按鍵復位和系統(tǒng)上電復位兩種。家庭防盜防火系統(tǒng)采用上電復位,原理是在單片機RESET引腳上接復位電容和上拉電阻,進行上電復位。電源接通后,復位模塊會自動產(chǎn)生復位信號,系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)。系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式,需要在XTAL1和XTAL2兩引腳間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容構(gòu)成時鐘電路,微調(diào)電容的容量取30 pF,晶振的頻率取1.2 MHz～12 MHz。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

3.2 GSM無線網(wǎng)絡通信模塊電路

家庭防盜防火系統(tǒng)使用可用于GSM無線網(wǎng)絡通信的西門子TC35工業(yè)模塊,可以通過上位機控制收發(fā)短信[3-6]。GSM無線網(wǎng)絡通信模塊電路的主要功能是實現(xiàn)短信收發(fā),與上位機通信,包括串口下載電路和用戶識別模塊(SIM)卡電路。串口下載電路如圖3所示,采用 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)串口下載程序,將單片機輸出的晶體管-晶體管邏輯電平轉(zhuǎn)換為上位機可接收的符合RS232標準的電平。此外,串口下載電路也可實現(xiàn)上位機與GSM無線網(wǎng)絡通信模塊的通信。MAX232芯片使用5 V單電源供電,具有自驅(qū)動功能,與連接器對應引腳連接時,不需要添加外圍驅(qū)動電路,同時需要注意對應引腳連接無誤。

TC35工業(yè)模塊的24～29引腳為對接SIM卡的功能引腳,24～29引腳與SIM卡卡座的對應端直接相連,SIM卡卡座的地端與單片機系統(tǒng)的地端接電容耦合。SIM卡電路如圖4所示。

圖3 串口下載電路

圖4 SIM卡電路

3.3 語音錄放模塊電路

語音錄放模塊采用獨立按鍵工作模式,通過按鍵控制錄音、放音,采用ISD1760語音芯片[7]。當用戶長時間不在家時,可模擬家中有人,防止人員非法入侵。為保證效果,播放的語音必須清晰優(yōu)質(zhì),并且保證播放時長。ISD1760語音芯片采樣頻率越高,錄音效果越好,錄音時長則越短。ISD1760語音芯片采用7 kHz和10 kHz兩種采樣頻率,這兩種采樣頻率下播放的錄音效果較為逼真,時間較長。STC89C52單片機只負責控制語音模塊的PLAY引腳播放預置語音,在系統(tǒng)布防前,需要預先將錄制的語音存儲于ISD1760語音芯片的電擦除可編程只讀存儲器內(nèi)。當用戶不在家時,利用GSM無線網(wǎng)絡通過P3.6引腳遠程控制繼電器K1,K1控制PLAY按鈕播放預置錄音。語音錄放電路如圖5所示。

圖5 語音錄放電路

4 系統(tǒng)軟件

家庭防盜防火系統(tǒng)的軟件程序采用C語言編寫。為了便于修改和調(diào)試,采用模塊化設計,編程語言的開發(fā)工具為Keil C編程軟件。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。系統(tǒng)上電復位,運行初始化程序。初始化程序完成各端口模塊的初始化任務,包括輸入輸出端口、液晶顯示器、定時器等。讀取室內(nèi)多點溫度、煙霧濃度,以及被動紅外探測器火災或入侵數(shù)據(jù),進入各子程序,將數(shù)據(jù)及時在液晶屏上進行顯示。循環(huán)等待各子程序響應,前端傳感器模塊一旦檢測到異常情況,立即將報警數(shù)據(jù)傳送至單片機。單片機驅(qū)動蜂鳴器報警,并且將報警信息以短信形式通過GSM無線網(wǎng)絡通信模塊發(fā)送至用戶手機,以便用戶及時處理。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

家庭防盜防火系統(tǒng)完成初始化后,MQ-2煙霧傳感器持續(xù)檢測室內(nèi)煙霧濃度,輸出0～5 V電壓模擬信號,經(jīng)過AD0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片后,轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號,傳送至單片機。單片機將室內(nèi)煙霧濃度實時數(shù)據(jù)與系統(tǒng)初始化時預存的臨界濃度值進行比較,一旦煙霧濃度達到或者超過臨界值,檢測煙霧濃度子程序就會向主程序發(fā)送火災報警信號。主程序接收到報警信號后,調(diào)用報警子程序進行聲光報警,并調(diào)用GSM無線網(wǎng)絡通信子程序發(fā)送火警短信至用戶手機。

家庭防盜防火系統(tǒng)初始化完成后,被動熱釋電紅外探測器持續(xù)檢測室內(nèi)是否有人員非法入侵。一旦有人入侵,探測器將發(fā)送入侵報警信號至單片機。主程序接收到入侵報警信號后,調(diào)用報警子程序進行聲光報警,并調(diào)用GSM無線網(wǎng)絡通信子程序發(fā)送非法入侵短信至用戶手機。

GSM無線網(wǎng)絡通信模塊是實現(xiàn)遠程控制的重要模塊,當前端各類火災報警傳感器檢測到異常情況時,T35工業(yè)模塊以固定格式發(fā)送火災或入侵短信至用戶手機。短信內(nèi)容必須符合相關(guān)通信協(xié)議,用戶手機與單片機都可以接收短信,并可以編譯處理指令。

5 系統(tǒng)調(diào)試

GSM無線網(wǎng)絡通信模塊調(diào)試是系統(tǒng)調(diào)試最關(guān)鍵的部分。程序編譯完成后,借助串口調(diào)試工具檢驗GSM無線網(wǎng)絡通信模塊是否能夠正常通信,并且對不同的報警信息進行編碼、調(diào)試。在串口調(diào)試工具中,選擇匹配的串行通信口,并設置波特率為9 600 Bd。設置好后使系統(tǒng)上電,在串口調(diào)試工具中發(fā)送“AT+CMGF=0”字符指令,并將工作模式設置為協(xié)議數(shù)據(jù)單元模式。統(tǒng)一碼轉(zhuǎn)碼工具將TC35工業(yè)模塊需要向用戶手機發(fā)送的報警信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一碼。發(fā)送成功后,用戶手機上會收到TC35工業(yè)模塊發(fā)送的報警信息。

6 結(jié)論

筆者基于GSM和單片機設計了家庭防盜防火系統(tǒng),能夠滿足家庭或辦公室等場所對消防、安防的需求[8-11]。當然,這一系統(tǒng)僅能通過短信方式報告警情,無法實現(xiàn)電話報警,語音錄放電路的錄放時間仍然較短,模擬室內(nèi)有人的效果有限。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展,遠程防盜防火系統(tǒng)正在向智能化的方向發(fā)展。為了使警情得到快速處置,家庭防盜防火系統(tǒng)可以與小區(qū)物業(yè)管理中心聯(lián)網(wǎng),以便安保人員及時趕到現(xiàn)場處理警情,確保業(yè)主人身財產(chǎn)安全。