学士学位论文—-基于gsm的家用防盗窗报警系统设计.doc

基于GSM的家用防盗窗报警系统设计*（*，合肥 230036）摘 要：家庭中的防盗窗是防止犯罪分子入室盗窃的关键环节。但目前市场上家用防盗窗存在种类繁多，质量参差不齐且基本没有报警环节的现象，难以满足用户需求。本文详细介绍了采用GSM模块与单片机等器件设计防盗窗报警系统的原理及过程，实现了用户对防盗窗被破坏时的报警要求。该系统工作稳定，反应灵敏、迅速，具有良好的应用前景。关键词：家用防盗窗 GSM模块 单片机 报警中图分类号： 中国分类号 文献标识码： 文献标识码 文章编号：Design of the Alarm System for Home security windows Based on GSM Modem*（*, Hefei 230036, China） Abstract：The home security windows in our house is a key to ensure the safety of our house. However, there are many kinds of security windows with different quality in the marker, but with no alarm system. It is difficult meet the users needs. This thesis designs an alarm system for home security windows based on gsm modem. This system is stable and has high efficiency, low consumption and can fully meet the requirements of the users.Key words: The Home Security Window ; GSM Modem; MCU; Alarm System 目前传统的家用防盗窗存在种类繁多，质量参差不齐且基本没有报警环节的现象。随着电子技术的飞速发展，报警系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展。而各种防盗报警系统之间的主要区别是在于如何让分机与主机、分机与用户之间进行通讯。目前市场上存在的防盗报警系统的通信方式有固定电话拨号、以太网、集群系统等等。但它们有各自的缺点：1固定电话拨号容易被盗贼在入室抢劫前切断电话线或恶意占线，使其在关键时刻失灵。2以太网同样面临着线路被切断的隐患，且不易普及。3集群系统功耗很大，网络架设和维护费用很高，而且需要购买固定的频点。针对以上通信方式的存在的缺陷，本文设计了基于GSM模块的家庭防盗窗报警系统。此系统可解决这些隐患，让家庭防盗更及时、更迅速，使用更方便。它不再依赖有线电话执行报警，而是借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的中文短消息或电话形式，直接把报警地点的情况反映到您的手机屏幕上，同时产生现场声光报警。1.系统总体设计与框图本设计的总体框图如图1所示。其中控制核心是单片机，执行终端是继电器与GSM模块，接受终端是用户手机。当埋放在防盗窗空心管内的导线被剪断时，产生外部中断，单片机进行中断响应。已经预置在GSM模块上的手机号码通过GSM网络传输到用户手机内GSM上，被用户所接收，同时单片机通过执行程序发出相应的控制信息给执行端，即继电器，其接收到的单片机输出信息将会吸合，从而控制报警器完成声光报警动作。单片机GSM模块GSM网络用户手机(GSM)继电器报警器外部中断图 1 系统总体设计框图Figure 1-1 The integral design diagram of the system2.系统硬件设计本系统硬件设计主要包括GSM模块、STC12C5A60S2及外围电路,报警器驱动电路，以及模块与单片机的串口连接电路的设计。GSM模块电路主要介绍了TC35模块以及其外围电路结构，它的功能主要是完成发送短信。单片机的外围电路主要有时钟电路、复位电路，继电器控制电路，以及与TC35模块之间的串口连接，它的功能主要是负责指令的翻译和驱使，从而完成信息的发送。继电器控制电路主要是通过单片机控制继电器的吸合或断开来控制报警器的开启与关闭。2.1 GSM模块介绍GSM即全球移动通信系统(Global System for Mobile communication)，就是众所周知的GSM，是当前应用最为广泛的移动电话标准。GSM无线通讯需要借助GSM无线传输模块，GSM无线传输模块无处不在，典型的例子就是人们日常生活中不可缺少的手机，当通过手机打电话和发送短信的时候，这些操作都是经由GSM无线传输模块完成的。本设计采用西门子公司GSM模块，型号为TC35的模块的短信功能，通过此模块可以实现对收到的用户指令进行处理。2.1.1 TC35模块简介TC35是Germany 的siemens 公司发布的GSM模块，是市场上目前普遍使用的性能高、成本低的手机模块，TC35模块是能达到工业标准的完整GSM Modem，它具有GSM1800/EGSM900双频段功能并能提供LED网络信号指示和便捷的串行接口，同时集射频电路与基带于一体并配有标准RS-232。该模块还向用户提供了标准的AT命令接口并支持一些手机功能业务，给用户的开发设计提供了很大方便。Error! Reference source not found.便是GSM通讯集成模块的正反面实物图。图 2-1 GSM集成模块正反面实物Figure 2-1 GSM integrated module positive and negative physical map从上图我们容易看出，GSM模块主要含有射频部分、TC35、信号天线、卡槽、电源部分、电平转化电路和串口等部分组成。外部通过40管脚的ZIF连接器对该模块实行控制，从而实现数据的传输，下面给出TC35模块的管脚图并作一些说明，如Error! Reference source not found.所示。图 2-2 TC35外部引脚图Figure 2-2 TC35 external pin图2-2中TC35模块的VBATT+是供电管脚且所有的VBATT+必须并行连接在一块；/IGT管脚主要用来启动TC35模块工作且低电平有效；VDD主要给外部应用提供电压；GND是接地管脚；RXD0和TXD0管脚用来分别传输数据到DTE和从DTE接收数据；CCIN管脚用来检测是否SIM卡已连上；CCIO是串行数据线，负责电话卡内数据的传输；RTS0端有效信号说明DTE准备传输数据到TC35模块上。下面给出TC35的外围电路大致结构图以此达到整体的更加完整的认识，如图 2-1所示。SIM卡CCVCCCCRST/CCCLKCCIOCCGNDCCINZIF40PINFFC电缆TC35接收天线STC90C516RD+MAX232RXDTXDCOMPIN口电源部分LED指示SYNC启动电路IGT图 2-1 TC35外围电路结构图Figure 2-3 TC35 peripheral circuit structure2.1.2 TC35 GSM模块操作方法用户对TC35 GSM模块的操作，主要是通过所谓的“AT”指令集来实现的。用户通过与GSM无线模块的信号交互端TXD0、RXD0口进行串行通信，并向GSM无线模块发送“AT”指令集，最终达到操作GSM模块进行无线传输的目的。AT命令短消息收发其相关的规范形式主要有GSM 07.07、GSM 03.38和GSM 03.40。后二个着重描述SMS的技术实现(含编码方式)，前者则规定了SMS的DTEDCE接口标准(AT命令集)。其常用AT指令见表2-1：AT指令功能AT+CMGCSend an SMS command(发一条短信命令)AT+CMGDDelete SMS message(删除SIM卡内储存的短信)AT+CMGFSelect SMS message format(选择短消息格式：O-pdu;1-text)AT+CMGRRead SMS message(读短消息)AT+CMGSSend SMS message(发送短消息)AT+CSCASMS service center address(设置短消息中心地址)表2-1 SMS常用AT指令表Table 2-1 SMS Common AT commandsAT命令（Attention）是从数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)或终端设TE(Terminal Equipment)向数据电路终接设备DCE(Data Circuit Terminating Equipment)或终端适配器TA (Terminal Adapter)发送的。通过TA命令，可以实现移动台MS(Mobile Station)由TE发送AT命令来控制的功能，与GSM网络相连进行互通与交流。AT命令主要包括一般命令，网络业务命令，短消息(SMS)命令，数据命令和串口命令等。TC35 GSM模块的TXD0和RXD0端是全双工的串口通讯，其中TXD0是GSM模块的串口信号接收端、RXD0是TC35 GSM模块的串口信号发出端。通过与其他有串口通讯接口设备向链接，可以实现串口通讯。拿51单片机举个例子：51系列单片机都有一对串口通信接口TXD和RXD，对于单片机来说，TXD口是串行信号输出端、RXD口则是串行信号的输入端，所以如果要51单片机和TC35进行串行通信的话，就要把单片机的输出端口与TC35的信号输入端口相连接即TXD口与TXD0口相关联；同样的，也要把TC35模块的信号输出端与单片机的串口信号输入端相连接即RXD0口与RXD口相关联，这样单片机和GSM模块就可以实现相互之间的串口通信了。2.2 STC12C5A60S2单片机简介2.2.1主要特性 STC12C5A60S2单片机是STC公司生产的单时钟/机器周期的单片机，一方面它具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点，而且增加了AD、PWM等功能，增加了PCA定时器和一些特殊功能寄存器，还增加了ADC、LVD、PCA、API等中断；另一方面它的指令代码和引脚完全兼容传统的8051单片机，但速度比传统的8051单片机快8-12倍，是新一代8051单片机。STC12C5A60S2还是一款功能较强大的单片机，首先它拥有两个全双工串行通信接口；第二是其内部有一个独立的波特率发生器。同时STC12C5A60S2单片机片内有自带的高达60K Flash ROM,该工艺的存储器使得用户可以用电的方式瞬间擦除和改写，也支持串口程序烧录。STC12C5A60S2单片机的这些特点使其对开发设备要求较低，也使它的开发时间大大缩短。对于用户写入单片机的程序可以进行加密，使用户的劳动成果得到较好的保护。2.2.2相关参数（1） 工作电压：5.5V3.5V(5V单片机)（2） 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）（3） 工作频率范围：0MHz35MHz,相当于传统普通的8051单片机的0MHz420MHz。（4） 通用I/O口复位后的状态为：准双向口/弱上拉，其模式可以设置成四种：仅为输入/高阻，开漏，推挽/强上拉，准双向口/弱上拉。而且每个I/O口的驱动能力可以达到20mA,但是整个芯片最大不能超过55mA。（5） 不需要专用编程器和专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒就可以完成一片。（6） 因具有EEPROM功能（STC12C5A60S2内部没有EEPROM），支持在系统可编程/在应用可编程。（7） 内部集成MAX810专用复位电路。（8） 设有外部掉电检测电路：在P4.6口设有一个低压门槛比较器，5V单片机是1.32V，误差是正负5；而3.3V单片机是1.30V,误差更小是正负3。（9） 一共有四个16位定时器，其中两个和传统的8051定时器/计数器兼容，16为定时器T0与T1，没有定时器2，但是有独立的波特率发生器。STC12C5A60S2单片机引脚分布图如图2-4所示：图2-4 STC12C5A60S2单片机引脚分布图Figure 2-4 STC12C5A60S2 MCU pinout实物图如图2-5所示图2-5 STC12C5A60S2单片机实物图Figure 2-5 STC12C5A60S2 SCM physical map2.3 单片机与TC35模块的串口通讯由于GSM定义的就是RS232口，RS232一般的工作电压应保持在315V之间，单片机输出的电平不能直接与GSM模块端口的母头相连接，故需要接一个MAX232芯片来使单片机输出的TTL电平转换成CMOS电平来实现串口通讯的功能。其芯片连接方法如Error! Reference source not found.所示。图2-6 单片机与TC35的串口连接Figure 2-6 Microcontroller and TC35 serial connection由图2-6可知，MAX232芯片的1、3管脚和4、5间接1电容，管脚2通过外接电容再接电源，7、8、9、10管脚悬空，管脚11和管脚12分别接STC90C516RD+单片机的TXD（P3.1）和RXD（P3.0）管脚，管脚13和管脚14分别接RS232 RXD(COM Pin2)和RS232 TXD(COM Pin3)，管脚15和COM Pin5接地端，管脚16接电源电压。2.4 单片机与报警器的通讯2.4.1 继电器模块继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 简而言之，在本设计中，继电器就是启着开关的作用，用小电流来控制大电流。本设计所采用的是松乐继电器模块SRD-05VDC-SL-C，如图2-7所示。图2-7 继电器模块SRD-05VDC-SL-CFigure 2-7 SRD-05VDC-SL-C继电器SRD-05VDC-SL-C正常工作需要一个驱动电路，单片机的I/O口的输出电流很小，一般为4mA-20mA。本设计选用的是三极管J3Y，它是8050 NPN SOT23，不是高频管，一般用在小功率的电源电路，用它驱动继电器，但存在着一些问题：当三极管由导通变为截止时，继电器绕组感生出一个较大的自感电压，他它与电源电压叠加后加到控制继电器线圈的三极管的e（发射极）、c（集电极）两极上，使发射结（e-c）有可能被击穿。为了消除这个感生电动势的有害影响，在继电器两端反向并联一个二极管，以吸收该电动势。自感电压与电源电压之和对二极管来说却是正向偏压，使二极管导通形成环流。感应的高电压就会通过回路释放掉，保证了三极管的安全。本模块采用的是SS14，它 是1安培 40伏的肖特基二极管，具有单向导电性的器件。其最显著的特点为反向恢复时间极短，所以其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管。3 系统的软件设计3.1 系统软件设计流程图本系统程序的设计，主要包括串口、单片机及TC35模块的初始化程序、单片机对TC35模块的工作控制程序及TC35模块的短信收发程序,使用C语言编写。系统的总体软件设计流程图如Error! Reference source not found.所示。图3-1 系统软件设计流程图Figure 3-1 System software design4 系统工作原理示意图图4-1系统工作原理示意图Figure 4-1 Schematic diagram of the system5 结束语本文所述的家用防盗窗报警系统采用STC12C5A60S2与GSM相结合的方法，在家里的防盗窗遭到外力破坏时能够向用户手机及时发送通知同时现场发出声光报警，有效的增强了防盗窗的防盗功能。系统简单灵活，抗干扰能力强，成本低廉，工作稳定，能够显著提升防盗能力，具有良好的市场应用前景。参考文献：1.朱林生.一种居民住宅综合报警系统体系结构J，电子产品世界，2001，10(5)：48-49.2.曹立进，高敦堂.家用自动电话报警系统的设计与实现J，微处理机，2000，5 (3)：30-33. 3.陈志伟.用单片机实现的多功能报警器J，杭州电子工业学院学报，1998，18(3)：43-46. 4.滕志军，滕志华，张淑艳.一种远程智能防盗报警装置的研制J，东北电力学院学报，2001 ，21(4)：77-80. 5.郭兆正.单片机遥控防盗报警系统J，锦州师范学院学报，2001，22(1)：37-39. 6.Jiam Stallings. Data and Computer Communications ( 5th Eidition ) M，PRENTICE HALL FUBLICATiON，1996：1-20. 7.王振红，张凯，郝承祥.基于公共电话网的智能家居系统J，控制工程，2002， 9(3 )：55-57. 8.丁园园，赵维琴.基于MCS-51单片机的自动报警系统J，仪表技术，2000，4 (2)：19-20. 9.曾利浪，张伟成.基于GSM模块TC45的无线监控系统电子技术，2004，11（1）：23-26. 10.马忠梅，张凯.单片机的C语言应用程序设计M，北京：北京航空肮天大学出版社，1998：1-22. 11.刘乐善.微型计算机接口技术原理及应用M，武汉：华中理工大学出版社，1996，50-58. 12.王振红，李洋.基于DTMF信号收发芯片MT8880的直接接口设计M，电子与自动化，1999，5（2）：23-56.