一種基于SIM800C 通信模塊的遠(yuǎn)程防盜報(bào)警器設(shè)計(jì)

李建杰，楊延寧，2，孫宇航，杜永星

（1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000；2.南昌理工學(xué)院，江西 南昌 330044）

目前，安全防護(hù)技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，特別是道路交通、商場(chǎng)超市等公共場(chǎng)所設(shè)置了大量的監(jiān)控，人們的安全感越來(lái)越高。相對(duì)而言，家庭的防盜基本上還是停留在防盜門(mén)和防盜網(wǎng)的較低層次上。由于工作忙碌，單位和住所距離較遠(yuǎn)，家庭遠(yuǎn)程防盜的需求越來(lái)越高。而傳統(tǒng)的防盜門(mén)和防盜網(wǎng)雖然能阻止一定盜竊行為的發(fā)生，但它們?cè)诜阑鹬械膯?wèn)題越來(lái)越多。因此，家庭防盜報(bào)警器的安裝變得尤為重要。文中設(shè)計(jì)了一款符合市場(chǎng)需求的高性能、低價(jià)格的遠(yuǎn)程防盜報(bào)警器，用戶手機(jī)可通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò)接收?qǐng)?bào)警信息,對(duì)遠(yuǎn)程防盜技術(shù)領(lǐng)域有較大的促進(jìn)作用[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

遠(yuǎn)程防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖如圖1 所示。外圍電路以單片機(jī)STM32F103C8T6 為主控器，包括熱釋電紅外傳感器、蜂鳴器報(bào)警模塊、GSM 模塊以及電源模塊等。熱釋電紅外傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)紅外輻射的變化，進(jìn)行防盜監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)被盜情況時(shí)，由單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)，用戶手機(jī)通過(guò)GSM 模塊接收?qǐng)?bào)警信息。

圖1 系統(tǒng)總體方框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件原理

系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖2 所示。硬件電路包括手機(jī)通信模塊（GSM）、電源接口電路、人體傳感器（熱釋電紅外傳感器）電路、蜂鳴器報(bào)警電路、MCU以及按鍵電路等。

圖2 硬件電路原理圖

2.2 熱釋電紅外傳感器

熱釋電紅外傳感器又稱人體紅外傳感器，是一種將紅外熱信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，其內(nèi)部原理圖如圖3 所示。從圖3 可以看到，其本質(zhì)上就是在一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管基礎(chǔ)上給柵極g 接入一個(gè)探頭，探頭內(nèi)由壓電陶瓷電介質(zhì)制作。探頭檢測(cè)到10 μm 左右的紅外線時(shí)就將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。壓電材料接收紅外輻射后溫度升高，將失去其表面電荷，這就是熱釋電概念的由來(lái)[3-4]。這些失去的電荷通過(guò)放大器放大而轉(zhuǎn)換為電壓輸出。恰好人體在37°左右的溫度時(shí)會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)為10 μm 左右的紅外線，因此，稱之為人體傳感器[5-8]。

圖3 熱釋電紅外傳感器原理圖

2.3 GSM模塊

GSM 模塊采用SIM800C 通信模塊，具有短信發(fā)送、語(yǔ)音通話、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)葦?shù)據(jù)通信功能，其性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價(jià)比高[9]。用戶首先將自己的手機(jī)與防盜系統(tǒng)通信端口綁定，以便能夠接收GSM網(wǎng)絡(luò)的盜竊信息，實(shí)時(shí)提醒用戶正在發(fā)生的情況。SIM800C 共有40 個(gè)引腳，通過(guò)一個(gè)ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出[10]。SIM800C 引腳圖如圖4 所示。

圖4 SIM800C 引腳圖

2.4 報(bào)警電路

在防盜報(bào)警器設(shè)計(jì)中，選用了蜂鳴器報(bào)警，通過(guò)外接一個(gè)9012的三極管作為驅(qū)動(dòng)，起到電路報(bào)警開(kāi)關(guān)的作用，三極管9012 的發(fā)射極接到供電端，電壓為高電平3.3 V，基極接收來(lái)自單片機(jī)的控制端29腳PB10。當(dāng)傳感器未檢測(cè)到有人入侵時(shí)，單片機(jī)控制端PB10輸出高電平，三極管9012處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不響，同時(shí)，單片機(jī)15腳PA1輸出低電平，D2綠色發(fā)光二極管發(fā)光，表示沒(méi)有被盜。當(dāng)傳感器檢測(cè)到有人入侵時(shí)，單片機(jī)控制端PB10 輸出低電平，三極管9012 就進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出響聲[11]，同時(shí)，單片機(jī)20腳PA4 輸出高低脈沖，D1 紅色發(fā)光二極管閃爍，表示現(xiàn)場(chǎng)處于被盜狀態(tài)。蜂鳴器報(bào)警電路圖如圖5所示。

圖5 蜂鳴器報(bào)警電路圖

2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)

報(bào)警器設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)是STM32F103C8T6，其采用LQFP44 封裝。該單片機(jī)相比其他產(chǎn)品具有更高性價(jià)比。STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)板原理圖如圖6 所示。

圖6 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板原理圖

最小系統(tǒng)電路有STM32F103C8T6 單片機(jī)芯片和時(shí)鐘電路，時(shí)鐘電路由一個(gè)8 MHz 晶振和兩個(gè)30 pF 電容串聯(lián)接入時(shí)鐘輸入腳[12-13]。

BOOT 引腳可以選擇不同的啟動(dòng)模式，如表1 所示，通過(guò)BOOT0 和BOOT1 腳的電平組態(tài)可以控制啟動(dòng)模式[14]。

表1 STM32啟動(dòng)模式表

復(fù)位電路：系統(tǒng)工作前需要進(jìn)行復(fù)位，通過(guò)足夠的時(shí)間進(jìn)行初始化，需要在NRST 腳（單片機(jī)的第7腳）保持低電平信號(hào)，芯片正常工作[15]。

3 軟件設(shè)計(jì)

在用戶按下布防鍵后，經(jīng)過(guò)15 s 倒計(jì)時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，熱釋電紅外傳感器一旦監(jiān)測(cè)到人體（竊賊）信號(hào)，就將信號(hào)傳遞給單片機(jī)進(jìn)行程序處理，單片機(jī)輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警和發(fā)光二極管閃爍，并通過(guò)GSM 模塊向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)保證發(fā)光二極管的閃爍和蜂鳴器警報(bào)同步。如果沒(méi)有人取消報(bào)警，程序?qū)?huì)持續(xù)循環(huán)進(jìn)行報(bào)警工作。系統(tǒng)還設(shè)置了手動(dòng)報(bào)警按鍵，突發(fā)情況下通過(guò)手動(dòng)按鍵也能達(dá)到報(bào)警效果。主程序流程圖如圖7 所示。

圖7 主程序流程圖

4 調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

系統(tǒng)的硬件調(diào)試步驟如下：

1）在上電之前，對(duì)照電路圖檢查硬件電路，進(jìn)行逐個(gè)排查，檢查是否有多線、少線和引腳短路、開(kāi)路等現(xiàn)象。

2）檢查單片機(jī)及各硬件模塊供電是否正常，電源電壓是否穩(wěn)定。

3）通電后檢查單片機(jī)外設(shè)電路是否可以正常工作，特別檢查熱釋電紅外傳感器等部件是否正常工作。在燒入程序后檢查復(fù)位功能和程序燒寫(xiě)是否正常。

4）用萬(wàn)用表和示波器按照信號(hào)流動(dòng)的方向測(cè)量電路的連通性。

電路調(diào)試是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，需要通過(guò)檢測(cè)-調(diào)試-檢測(cè)-調(diào)試的過(guò)程來(lái)提高硬件電路的性能，減小系統(tǒng)誤差，達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4.2 軟件調(diào)試

在確認(rèn)硬件電路調(diào)試無(wú)誤后，再對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行調(diào)試。編程語(yǔ)言采用C 語(yǔ)言，軟件平臺(tái)采用Keil5。軟件部分的調(diào)試主要是檢測(cè)硬件部分與編寫(xiě)的軟件程序是否匹配，確認(rèn)是否可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1）首先檢測(cè)各模塊初始化配置是否正常，比如熱釋電紅外傳感器的引腳配置以及STM32F103C8T6的GPIO 配置是否正常。

2）檢查各模塊的數(shù)據(jù)是否可以接收和發(fā)送，比如，熱釋電紅外傳感器是否可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)送給報(bào)警電路，確保信息傳輸?shù)倪B通性和準(zhǔn)確性，防止出現(xiàn)亂碼傳輸現(xiàn)象。

3）用仿真CPU 來(lái)模擬執(zhí)行程序，在沒(méi)有正式上機(jī)之前，可以采用MDK 自帶的在線仿真器來(lái)調(diào)試程序。在線仿真調(diào)試能使程序的執(zhí)行速度提高，但程序執(zhí)行完后如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，不容易找出具體出錯(cuò)的行。如果采取單行程序執(zhí)行，當(dāng)程序執(zhí)行到某一行并出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤之處，但當(dāng)程序運(yùn)行量很大時(shí)，就會(huì)大大降低效率。有些程序中的變量需要達(dá)到某一個(gè)值時(shí)才能被執(zhí)行到，因此，單行調(diào)試就很難執(zhí)行整個(gè)程序。

基于上面仿真調(diào)試遇到的問(wèn)題，主要的解決方法就是在進(jìn)行程序調(diào)試時(shí)設(shè)置斷點(diǎn)，斷點(diǎn)設(shè)置好以后開(kāi)始不間斷地全速運(yùn)行程序。當(dāng)執(zhí)行到斷點(diǎn)行時(shí)程序就會(huì)自動(dòng)停止，通過(guò)觀察變量和相關(guān)寄存器的值就可以確定錯(cuò)誤之處，此方法方便快捷，可以提高編程效率。

5 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)的基于SIM800C 通信模塊的遠(yuǎn)程防盜報(bào)警器，當(dāng)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)到有人在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警模式，微控制器接收信號(hào)處理后發(fā)送報(bào)警控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路開(kāi)始報(bào)警，同時(shí)，微控制器通過(guò)GSM 向預(yù)先綁定的用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，使得用戶及時(shí)獲知被盜警情。經(jīng)調(diào)試，其符合設(shè)計(jì)要求。該報(bào)警器功能還可以進(jìn)一步拓寬，可在紅外報(bào)警的基礎(chǔ)上增加煙霧溫度報(bào)警、紅外遙控等功能[16]。