宋軍平　趙高麗

摘要：該文是基于GSM短消息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括硬件和軟件系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用了STM32和ATK-SIM900A核心硬件，STM32作為系統(tǒng)的控制器主要負(fù)責(zé)監(jiān)控信息的采集，處理以及控制ATK-SIM900A發(fā)送報(bào)警信息，運(yùn)用顯示屏，按鍵等人機(jī)交互接口。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，主要包括各個(gè)部分初始化，界面的顯示，按鍵的接收，串口的調(diào)試信息的發(fā)送，短消息的發(fā)送等任務(wù)。

關(guān)鍵詞：GSM；監(jiān)控系統(tǒng)；STM32

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）20-0011-03

Design of GSM Remote Monitoring System Based on Duan Xiaoxi

SONG Jun-ping1， ZHAO Gao-li2

（1.Henan Institute of Science and Technology， Xinke College， Xinxiang 453003， China； 2.Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang 453003， China）

Abstract： This paper is to design a GSM Short Message based remote monitor and control system， including hardware and software systems. In the hardware design， the main use of the STM32 and ATK-SIM900A STM32 as the core hardware， the system controller is responsible for monitoring information collection， processing and control ATK-SIM900A to send the alarm information， the use of display， buttons and other human-computer interaction interface. System software design of assembly language， C language code， including the initialization， interface display， button to receive， send the serial port debugging information， Short Message sending task.

Key words： GSM； monitoring system； STM32

隨著信息技術(shù)的發(fā)展目前國(guó)內(nèi)外監(jiān)控系統(tǒng)主要采用視頻監(jiān)控。主要是采集現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面并儲(chǔ)存，雖然在一定程度上起到一定的監(jiān)控作用為事后事件的處理提供了一定的依據(jù)，但是并不能起到實(shí)時(shí)，準(zhǔn)確，智能的監(jiān)控作用。并且監(jiān)控系統(tǒng)成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜并需要有專(zhuān)人維護(hù)。而基于GSM短消息監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低使用方便，不管何時(shí)何地，只要觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)就可以實(shí)時(shí)的得到通知。因此，本文將基于GSM短消息監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在基于GSM短消息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了STM32和人體紅外報(bào)警傳感器。STM32的穩(wěn)定性比較高，擴(kuò)展性好，功率消耗比較低；人體紅外傳感器不受環(huán)境和位置的限制，可以通過(guò)觸發(fā)器報(bào)警來(lái)發(fā)送短消息，了解遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)的情況，通過(guò)短消息來(lái)報(bào)警，從而提高及時(shí)解決問(wèn)題的效率。

2 系統(tǒng)的硬件各模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

電源電路采用電源芯片LM2596為主電路提供5V的工作電壓，在輸入端加了防反接保護(hù)，即使由于人為意外將電源反接也不會(huì)損壞后續(xù)電路。還可以用僅80μA的待機(jī)電流， 實(shí)現(xiàn)外部斷電，具有自我保護(hù)電路。由于系統(tǒng)的控制器使用了STM32F105RCT6，其工作電壓為3.3V，因此要將5V的電壓降為3.3V，本設(shè)計(jì)使用了SP3819M5-L-3-3為芯片提供穩(wěn)定可靠的工作電壓。該芯片連接電路簡(jiǎn)單輸出電壓穩(wěn)定電壓波紋小。

2.2 主控芯片接口

本系統(tǒng)主控芯片為STM32F105RCT6，該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高可工作在72MHZ的主頻下，256K的片上Flash，64K片上ROM，一個(gè)USB2.0的全速主從控制器，12通道的DMA控制器，2個(gè)CAN2.0B的接口，2個(gè)12位的ADC和DAC，2個(gè)I2C接口，5個(gè)UART，3個(gè)SPI接口，51個(gè)通用GPIO。

嵌入內(nèi)部RC 8 MHZ和32 KHZ實(shí)時(shí)時(shí)鐘，嵌套中斷控制器NIVC。節(jié)電模式通過(guò)JTAG門(mén)限，四個(gè)16位定時(shí)器輸入捕獲、比較和PWM輸出脈沖計(jì)數(shù)器和正交編碼器輸入，16位電動(dòng)機(jī)PWM控制，兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，SysTick計(jì)時(shí)器，兩個(gè)16位定時(shí)器基本DAC，CRC計(jì)算單元（96位惟一的ID）。

2.3 啟動(dòng)方式選擇

STM32可配置BOOT1，BOOT0到不同的電平來(lái)切換到不同的啟動(dòng)方式。其中正常模式（BOOT0=X，BOOT1=0）是把程序下載到芯片內(nèi)部的Flash這樣程序掉電后依然存在，下次開(kāi)機(jī)可一自動(dòng)啟動(dòng)；ISP模式（BOOT0=0，BOOT1=1）是將程序下載到一快特定的內(nèi)存區(qū)域，一般由廠(chǎng)家寫(xiě)入，不能被隨意更改或擦除。調(diào)試模式（BOOT0=1，BOOT1=1）從內(nèi)部SRAM啟動(dòng)，由于SRAM上的數(shù)據(jù)掉電后會(huì)丟失，不能再掉電的情況下保存數(shù)據(jù)，所以只能用在程序的調(diào)試過(guò)程中。在硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到SROM有限的擦寫(xiě)次數(shù)，為了延長(zhǎng)芯片的使用壽命盡可能減少對(duì)SROM的擦寫(xiě)，在軟件的調(diào)試中可通過(guò)配置程序的啟動(dòng)方式到調(diào)試模式，程序就會(huì)在上電的過(guò)程中加載到SRAM中用于調(diào)試。當(dāng)我們需要正常啟動(dòng)是再切換到正常模式把程序下載到SROM此時(shí)每次開(kāi)機(jī)就會(huì)正常啟動(dòng)。對(duì)于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的程序來(lái)言，如果程序很大，而STM32內(nèi)置SROM有限，就需要在外邊添加Nand flash/Nor flash 和SDRAM，這樣的話(huà)程序就存儲(chǔ)在flash中，而程序在SDRAM中執(zhí)行，既節(jié)約了成本又提高了運(yùn)行效率。

2.4 STM32的JTAG調(diào)試接口

運(yùn)用J-LINK仿真調(diào)試，進(jìn)行跟蹤程序的運(yùn)行從而很容易找到問(wèn)題的原因，J-LINK仿真器是通過(guò)JTAG接口連接到芯片的。

在使用J-LINK連接目標(biāo)板時(shí)，有兩種方式可供選擇，SWD模式和JTAG模式。SWD模式與JTAG模式相比占用更少的IO口，在制作PCB板時(shí)也會(huì)占用更小的空間。在高速模式下也更加穩(wěn)定，最高支持10MHZ的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸。一般支持JTAG模式都支持SWD模式。只要將JTAG的第7，9管腳與STM32芯片的JTMS，和JTCK相連，并且目標(biāo)板供電還要連接VCC，GND，至于NREST根據(jù)需要可以選擇連接或不連接。

2.5 串口輸入輸出

在程序的調(diào)試過(guò)程中為了解運(yùn)行狀態(tài)，將一些調(diào)試信息到PC機(jī)上，這時(shí)就會(huì)用到RS-232串口。在STM32中，TTL輸出高電平一般大于2.4V，輸出的低電平小于0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出的低電平是0.2V。本系統(tǒng)采用了MAX3232芯片進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，MAX3232內(nèi)部有兩個(gè)轉(zhuǎn)換通道可同時(shí)轉(zhuǎn)換兩路串口。串口電路見(jiàn)圖1。

圖1 串口輸入輸出

2.6 按鍵輸入

本系統(tǒng)運(yùn)用按鍵為用戶(hù)設(shè)置一些參數(shù)。按鍵的接線(xiàn)方式有多種，最簡(jiǎn)單是獨(dú)立按鍵，這種方式每個(gè)按鍵連接MCU的一個(gè)管腳，簡(jiǎn)單程序處理起來(lái)也方便，不過(guò)由于它是每個(gè)按鍵都需要連接一個(gè)IO口，對(duì)于一些IO資源緊張或者當(dāng)按鍵數(shù)量特別多時(shí)他的劣勢(shì)就突出出來(lái)，不僅接線(xiàn)變得復(fù)雜，還會(huì)浪費(fèi)大量的IO口。

由于按鍵數(shù)目并不是太多沒(méi)有必要用到專(zhuān)門(mén)的按鍵芯片，但也不適用獨(dú)立按鍵，而是利用了STM32的一個(gè)AD來(lái)檢測(cè)那個(gè)按鍵按下，具體實(shí)現(xiàn)的原理是，多個(gè)電阻串聯(lián)把VCC到GND之間的電壓分為很多份每一個(gè)按鍵接一個(gè)點(diǎn)的電壓，不同的按鍵按下都會(huì)有不同的電壓值，這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)化，芯片根據(jù)不同的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果就可以知道對(duì)應(yīng)是那個(gè)按鍵按下了，這種按鍵檢測(cè)方法最多可以檢測(cè)一百多個(gè)按鍵了只需要一個(gè)IO口，當(dāng)然芯片必須有AD功能。

2.7 GSM模塊和AT指令

GSM是本系統(tǒng)的重要組成部分，而本系統(tǒng)GSM采用雙頻SIM900A，它可以用比較低的功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和信息的傳輸。由于GSM模塊的設(shè)計(jì)有特殊的設(shè)計(jì)要求并且對(duì)GSM模塊的設(shè)置并不是本文討論的重點(diǎn)，因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中直接采用了正點(diǎn)原子的ATK-SIM900A模塊。主控芯片是通過(guò)串口來(lái)向GSM發(fā)送命令并接收數(shù)據(jù)的，其接線(xiàn)方式也比較簡(jiǎn)單只需要兩根線(xiàn)RX，TX。

通過(guò)串口直接和GSM模塊進(jìn)行交互會(huì)用到AT指令，通過(guò)指令進(jìn)行短消息編輯，設(shè)置，讀取，發(fā)送，查詢(xún)，儲(chǔ)存等功能。因此我們可以利用GSM模塊向指定的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。

2.8 報(bào)警模塊

報(bào)警信息的提取采用的是人體熱釋紅外模塊，當(dāng)有人出現(xiàn)在設(shè)定的范圍內(nèi)是該模塊會(huì)捕捉到人體釋放的紅外信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換排除干擾后輸出電壓信號(hào)。通過(guò)人體熱釋紅外模塊后，可以檢測(cè)報(bào)警信息發(fā)送給MCU處理了。該模塊的電路原理圖如2所示：

圖2 人體紅外感應(yīng)模塊原理圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要作用是利用GSM發(fā)送報(bào)警信息，當(dāng)系統(tǒng)加電后首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，初始化完成后程序會(huì)讀取按鍵返回的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下則讀取按鍵值并做出相應(yīng)的處理，如果沒(méi)有按鍵按下程序繼續(xù)往下運(yùn)行判斷是否有觸發(fā)報(bào)警，如果觸發(fā)報(bào)警MCU會(huì)利用GSM發(fā)送報(bào)警信息到指定的手機(jī)終端，完成整個(gè)報(bào)警過(guò)程。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.2 主程序略解

本系統(tǒng)的程序是以工程的方式構(gòu)建的，不同的模塊編寫(xiě)為不同的*.c，*.h文件然后各個(gè)文件共同組成一項(xiàng)目，這樣各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立一個(gè)模塊的改動(dòng)并不會(huì)影響到其他模塊的正常工作，最后主程序只要調(diào)取需要的函數(shù)接口就可以了。

main（）

{SystemTick_Init（）；//滴答定時(shí)器的初始化配置

Uart1_Init（）；//串口1的初始化波特率115200，數(shù)據(jù)位8位，停止位1 位//無(wú)奇偶校驗(yàn)，主要用以調(diào)試信息的打印程序的下載。

Uart2_Init（）；//串口2的初始化波特率115200，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位//無(wú)奇//偶校驗(yàn)，串口2用來(lái)控制GAM模塊

LCD_Init（）；//LCD的初始化，NOKIA5110的初始化

Alarm_Init（）；//與報(bào)警接口的初始，主要初始化為輸入模式

Key_Init（）；//按鍵的初始化，主要初始化化了AD轉(zhuǎn)換，利用DMA讀取

//AD轉(zhuǎn)換結(jié)果

for（ ； ； ）}（接附錄2）

按鍵程序是通過(guò)AD結(jié)果來(lái)獲取的，其中理論按鍵值對(duì)應(yīng)的電壓如圖4所示，但是，在實(shí)際中不可能獲到很準(zhǔn)確的AD轉(zhuǎn)換值，這是由于存在以下幾種誤差：對(duì)于相同的電壓值，AD多次轉(zhuǎn)換的結(jié)果不會(huì)完全相同。電阻的誤差。電阻值由于制作以及溫度的原因，誤差較大，所以不可能得到很準(zhǔn)確的分壓。本例采用的電阻精度為±5%。還有其它干擾也可能造成AD轉(zhuǎn)換結(jié)果不準(zhǔn)確。

而且在一個(gè)完整的按鍵過(guò)程中包括以下幾個(gè)階段：

圖4 按鍵時(shí)序圖

1）等待階段：在這一時(shí)間段按鍵沒(méi)有按下，處于空閑階段。

2）閉合抖動(dòng)階段：當(dāng)按鍵剛被按下，但信號(hào)還處于抖動(dòng)狀態(tài)，因此系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)有延時(shí)。這個(gè)延時(shí)時(shí)間為4～20ms。消抖動(dòng)延時(shí)的另一個(gè)作用是可以剔除信號(hào)線(xiàn)上的干擾，防止誤動(dòng)作。

3）有效閉合階段：抖動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，發(fā)生一個(gè)有效的按鍵動(dòng)作。系統(tǒng)應(yīng)該在此時(shí)執(zhí)行按鍵功能；或?qū)存I所對(duì)應(yīng)的編號(hào)（簡(jiǎn)稱(chēng)“鍵號(hào)”或“鍵值”）記錄下來(lái)，待按鍵釋放時(shí)再執(zhí)行

4）釋放抖動(dòng)階段：通常來(lái)說(shuō)，程序應(yīng)該在這里做一個(gè)延時(shí)，以防誤動(dòng)作。但是，如果前面“閉合抖動(dòng)階段”的時(shí)間取值合適的話(huà)，可以忽略此階段。

5）有效釋放階段：假如按鍵采用釋放后再執(zhí)行的功能，則可在此階段進(jìn)行相關(guān)處理。處理完成后轉(zhuǎn)到階段1；如果按鍵是采用閉合時(shí)就執(zhí)行功能，那么可以直接切換到階段 1。

6）消除抖動(dòng)的辦法：在按鍵閉合和打開(kāi)的瞬間會(huì)產(chǎn)生許多尖脈沖，時(shí)間大約要持續(xù)幾到幾十毫秒。在程序中若按鍵被按下后延時(shí)20ms消除抖動(dòng)被檢測(cè)到，按鍵仍然能判斷按鍵確實(shí)被按下，而判斷鍵能返回鍵值。

4 結(jié)論

基于GSM短消息的遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)是通過(guò)觸發(fā)人體紅外傳感器，觸發(fā)報(bào)警發(fā)送短消息來(lái)及時(shí)接收和了解遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)的情況，從而節(jié)省了大量的人力，物力和財(cái)力，從而提高了安全防范和及時(shí)了解遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)并解決突發(fā)情況的效率和力度。隨著科技的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在今后的研究中如對(duì)硬件電路增加攝像頭模塊，當(dāng)觸發(fā)報(bào)警時(shí)可以打開(kāi)攝像頭捕捉畫(huà)面并利用GSM模塊的網(wǎng)絡(luò)傳到手機(jī)終端，這樣就可以通過(guò)報(bào)警采集畫(huà)面，了解終端的詳細(xì)情況，具有非常廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓斌杰.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 馬潮.嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（4）.

[3] 李鴻.用單片機(jī)控制手機(jī)收發(fā)短信息[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2003（1）.

[4] 馬潮.嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（7）：11-14.

[5] 胡文華 胡仁喜.Altium Designer 13從入門(mén)到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6] ATK-SIM900A GSM（GPRS）模塊用戶(hù)手冊(cè)_V1.0[Z].

[7] STM32中文參考手冊(cè)_V10[Z].

[8] ARM Cotrex-M3權(quán)威指南[Z].