周卓然，徐道連，斯蕓蕓

(重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶400030)

目前市場上家用報警系統(tǒng)多數(shù)是通過電話線實現(xiàn)報警功能的，當(dāng)電話線被惡意剪斷時，系統(tǒng)就會失去報警功能。針對此問題，將移動通信技術(shù)引入本系統(tǒng)設(shè)計中，避免了此類問題的發(fā)生，依據(jù)性價比及實際功能要求，本系統(tǒng)采用單片機(jī)及移動通信技術(shù)進(jìn)行總體方案的設(shè)計。把GSM/GPRS模塊和單片機(jī)、攝像頭模塊及語音模塊有機(jī)地結(jié)合起來，完成單片機(jī)與GSM/GPRS模塊的通信及與攝像頭模塊的通信，設(shè)計出功能強(qiáng)大的家庭網(wǎng)絡(luò)防盜系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)中的移動通信模塊采用廣州譜泰科技有限公司的PT39I模塊。外圍電路自行設(shè)計，通過單片機(jī)的RS232串口與移動通信模塊進(jìn)行連接。根據(jù)性價比以及系統(tǒng)的實際功能要求等，系統(tǒng)采用STC89C58單片機(jī)作為控制器，通過STC89C58標(biāo)準(zhǔn)的全雙工串口與移動通信模塊進(jìn)行通信。首先將傳感器采集到的報警信號發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)通過判斷，發(fā)送控制指令到通信模塊，通信模塊接到指令后調(diào)用設(shè)計好的報警短信息，利用GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機(jī)，實現(xiàn)報警功能[1]。用戶接到報警的短信息后，可以回復(fù)短信息到報警系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)用戶回復(fù)的短信息內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的判斷，從而發(fā)出相應(yīng)的防盜指令給控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。使用STC89C58單片機(jī)作為控制中心，配有警情采集模塊、移動通信模塊、報警模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、攝像頭、語音等模塊。系統(tǒng)總體硬件框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件組成模塊

2.1 PT39I模塊

PT39I是一款非常典型的無線通信GSM模塊，可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)功能、語音功能、短消息服務(wù)功能和傳真功能[2]。工作電壓為3.4 V～4.3 V,實際使用中建議的電壓值為3.8 V～4.0 V。工作在900 MHz和1 800 MHz以及1 900 MHz三個頻段，所在頻段功耗分別為 2 W（900 MHz）和 1W(1 800 MHz和 1 900 MHz)。

圖2中恒壓芯片為LM2941S，根據(jù)PT39I的電氣規(guī)范可知其允許的電壓范圍為3.4 V～4.3 V，因此可以將單片機(jī)的IO引腳直接接在PT39I模塊上ZIF連接器的15腳上，啟動模塊需要加載一個至少100 ms的低電平信號。通過延時的方法實現(xiàn)PT39I模塊的啟動。

2.2 單片機(jī)選型

在設(shè)計時經(jīng)過綜合分析，需要一款內(nèi)存較大的單片機(jī)，因此選中 STC89C58，內(nèi)存為 1 KB RAM空間，32 KB ROM空間。設(shè)計時劃分了201個短信數(shù)據(jù)交換空間，206個彩信數(shù)據(jù)交換空間。采用22.118 4 MHz的晶振頻率有兩個原因，一是匹配波特率，二是提高單片機(jī)數(shù)據(jù)的處理速度。

2.3 SIM卡電路設(shè)計

SIM卡是帶有微處理器的芯片，內(nèi)含5個模塊，每個模塊對應(yīng)一個功能：CPU,程序存儲器ROM、工作存儲器RAM、數(shù)據(jù)存儲器EEPROM和串行通信單元，這5個模塊被集成在一塊集成電路中。因此SIM卡在與手機(jī)連接時，最少需要 5個連接線：電源(VCC)、時鐘(CLK)、數(shù)據(jù)I/O口(Data)、復(fù)位(RST)、接地端(GND)。 如圖 3所示。

2.4 攝像頭模塊

選擇GXT-M201攝像頭，它可以直接輸出JPEG格式，便于GMS/GPRS模塊發(fā)送彩信。

2.5 語音電路設(shè)計

語音合成芯片采用科大訊飛公司生產(chǎn)的XF-S3111，該芯片內(nèi)嵌多種合成方式。且體積較小，使用方便，主要是面向中低端應(yīng)用，符合本系統(tǒng)的成本要求。本系統(tǒng)中需要使用其提示音合成的功能。

將單片機(jī)的P32連接到語音的TXD引腳上，單片機(jī)用模擬串口的方式將數(shù)據(jù)傳給語音芯片。RST與單片機(jī)的P15相連，在本系統(tǒng)中對GB2312和Unicode格式編碼的信息進(jìn)行報讀。在完成一種語音的播報后就進(jìn)行模塊重啟，此時就用到芯片的復(fù)位信號。這樣方便另一種語音的播報。該芯片采用3.3 V電源供電，原理圖中J2為3.3 V穩(wěn)壓芯片。8腳為模擬音頻信號輸出點，接音頻放大電路[3]。

2.6 單片機(jī)與GSM模塊通信電路設(shè)計

74LS04內(nèi)部有6個反相器，圖4只用到其中的4個。在該電路的設(shè)計中利用其驅(qū)動作用[4]，保證單片機(jī)與GSM模塊間的通信數(shù)據(jù)不丟失。在實際應(yīng)用過程中做過相關(guān)的調(diào)試，沒有該驅(qū)動模塊時通信數(shù)據(jù)是亂碼，加入該器件通信數(shù)據(jù)正常，通信過程準(zhǔn)確無誤。原理圖如圖4所示：1TXD、1RXD分別連接單片機(jī)的TXD和RXD，74LS04的 13和 4腳分別連接 ZIF40的 RXD0(18)和TXD0(19)。這樣的連接使信號得到了放大，增強(qiáng)了傳輸過程中的驅(qū)動能力。

2.7 存儲電路設(shè)計

在由單片機(jī)控制的儀器儀表、家用電器、工業(yè)監(jiān)控等系統(tǒng)中，對某些狀態(tài)參數(shù)，不僅要求能夠在線修改，而且斷電后能保持，以備上電后恢復(fù)系統(tǒng)的初始狀態(tài)。為此選用24系列串行EEPROM的產(chǎn)品。同時由于系統(tǒng)要對特定用戶報警，要求能對其身份進(jìn)行有效的識別，而這種信息在一個相對的時間里是固定不變的，所以要對其進(jìn)行保存而且要保證隨時能夠改寫[5]。對本系統(tǒng)即手機(jī)報警系統(tǒng)來說需要保存的信息有：用戶自己的手機(jī)號碼、報警時約定的報警密碼、家庭的地址、家庭其他用戶的號碼等相關(guān)信息。這幾個信息的內(nèi)容相對簡單，因此使用EXEL產(chǎn)品中的24C02完全能夠達(dá)到要求。但是24C02和其他24CXX系列比較有一點特殊，其按頁寫方式寫入數(shù)據(jù)時最大只能是8 B，這次設(shè)計中選用的是EXEL公司的24C02,其最大頁寫一次只能是4 B。所以在編程中采用字節(jié)寫入方式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)工作過程簡介：當(dāng)系統(tǒng)獲得傳感器信號時，單片機(jī)系統(tǒng)首先檢查當(dāng)前狀態(tài)是否為設(shè)防狀態(tài)。如果是,則單片機(jī)系統(tǒng)通過GSM發(fā)送一條短信給用戶，用戶獲得信息后可以發(fā)送控制命令。在異常狀態(tài)下有 “0拍照”、“1監(jiān)聽”、“2撥打小區(qū)電話”幾條指令可用。當(dāng)用戶發(fā)送“0拍照”時，首先從存儲器中提取用戶號碼與收到短信中的電話號碼進(jìn)行比對，校驗成功后單片機(jī)就會發(fā)起對攝像頭的通信并完成拍照與上傳數(shù)據(jù)。之后通過GPRS模塊將照片發(fā)送至用戶的手機(jī)上。當(dāng)用戶發(fā)送“1監(jiān)聽”時，單片機(jī)首先從存儲器區(qū)中提取電話號碼并撥打該號碼。用戶接聽電話后，就可以監(jiān)聽家中的安全狀況。當(dāng)用戶發(fā)送“2撥打小區(qū)電話”時，系統(tǒng)將會自動從存儲器中提取小區(qū)保安的電話號碼并撥打保安電話。每完成一次操作,語音電路都會根據(jù)操作的內(nèi)容提示用戶操作的結(jié)果。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖

利用串口助手可以對PT39I進(jìn)行測試和操作，也可以用來分析理解AT指令協(xié)議，為軟件編程做準(zhǔn)備。在此基礎(chǔ)上可以在單片機(jī)上開發(fā)程序,通過串口對無線通信模塊進(jìn)行控制，達(dá)到實現(xiàn)用單片機(jī)控制收發(fā)短消息的功能[6]。使用PT39I收發(fā)短消息，用戶必須準(zhǔn)備一張已開通的SIM卡，并將其插入PT39I的SIM卡座中。使用PC配合PT39I收發(fā)短消息，使用時需開啟PT39I電源，通過串行數(shù)據(jù)線連接到PC機(jī),并在PC端安裝串口讀寫軟件，例如超級終端、Telix等，通過終端軟件發(fā)送AT命令，察看返回的數(shù)據(jù)是否正確。

系統(tǒng)的測試、啟動、初始化完成后，用戶可以發(fā)送“拍照”到系統(tǒng)的號碼。發(fā)送短信后等待約1 min。用戶會收到一條彩信，打開瀏覽，是系統(tǒng)抓拍的照片。有一點需要說明，系統(tǒng)攝像頭抓拍的照片為收到用戶短信后2 s左右，但是數(shù)據(jù)傳輸時間較長。具體傳輸時間由照片的大小和串口的通信速率決定。在系統(tǒng)收到用戶發(fā)送的拍照命令后，系統(tǒng)要完成主控制器對攝像頭模塊的同步與設(shè)置。

本文的創(chuàng)新點在于通過軟、硬件結(jié)合的方式，設(shè)計了一種基于STC89C58和GSM網(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)絡(luò)防盜系統(tǒng)，該防盜報警系統(tǒng)已經(jīng)投入實際運用，運行良好，有一定的實用價值。傳統(tǒng)的報警產(chǎn)品雖然種類眾多，但它們大都是當(dāng)有非法入侵或盜竊行為時，只會立即發(fā)出聲、光、電等報警信號報警，本文報警系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警防盜功能。另外，此類報警系統(tǒng)只要稍加改動，就可應(yīng)用到汽車防盜、倉庫防盜等多個方面。所以把GSM應(yīng)用在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的前景非常廣泛。

[1]趙晉琴.基于GPRS技術(shù)的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)）2010,24(11):89-96.

[2]張俊林.家庭防盜系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）2010,12（4）：115-117.

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[5]馬士寶，張國寶，孫向陽,等.基于GSM模塊的無線報警系統(tǒng)設(shè)計[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009,32(1)：51-53.

[6]肖金球.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[7]陳榮保，曹軍，李志勇.基于 GSM/GPRS的嵌入式汽車防盜系統(tǒng)[J].自動化儀表，2008,29(9)：27-29.