基于單片機控制的GSM短信模塊涉密辦公區(qū)域報警系統(tǒng)

隨著國家的崛起，越來越多的核心技術(shù)應(yīng)用于國家的建設(shè)中，而某些國外的組織利用一些人貪婪的本性，利用他們竊取國家的機密信息，對我國的發(fā)展造成的嚴(yán)重的影響，所以建立安全有效的報警系統(tǒng)是我們迫在眉睫的工作。本設(shè)計是建立一個基于單片機控制的GSM短信模塊的辦公區(qū)域報警系統(tǒng)，對涉密辦公區(qū)域的有效監(jiān)控報警，遠程通知的功能實現(xiàn)。

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計思路

本系統(tǒng)由人體紅外探測器采集涉密辦公區(qū)域報警信號，若檢測到有人闖入，則探測器將把報警信號送入89C51單片機，單片機發(fā)送控制指令，控制GSM短信模塊執(zhí)行向警衛(wèi)發(fā)送報警信息的指令，從而可以實現(xiàn)該系統(tǒng)的防盜報警功能。

基本工作原理：利用被動式熱釋電型紅外傳感器檢測人體輻射的紅外線，當(dāng)檢測到紅外信號變化時，將其轉(zhuǎn)化為微弱的電信號，經(jīng)過信號處理電路對電信號進行濾波、放大、比較、輸出高電平作為告警信息送給MCU，MCU 判斷是否報警，如果滿足報警條件就會發(fā)出控制信號輸出指令，使GSM短信模塊給用戶發(fā)短信息，實現(xiàn)防盜報警。系統(tǒng)流程：人體紅外探測器-單片機控制器-GSM短信模塊-用戶終端。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于STC89C51單片機控制的GSM短信模塊家庭報警防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成為人體紅外探測器、單片機控制器、GSM短信模塊，用戶接收終端。在該單片機控制系統(tǒng)里，經(jīng)軟件查詢、識別判斷環(huán)節(jié)實時發(fā)出入侵報警狀態(tài)控制信號。發(fā)出指令使電路將控制信號放大并推動GSM模塊指定用戶發(fā)送報警信息，從而實現(xiàn)報警功能。當(dāng)報警延遲20s后自動解除，也可進行人工手動解除報警信號的操作，當(dāng)警情消除后，復(fù)位電路發(fā)揮指令，系統(tǒng)可進行復(fù)位。

圖1 總體設(shè)計流程圖

1.3 人體紅外傳感器

該系統(tǒng)選用的是人體紅外傳感器HC-SR501，其在夜里也可進行監(jiān)視功能。人在8米范圍內(nèi)都會被檢測到，它的覆蓋角度是120°，可以組成椎體感熱區(qū)域，在空間形成立體警戒，并可以達到立體范圍內(nèi)全監(jiān)測目的。熱釋電紅外傳感器的工作特性：全自動感應(yīng)。當(dāng)傳感器檢測到人體時端口輸出高電平，當(dāng)檢測范圍內(nèi)沒有紅外信號時端口輸出低電平；可重復(fù)觸發(fā)。如一直感受到人體發(fā)出的紅外信號，則輸出一直保持高電平，人離開延時斷開；工作電壓寬為DC3V-DC24V；感應(yīng)范圍大；功耗低；適應(yīng)性強；靈敏度高，具有較強的工作可靠性。

1.4 51單片機

處理器采用的是51單片機的89C51系列，這種單片機具有功率低、性能強、超強抗干擾的優(yōu)勢。這款單片機是芯片與一個8位微控制器4K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程快閃記憶體。由圖2看出，這款單片機是在這一塊芯片上集成了一臺微型計算機的主要組成部分，其中包括中央處理區(qū)CPU、存儲器、可編程I/O口、定時器/計數(shù)器、串行口等，還有復(fù)位電路、時鐘電路、晶振電路集成一個整體。

圖2 51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.5 SIM900A 短信模塊

最新一代的SIM900A GSMGPRS 開發(fā)板可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS（短信，彩信）、數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸?shù)墓δ?；SIM900A 模塊支持RS232串口和LVTTL 串口，模塊可以非常方便的與設(shè)計的產(chǎn)品進行聯(lián)接；此模塊供電的要求為5V 供電，因為加了大電容所以可以直接連接單片機。電腦調(diào)試USB-232和USB-TTL 均可，具有遠程遙控功能；sim900a短信模塊也支持2、3、4G 手機卡。

2 硬件電路設(shè)計

電源電路設(shè)計。本設(shè)計采用系統(tǒng)供電，同時實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換、濾波穩(wěn)壓等功能。電源電路在系統(tǒng)中具有重要作用，若電源不能為系統(tǒng)提供需要的電壓電流，那么整個系統(tǒng)功能將無法實現(xiàn)；自鎖開關(guān)。第一次按下不會自動彈起，進入鎖定狀態(tài)，開關(guān)接通。第二次按下會彈起，及接觸鎖定狀態(tài)，開關(guān)斷開。

人體紅外探測信號輸入電路設(shè)計。人體紅外探測電路是由人體紅外感應(yīng)模塊、信號流入放大器進行放大并通過比較器進行比較后將信號輸出，分為四部分。人體紅外探測電路開始工作時，人體紅外傳感器檢測到有人體發(fā)出的信號時，由傳感器引腳發(fā)出的微弱電信號經(jīng)過放大電路，把輸入進來的微弱電信號不失真的放大到所需的數(shù)值，經(jīng)過比較電路后判斷傳感器接受到的人體紅外熱釋電信號強度是否足夠大。若強度足夠大則輸出低電平，若強度不夠大則持續(xù)輸出高電平。三極管是一種控制電流的常見元器件，目的就是可以把微弱的電信號以不失真的要求放大成幅度值比較大的或者是所需要的電信號。

時鐘電路與復(fù)位電路的設(shè)計。時鐘電路的設(shè)計：為滿足定時和計時的功能所以設(shè)計了時鐘電路。XTAL1和XTAL2為11.0592MHZ的晶 振的管腳，為芯片提供時鐘振蕩。C22和C23采用的都是30pf的瓷片電容。本設(shè)計中有兩個復(fù)位方法，一個為手動按鍵復(fù)位，即RESET 端不間斷的輸出兩個機器周期的高電平時就可達到復(fù)位目的；另一個是上電復(fù)位，當(dāng)VCC 接通電的瞬間，由于電容電壓不會發(fā)生突變，故電容倆段電壓為零，所以送到單片機內(nèi)引腳RST的信號為高電平。電流通過R1后電容開始充電，電容倆端電壓開始增加，引腳RST 不斷減少，直到變?yōu)榱?，成為低電平則完成上電復(fù)位。

聲光報警電路原理。聲光報警電路由蜂鳴器、限流電阻R1、發(fā)光二極管和三極管組成。單片機I/O口驅(qū)動能力有限，不能直接驅(qū)動大電流用電器件，所以需要加入三極管用來放大電流。從單片機引腳BUZZ 與基極B相連，則單片機發(fā)出低電平信號，則聲光報警電路導(dǎo)通，電路開始通電，蜂鳴器開始進入工作狀態(tài)，發(fā)出嗶嗶嗶的響聲，發(fā)光二極管開始發(fā)紅光并不停的閃爍。

按鍵輸入電路。由三個按鍵組成，引腳與單片機引腳對接。按鍵按下I/O電平拉低，在程序中掃描I/O口即知道按鍵狀態(tài)。

指示燈電路。I/O接口輸出低電平時燈亮。本設(shè)計中共有三種顏色的發(fā)光二極管，分別為紅，綠，黃。

GSM通信模塊電路。本GSM通信模塊用的是SIM900A 模塊，模塊的引腳TX 與單片機RX相接，模塊RX 引腳與單片機引腳TX相接。圖中濾波電容C4與并聯(lián)在電源電路輸出端，可使短信發(fā)送模塊更穩(wěn)定，可使電源直流輸出平滑穩(wěn)定，降低了交變電流對模塊工作正常性能的影響。GSM模塊用的是UART 通信協(xié)議，UART 協(xié)議是一種通用數(shù)據(jù)總線的名稱，用于異步通信，在SIM900A 中用于主機與通信設(shè)備之間的通信。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件程序的實現(xiàn)

本系統(tǒng)包含硬件電路和軟件程序兩大部分，硬件電路設(shè)計完畢后需要完成軟件部分設(shè)計。從功能上可將軟件功能分為兩種類型，其一主程序，其二為子程序。所有設(shè)計出來的小執(zhí)行程序都是一個小的功能執(zhí)行模塊，用來達到用戶設(shè)定的目的，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。各子程序原理如下。

防盜報警子程序。當(dāng)監(jiān)測到達到報警要求的紅外輻射信號后，啟用對應(yīng)的防盜報警子程序即可實現(xiàn)防盜報警的功能，其防盜報警的設(shè)計原理：單片機輸出有效電平后對應(yīng)的聲光報警電路里面的三極管導(dǎo)通，聲光報警電路通電，做出報警的指令，蜂鳴器發(fā)出報警聲，二極管閃爍。

串行口通信子程序。單片機和SIM900A GSM短信發(fā)送進行通信時，晶振是11.0592MHZ,定時器產(chǎn)生9600波特率，當(dāng)REN=0時允許串口接收數(shù)據(jù)；當(dāng)ES=0串口中斷應(yīng)許；當(dāng)EA=1，開啟中斷。串口通信程序一般采用的有三種：查詢、中斷、DMA。其中單片機的TXD 與SIM900A GSM短信發(fā)送模塊的RXD，單片機的RXD 與SIM900A GSM短信發(fā)送模塊TXD，發(fā)送用的是查詢指令，接收用的是中斷指令。

圖3 主程序流程圖

圖4 GSM短信模塊報警流程圖

3.2 主程序及相關(guān)子程序、模塊流程工作圖

主程序主要是當(dāng)人體紅外模塊監(jiān)測到紅外輻射劇烈變化后，判斷出有人入，則主程序開始發(fā)送報警信息，指令到達通信報警模塊，繼續(xù)執(zhí)行，一直循環(huán)。當(dāng)人體紅外模塊熱釋電模塊監(jiān)測到有人闖入時，進入布防狀態(tài)的系統(tǒng)的綠色指示燈開始閃爍，會不停地閃爍20s，如果人體紅外輻射還可以檢測到的話將執(zhí)行短信報警模塊，單片機會執(zhí)行報警指令（圖3）。

短信模塊報警流程。系統(tǒng)監(jiān)視到有人闖入后，布放綠色指示燈開始閃爍20s 后，GSM短信發(fā)送模塊發(fā)送防盜報警短信，待發(fā)送完成后黃色指示燈將不再閃爍（圖4）。本系統(tǒng)中設(shè)計了緊急報警程序，有一個緊急按鈕可使單片P2.0輸出高電平，短信報警模塊直接會執(zhí)行短信報警功能（圖5），信號采集流程如圖6。

圖5 緊急報警子程序流程

圖6 信號采集流程圖

4 結(jié)語

國家最近在大力建設(shè)第五代通信網(wǎng)絡(luò)，其峰值速度大約在1GB/S，比起現(xiàn)在的4G 要快近100倍，那么在未來可能就不只是發(fā)送短信這么簡單了，如果在涉密辦公區(qū)域報警系統(tǒng)中加入了高清攝像功能，那么結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)可以瞬間發(fā)給用戶，那么用戶可以立刻與警衛(wèi)人員聯(lián)系，第一時間掌握不法分子的全部特征，更利于國家或者企業(yè)的保密工作。