基于STC89C52微控制器與GSM 技術(shù)的家庭安全報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在全球范圍內(nèi)，隨著人們生活質(zhì)量的顯著提升，家庭財(cái)富的安全保障問題受到了前所未有的關(guān)注。文章主要探討的是以STC89C52微控制器為基礎(chǔ)，結(jié)合GSM技術(shù)構(gòu)建的家庭安全報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)。借助GSM模塊，系統(tǒng)能即時(shí)向預(yù)設(shè)的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送警報(bào)信息，確保家人能在第一時(shí)間獲知情況，即便家中無人也能迅速采取應(yīng)對(duì)措施。此防盜系統(tǒng)可安放在隱蔽位置進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測，并且GSM模塊能夠發(fā)送報(bào)警短信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。文章將圍繞信息采集、信息處理、警報(bào)機(jī)制以及GSM模塊的運(yùn)用等方面展開詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；家庭安防；報(bào)警系統(tǒng)

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

文章編號(hào)：1009-3044（2024）27-0073-03

0 前言

我國的家居安全防護(hù)體系，尤其是防盜報(bào)警器，已有較長的歷史。常見的裝置包括安裝于門窗的感應(yīng)開關(guān)，以及應(yīng)用于超市的電子防盜系統(tǒng)（EAS） 。盡管這些設(shè)備各司其職，但也存在一些局限性：比如超市的防盜系統(tǒng)依賴于商品上的特殊磁性標(biāo)簽，在家庭環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。許多防盜警報(bào)系統(tǒng)依然信賴熱釋電紅外感應(yīng)器，這些感應(yīng)器通過將紅外輻射的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電阻和電壓變化來向處理單元發(fā)送信息。盡管安全系統(tǒng)的革新并不算快，大多數(shù)裝置仍然堅(jiān)守著傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)路線。

在近幾年，雖然有紫外線傳感器嶄露頭角，但由于其對(duì)電壓的要求高且價(jià)格昂貴，這類傳感器更多地被大型企業(yè)采用，而非家庭或住宅環(huán)境。再者，由于有效距離和靈敏度的限制，這些高級(jí)傳感器在日常應(yīng)用中并未得到廣泛普及。

1 我國家庭安防報(bào)警系統(tǒng)主體硬件模塊與結(jié)構(gòu)方案

1.1 硬件模塊

1） 主控單元決策：在初步考慮中，兩種備選方案浮現(xiàn)：該系統(tǒng)以STC89C52為第一種方案的單片機(jī)架構(gòu)，方案二的單片機(jī)架構(gòu)則是以MSP430為核心，設(shè)計(jì)兩種不同的設(shè)計(jì)方案。在對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜程度、成本效益和資源配置進(jìn)行全面的分析之后選擇STC89C52微處理器作為核心控制單元，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2） 按鈕輸入模塊抉擇：對(duì)于輸入設(shè)備曾探討過兩種路徑：獨(dú)立按鍵與矩陣鍵盤[1]。經(jīng)過對(duì)比分析，矩陣鍵盤在性價(jià)比上明顯優(yōu)于獨(dú)立按鍵，因此本系統(tǒng)選擇矩陣鍵盤作為系統(tǒng)的主要輸入設(shè)備，以提升用戶體驗(yàn)和操作效率。

3） 顯示模塊的選擇：在眾多選項(xiàng)中對(duì)數(shù)碼燈動(dòng)態(tài)掃描指示器、LCD1602 和LCD12864 進(jìn)行深入考察。相較于前兩者，LCD12864憑借其驚人的128×64像素分辨率，總計(jì)8 192像素，以及其由4位和8位行構(gòu)成的簡潔接口，能實(shí)現(xiàn)更清晰的計(jì)算機(jī)界面展示[2]?？紤]到其豐富的顯示能力，本系統(tǒng)最終決定采用LCD1602來呈現(xiàn)信息，以提升整體視覺效果和信息傳遞的準(zhǔn)確性。

4） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的甄選：在初期考慮中，有兩個(gè)備選方案：一是依賴于設(shè)備自帶的內(nèi)置EPROM存儲(chǔ)；二是選用高效能的AT24C02專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。開發(fā)者傾向于采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)，以簡化操作并削減非必要的設(shè)備開銷。存儲(chǔ)芯片設(shè)計(jì)上，其包含一個(gè)16 字節(jié)的分頁寫入緩沖區(qū)，運(yùn)行于IIC通信總線，具備獨(dú)特的寫保護(hù)功能。鑒于這些特性以及基于成本效益和易于集成的需求，我們最初傾向于選擇內(nèi)置EPROM存儲(chǔ)作為起始方案。

5） 報(bào)警模塊的抉擇：在對(duì)比分析中，兩種方案浮出水面：一是采用具備語音輸出的高級(jí)報(bào)警模塊；二是利用LED燈和蜂鳴器作為基本警告裝置[3+vfH9bi7n5KCkcnSOqRFpA==]?？紤]到編程復(fù)雜度和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，以及實(shí)時(shí)反饋用戶信息的重要性，最終決定采用簡單且成本效益高的LED燈和蜂鳴器作為報(bào)警組件。

6） 采用熱釋電紅外感應(yīng)器。挑選適宜的紅外感應(yīng)器對(duì)于外部環(huán)境的監(jiān)測至關(guān)重要，要求其具備高度的敏感性。HC-SR501熱釋電紅外感應(yīng)器是一種在20世紀(jì)80年代嶄露頭角的高性能組件，專門探測人體發(fā)出的紅外輻射并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，主要應(yīng)用在安防報(bào)警、自動(dòng)控制、節(jié)約能源等方面。它利用對(duì)身體的紅外線進(jìn)行探測，利用電子信號(hào)的改變來傳輸信息，內(nèi)置的增益回路可以增強(qiáng)該信號(hào)，從而使控制回路完成相關(guān)的功能。

7） 煙霧探測傳感器的選擇。日常生活中的火災(zāi)預(yù)警通常依賴于兩種傳感器，即溫度傳感器和煙霧傳感器。溫度傳感器通過內(nèi)置的加熱元件精確感知外界溫度變化，以預(yù)防火災(zāi)；而煙霧傳感器則利用氣體傳感器檢測可能的可燃?xì)怏w及燃燒產(chǎn)生的煙霧，并在報(bào)警電路中觸發(fā)相應(yīng)的電信號(hào)以警示火警。本次設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)分析，決定選用MQ-2傳感器。

1.2 結(jié)構(gòu)方案

該體系結(jié)構(gòu)（如圖1） 包含紅外感應(yīng)器和煙霧探測器，能夠生成信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，通過STC89C52微控制器處理。隨后，GSM模塊擔(dān)當(dāng)起向用戶發(fā)送緊急警報(bào)信息的任務(wù)，以告知用戶家庭狀況[4]。系統(tǒng)的核心組成部分包括數(shù)據(jù)獲取、按鍵操作和警示模塊。數(shù)據(jù)收集工作由各類傳感器執(zhí)行，按鍵控制則主要對(duì)接單片機(jī)。GSM模塊承擔(dān)遠(yuǎn)程警報(bào)功能，并將信息傳遞至移動(dòng)設(shè)備。

1） 基于STC89C52的架構(gòu)。

2） 設(shè)計(jì)要求傳感器能迅速察覺室內(nèi)的安全威脅，如盜竊活動(dòng)或火源。系統(tǒng)采用兩類傳感器，即熱釋電紅外傳感器和煙霧感應(yīng)器，專門用于監(jiān)測住宅或建筑內(nèi)的火警情況。一旦傳感器捕捉到相關(guān)跡象，會(huì)觸發(fā)聲音和光線報(bào)警。在災(zāi)害發(fā)生且家中無人時(shí)，GSM模塊會(huì)發(fā)送短信通知，確保成員能及時(shí)得知警報(bào)信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

針對(duì)STC89C52的最簡工作體系，設(shè)計(jì)了重置和觸發(fā)器兩大核心功能模塊。該重置回路采用精巧的設(shè)計(jì)，具有兩種工作方式：自動(dòng)和人工。當(dāng)供電接通后，重置程序就會(huì)被電容的負(fù)電極所啟動(dòng)，電阻在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過電源獲得電壓，使芯片回歸初始狀態(tài)[5]。隨著電源電壓的提升，復(fù)位電壓逐漸降低至接近零點(diǎn)。此外，復(fù)位按鈕與電容器相連，只有當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)處于未連接狀態(tài)時(shí)，按鈕才會(huì)保持靜默。在開始操作前，必須確保芯片已正確連接，此時(shí)才可進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位操作。

2.2 其他系統(tǒng)硬件

1） 熱釋電紅外傳感器。選擇PIR加熱紅外傳感器的原因在于其卓越的靈敏性，這種傳感器專門設(shè)計(jì)用于捕捉由高溫物體釋放的紅外輻射。其構(gòu)造包含一系列高效組件，如集成的紅外發(fā)射和接收電路，由一對(duì)分別負(fù)責(zé)發(fā)送和接收紅外信號(hào)的D5和D6二極管構(gòu)成。當(dāng)有人侵入時(shí)，人體遮擋紅外線路徑，接收電路因此無法接收到信號(hào)，從而觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，整個(gè)過程可通過單一微芯片進(jìn)行控制。

2） 煙霧傳感器。該模塊在氣體泄漏探測中表現(xiàn)出色，尤其對(duì)LPG、丙烷和氫氣等氣體極其敏感，對(duì)各種家用可燃?xì)怏w也有良好的檢測效果，因此被廣泛應(yīng)用在住宅和商業(yè)場所的氣體泄漏監(jiān)控中。

3） 聲光報(bào)警器。應(yīng)急回路模塊以主控中心為核心，對(duì)LED 燈及蜂鳴器進(jìn)行操作。在裝配時(shí)，采用2.2KΩ的兩個(gè)告警電阻器，以便在放大該信號(hào)時(shí)，可以在微控制器上顯示警告標(biāo)志，進(jìn)而觸發(fā)雙警報(bào)，即蜂鳴器和LED的閃爍。

4） LCD1602顯示器與電路。顯示器提供兩種顯示方式：一是即時(shí)顯示，采用LED顯示，當(dāng)特定信號(hào)輸入對(duì)應(yīng)的引腳時(shí)，能呈現(xiàn)所需信息；二是符號(hào)顯示，將被顯示的內(nèi)容以畫面的主體文字表示[6]。使用者可以按要求啟動(dòng)文字的顯示，以及在資料輸出系統(tǒng)中呈現(xiàn)重要的元件。

5） 按鍵電路。部分是按鍵電路設(shè)計(jì)，防盜警報(bào)的啟停功能由操作人員通過按鍵來實(shí)現(xiàn)。

6） GSM通信模塊電路。部分涉及GSM通信模塊電路，為了實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的功能性需求，該設(shè)計(jì)整合了包括射頻芯片、主處理單元、存儲(chǔ)單元以及功率驅(qū)動(dòng)組件在內(nèi)的核心組件，構(gòu)建了一個(gè)擁有自主操作系統(tǒng)的多功能單元。這個(gè)單元不僅具備GSM射頻和基帶處理能力，還配備了標(biāo)準(zhǔn)化接口，旨在提供無縫且高效的通信性能。

7） 火災(zāi)警報(bào)模塊的電路。本研究選用的熱感火災(zāi)探測器模塊專為廣泛的火源監(jiān)測而優(yōu)化。其具備對(duì)紅外光譜的精確捕捉能力，從700到1 000納米波段的光線均能有效識(shí)別，尤其在880納米處展現(xiàn)出卓越的靈敏度。值得一提的是，其偵測角度的精準(zhǔn)度遠(yuǎn)超常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，能將自然背景下的噪音降低至少60°，確?；馂?zāi)的及時(shí)準(zhǔn)確探測。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)現(xiàn)軟件程序的判斷

在體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建中，單片機(jī)作為運(yùn)算核心，扮演著不可或缺的驅(qū)動(dòng)角色。它主導(dǎo)著整個(gè)系統(tǒng)的流暢運(yùn)作與全局調(diào)控。本系統(tǒng)中的傳感器陣列、模塊化的煙霧檢測以及人員與火警識(shí)別模塊，著重于界面顯示單元和關(guān)鍵算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。所有軟件構(gòu)建活動(dòng)主要依托C 語言，通過Keil 集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行基礎(chǔ)編碼。

數(shù)據(jù)處理模塊依據(jù)輸入類型劃分，生成的代碼被妥善儲(chǔ)存在編譯環(huán)境中，形成技術(shù)文檔。隨后會(huì)對(duì)程序進(jìn)行模擬運(yùn)行和深度調(diào)試，確保其完全符合預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)性能標(biāo)準(zhǔn)。一旦驗(yàn)證通過，會(huì)將系統(tǒng)在液晶顯示器和按鍵操作上進(jìn)行實(shí)地LCD功能測試，以此全面檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

3.2 軟件程序的工作原理

1） 主程序的運(yùn)作原理：在初始狀態(tài)下，在開啟期間系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制會(huì)被激活。當(dāng)激活完成后，如果煙霧檢測器檢測到周圍空氣中的易燃?xì)怏w含量突然增加，或者紅外傳感器捕捉到移動(dòng)的人體信號(hào)，主程序便會(huì)觸發(fā)處理器，啟動(dòng)一個(gè)持續(xù)五秒的聲光警報(bào)。若無進(jìn)一步信號(hào)，警報(bào)自然中止；若反復(fù)接收到警報(bào)信號(hào)，會(huì)繼續(xù)執(zhí)行并啟動(dòng)GSM模塊，自動(dòng)向預(yù)設(shè)的家庭電話發(fā)送警報(bào)通知。用戶可通過“取消”按鈕暫時(shí)解除警報(bào)狀態(tài)。

2） 中斷服務(wù)程序的工作原理：當(dāng)用戶按下防護(hù)按鈕，系統(tǒng)會(huì)設(shè)定一個(gè)20秒的保護(hù)暫停期。若在這段時(shí)間內(nèi)未有其他操作，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入持續(xù)提醒模式。中斷服務(wù)程序的核心任務(wù)在于及時(shí)中斷這些提醒，以確保系統(tǒng)的響應(yīng)靈活性。

3） GSM報(bào)警電路的設(shè)計(jì)原理：報(bào)警模塊構(gòu)成包括音頻、光效以及短信息報(bào)警模塊，其在檢測到報(bào)警信號(hào)時(shí)自動(dòng)激活，按照預(yù)設(shè)的模塊化邏輯進(jìn)行響應(yīng)動(dòng)作。每個(gè)模塊協(xié)同工作，確保在緊急情況下能迅速且有效地傳達(dá)警報(bào)。

4 系統(tǒng)調(diào)試與仿真

4.1 軟硬件調(diào)試

系統(tǒng)裝置的糾錯(cuò)涵蓋了多個(gè)方面，包括電路故障、觸點(diǎn)故障和焊接故障等。其中，控制部件的方向、線路的設(shè)計(jì)是否存在錯(cuò)誤，以及部件的方向是否正確等問題都需要考慮。在此情況下，必須對(duì)比電路板的物理構(gòu)造，或檢查電路是否存在錯(cuò)誤。若未發(fā)現(xiàn)問題，則需要重新安排維修時(shí)間，以確保判斷是否存在問題。

軟件系統(tǒng)的測試還需要使用包括Keil和系統(tǒng)裝置在內(nèi)的工具，以及PL2303的程序下載。在這個(gè)階段，如果液晶1602顯示屏出現(xiàn)花屏問題，可以對(duì)其進(jìn)行分析。如果該項(xiàng)目與該顯示裝置一起設(shè)計(jì)，就可以直接在該單元中進(jìn)行顯示。在保存后，可以針對(duì)每一個(gè)按鍵進(jìn)行相應(yīng)的操作，這樣可以節(jié)省大量的維修時(shí)間，同時(shí)也可以確保沒有任何錯(cuò)誤。

4.2 使用Proteus 仿真軟件

在模擬軟件環(huán)境中，首要任務(wù)是啟動(dòng)Proteus仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，新建一個(gè)工程文件，并從豐富的組件庫中挑選必要的元素，將它們精確放置于工作區(qū)，構(gòu)建出一條完整的電路模型。在設(shè)計(jì)出滿足需求的電路布局后，相應(yīng)的程序代碼與相關(guān)文檔將在STC89C52單片機(jī)上執(zhí)行。

5 結(jié)束語

綜上所述，項(xiàng)目展示的成果表現(xiàn)為一個(gè)依賴微控制器技術(shù)與GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的家庭安全警報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)獨(dú)具靈活性，允許用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和安全需求自定義監(jiān)控區(qū)域，并設(shè)定煙霧感應(yīng)的報(bào)警觸發(fā)點(diǎn)，確保極高的適應(yīng)性和便捷性。其可提供全面的安全監(jiān)控和即時(shí)報(bào)警功能，并借助GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與用戶的穩(wěn)定通訊，強(qiáng)調(diào)提升安全防護(hù)的重要性，以最有效的方式保障用戶的財(cái)物安全。

在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)代，家庭安全問題日益凸顯。中國的安全產(chǎn)業(yè)已經(jīng)演變成結(jié)合管理、計(jì)算機(jī)和通信等先進(jìn)技術(shù)的新興產(chǎn)業(yè)，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿凸饷鞯奈磥砬熬啊?/p>

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【通聯(lián)編輯：梁書】