基于GSM短信模塊的家庭防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

盧啟領(lǐng)　王歡

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；GSM模塊；傳感器

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）03-0100-03

1 緒論

現(xiàn)階段電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，各行各業(yè)在電子技術(shù)的加持下都變得更加智能、先進(jìn)。室內(nèi)安全一直是人們長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題。室內(nèi)安全包括用電、用氣安全以及防火、防盜等。輕則損失財(cái)產(chǎn)，重則可能禍及生命。一直以來(lái)，人們對(duì)自己以及家人的安全都非常重視。市面上也出現(xiàn)各種安全防護(hù)產(chǎn)品，比如，電子鎖防盜、火災(zāi)報(bào)警器防火以及燃?xì)庑孤┢鳈z測(cè)是否燃?xì)庑孤?。目前這些產(chǎn)品只能起到檢測(cè)、報(bào)警的作用，并且還是人在的時(shí)候發(fā)出一些報(bào)警的聲音，智能化較低。針對(duì)這些利用單純的智能電子鎖，火災(zāi)或者煙霧傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)的監(jiān)控系統(tǒng)，雖然可以達(dá)到防護(hù)作用，但種類繁多，會(huì)給監(jiān)控人帶來(lái)不好的體驗(yàn)[1]。本論文提出的監(jiān)控系統(tǒng)將以上數(shù)據(jù)信息采集全部集成，采集的信息經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理統(tǒng)一通過(guò)GSM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶。目前安防系統(tǒng)在信息傳送方面分為電話撥號(hào)、集群系統(tǒng)以及以太網(wǎng)方式[2]。但是它們的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)，例如電話撥號(hào)容易被干擾或者惡意占線；集群系統(tǒng)費(fèi)電、不耐用；以太網(wǎng)方式容易被切斷線路。所以GSM是最好的選擇，不受以上幾種情況的影響。GSM網(wǎng)絡(luò)是第二代移動(dòng)通信技術(shù)，就是人們常說(shuō)的2G網(wǎng)絡(luò)，最早的非智能手機(jī)，基本都是2G網(wǎng)絡(luò)。雖然技術(shù)老舊，但是由于2G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)最為完整，所以在穩(wěn)定性方面是毋庸置疑的。對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，并不需要花里胡哨的現(xiàn)場(chǎng)視頻，只需要告訴用戶是否異常，然后通知相關(guān)人員上門檢查即可。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，整體設(shè)計(jì)反映工作流程。好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定工作效率以及可靠度。通過(guò)分析以上幾種監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，本論文設(shè)計(jì)了一套基于非常穩(wěn)定的GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以解決以上提出的幾種隱患，從而讓家庭防盜、防火等更有保障。該系統(tǒng)整體是以AT單片機(jī)為核心，紅外、燃?xì)?、煙霧這三種傳感器分別承接前端的采集工作。消息處理完后將通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)推送給用戶。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片介紹

主控芯片就是經(jīng)常說(shuō)的CPU，主要作用就是對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收取，然后經(jīng)過(guò)處理，將下發(fā)執(zhí)行命令，包括動(dòng)作或者顯示?，F(xiàn)階段的微控制系統(tǒng)中，單片機(jī)借助自身的優(yōu)點(diǎn)一直是行業(yè)首選的處理器[3]。單片機(jī)的型號(hào)有很多，分別有各自不同的特點(diǎn)，不同的領(lǐng)域，不同的需求，對(duì)單片機(jī)的選擇也有所不同。本設(shè)計(jì)采用AT89S52作為主控制器，因?yàn)槠渚哂薪涌诤?jiǎn)單、使用方便并且功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。管腳排列如圖2。

3.2 GSM 模塊

GSM作為傳統(tǒng)的2G網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)逐漸地被現(xiàn)在的4G、5G所淘汰。但是支持2G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施還在，并且覆蓋范圍非常廣泛。對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)上傳的報(bào)警信息而言，更需要的是穩(wěn)定并不是多大的帶寬。所以選擇2G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳送是最佳的選擇。GSM模塊是用來(lái)當(dāng)作通信的硬件設(shè)備，該模塊包含基帶處理，調(diào)制解調(diào)以及存儲(chǔ)等功能[4]。當(dāng)用戶需要發(fā)送短信時(shí)，GSM模塊會(huì)將輸入的字符信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且將這些數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存至存儲(chǔ)器中。若用戶要撥打電話，GSM模塊會(huì)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后通過(guò)天線發(fā)送到基站上。

3.3 鐵電存儲(chǔ)器

對(duì)于數(shù)字信息時(shí)代，存儲(chǔ)器的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的永久儲(chǔ)存，隨時(shí)都可以調(diào)出任何時(shí)間的數(shù)據(jù)。不同的存儲(chǔ)器有不同的性能。根據(jù)不同的應(yīng)用選用不同的存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。有些存儲(chǔ)器可以一直存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即使斷電也會(huì)及時(shí)保存相關(guān)信息，有些則受斷電影響。針對(duì)家庭安防系統(tǒng)，對(duì)信息的存儲(chǔ)、回看非常重要，同時(shí)也要求在斷電時(shí)信息能夠及時(shí)儲(chǔ)存，因?yàn)槿f(wàn)一出現(xiàn)各種安全事故，首先是要進(jìn)行斷電的，所以這個(gè)時(shí)候監(jiān)控系統(tǒng)就不能被斷電所影響。家庭安防對(duì)于信息的存儲(chǔ)是非常重要的一項(xiàng)工作，常規(guī)的存儲(chǔ)器由于掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致后續(xù)用戶無(wú)法查詢[5]。本系統(tǒng)所采用的是鐵電存儲(chǔ)器，即使掉電也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，大大地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且相對(duì)于普通的存儲(chǔ)器而言，該款存儲(chǔ)器在寫入次數(shù)、寫入速度以及能耗方面都有近乎完美的表現(xiàn)。所以將該存儲(chǔ)器利用到家庭安防系統(tǒng)中是非常合適的[6]。

3.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

對(duì)于家庭防護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)上報(bào)家中情況是重中之重，要想使系統(tǒng)具有該功能，就必須采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘。本論文選用DS12887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片具有集成度高、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用在各個(gè)高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘場(chǎng)合[7]。并且內(nèi)含鋰電池，工作時(shí)間長(zhǎng)久，數(shù)據(jù)保存穩(wěn)定，同時(shí)可以很好地記錄時(shí)間。

3.5 后備電源

電能是任何電子產(chǎn)品的原動(dòng)力，即使安防監(jiān)控系統(tǒng)功能再?gòu)?qiáng)大，也需要供電。一旦失去供電，再厲害的設(shè)備也會(huì)癱瘓。所以，為了防止竊賊切斷電源，該系統(tǒng)一定要設(shè)置一個(gè)備用電源。一旦主電源被破壞，備用電源可以無(wú)縫銜接。對(duì)于備用電源的選擇，本次設(shè)計(jì)采用鉛酸蓄電池，因?yàn)槠渚哂泄ぷ鞣€(wěn)定、低維護(hù)頻率以及放電性能優(yōu)良等特點(diǎn)，是后備電源的不二之選[8]。但是同樣該款蓄電池還存在一個(gè)缺點(diǎn)：過(guò)充和欠壓?jiǎn)栴}，針對(duì)此問(wèn)題，本論文根據(jù)滯回比較器的特性解決了過(guò)充和欠壓?jiǎn)栴}，保證了該款蓄電池的正常工作。

3.6 傳感器

對(duì)于一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，傳感器是非常重要的一部分，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)?、火?zāi)以及盜竊的監(jiān)控，就需要前端傳感器的信息采集。對(duì)傳感器選型的不同，帶來(lái)的效果也不同。不管哪種傳感器，對(duì)它們采集出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理都是相同的，因?yàn)檩敵龅亩际情_(kāi)關(guān)量。本論文主要選擇紅外、煙霧以及氣體泄漏傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)[9]。

3.6.1 紅外傳感器

作為監(jiān)測(cè)盜賊的主要工具，紅外傳感器分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。本論文采用主動(dòng)式傳感器，相對(duì)于被動(dòng)式傳感器，主動(dòng)式傳感器在安裝上具有更靈活的表現(xiàn)，它可以安裝在窗戶或者門上面，當(dāng)有東西遮擋時(shí)便會(huì)觸發(fā)[10]。同時(shí)由于安裝在門窗位置，夜間主人的正?；顒?dòng)并不會(huì)受到影響，這就給用戶帶來(lái)了極大的便利性，并且降低了誤報(bào)率。

3.6.2 煙霧傳感器

對(duì)于煙霧傳感器，市面上有各種類型，針對(duì)不同的環(huán)境，選擇也不同。本論文選用離子式煙霧傳感器進(jìn)行信息采集。相比于傳統(tǒng)的氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器，該傳感器最顯著的特點(diǎn)是穩(wěn)定性高。針對(duì)此特點(diǎn)，其被廣泛地應(yīng)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中。

3.6.3 氣體泄漏傳感器

氣體泄漏是很嚴(yán)重的安全事故。對(duì)于家庭燃?xì)獾谋O(jiān)測(cè)，傳感器的選擇是非常重要的。市面上的傳感器多種多樣。但是大部分都只能采集常規(guī)的CO或者SO2，局限性很大。本次設(shè)計(jì)選用的電化學(xué)型傳感器不僅可以采集常規(guī)氣體還能檢測(cè)血液中的氧體積分?jǐn)?shù)。在使用方面具有監(jiān)控范圍廣、可靠性高的特點(diǎn)。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件是一個(gè)系統(tǒng)的靈魂。決定這個(gè)系統(tǒng)工作的先后順序，更決定這個(gè)系統(tǒng)的工作效率。好的算法可以將任務(wù)變得簡(jiǎn)單。通過(guò)多次的分析，在程序設(shè)計(jì)方面，本論文采用模塊化的軟件編程思想，將每一項(xiàng)功能獨(dú)立開(kāi)發(fā)，最后進(jìn)行匯總。通過(guò)該方式提高了編程的效率，同時(shí)易于維護(hù)和升級(jí)。主程序流程圖如圖3。

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，從功能上來(lái)說(shuō)，主要是傳感器采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)傳至主控芯片，主控芯片對(duì)該數(shù)字信號(hào)與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，如果偏大或者偏小，則主控芯片下達(dá)相關(guān)指令進(jìn)行動(dòng)作并且顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)的仿真測(cè)試

Protel 99se 軟件是一款性能非常強(qiáng)大的仿真軟件，軟件內(nèi)部含有常用的芯片型號(hào)以及傳感器。仿真時(shí)，只需要在該軟件庫(kù)里面找出相應(yīng)的軟件即可，但不是所有的器件都有。本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，主控芯片以及部分具體的傳感器并不能在器件庫(kù)里面找到，不過(guò)有相類似的型號(hào)可以選擇。因?yàn)闊o(wú)法在具體環(huán)境中做實(shí)驗(yàn)，所以論文采用Protel 99se軟件進(jìn)行仿真。該仿真選用庫(kù)中已有的MQ2傳感器以及主控AT 芯片，通過(guò)仿真能夠說(shuō)明整體的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)功能。仿真圖如圖4所示。

6 總結(jié)

家庭安全一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。本論文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)是從目前家庭安防需求出發(fā)，具有應(yīng)用價(jià)值。本論文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)從防盜，防火以及防燃?xì)庑孤┲?，將三種監(jiān)測(cè)功能集成于一身。方便且快捷地對(duì)家庭的安全進(jìn)行防護(hù)。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，根據(jù)具體的情況設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的功能。如時(shí)間上報(bào)、信息存儲(chǔ)等。信息傳輸方面，采用了最為穩(wěn)定的GSM網(wǎng)絡(luò)，確保報(bào)警信息穩(wěn)定推送。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中兼顧了性能與成本。硬件方面，從主控芯片再到各種傳感器，經(jīng)過(guò)多次研究、實(shí)驗(yàn)最終選擇了最合適的硬件。軟件設(shè)計(jì)方面，尤其是對(duì)算法的研究上，經(jīng)過(guò)多次局部測(cè)驗(yàn)，最終確定了最優(yōu)的工作方式。雖然不能進(jìn)行實(shí)景測(cè)試，但是依靠強(qiáng)大的仿真軟件，全方位地模擬了該系統(tǒng)的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有安全性高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)并且軟硬件的調(diào)試已經(jīng)完成，性能良好。

【通聯(lián)編輯：梁書】