基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统
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【 论文 关键词】单片机 gsm模块 传感器
【论文摘要】本系统主要由单片机和gsm短信模块组成，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。它采用主动式红外传感器进行检测，变有形的传统防盗网防盗窗为无形，给火灾时的逃生提供方便。并配备烟雾传感器和燃气泄漏传感器，实现防火、防燃气泄漏的作用。
引言
目前传统的机械式（防盗网、防盗窗）安防系统在实际使用中暴露了很多隐患，例如：为其它没有安防盗窗的相近楼层形成被盗隐患、发生火灾时不易逃生等。
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。目前市场上常见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优、缺点，我设计了基于gsm短信模块的家庭无线防盗报警系统。此系统可解决这些隐患，让家庭防盗更及时、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。它采用主动式红外传感器进行检测，变有形的传统防盗网防盗窗为无形，给火灾时的逃生提供方便。并配备烟雾传感器和燃气泄漏传感器，实现防火、防燃气泄漏的作用。
本文介绍了用at89s52单片机实现的基于gsm短信模块的家庭防盗报警系统，以及at89s52单片机的功能特点、gsm短信模块工作原理、传感器工作原理。
系统组成框图如下：
第1章 单片机概述
at89s52作为普通51单片机已与广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大，因此本系统采用at89s52单片机作为主控制芯片。
1.1 at89s52的主要性能
与mcs-51单片机产品兼容
8k字节在系统可编程flash存储器
1000次擦写周期
全静态操作：0hz～33hz
三级加密程序存储器
32个可编程i/o口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工uart串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符
1.2 at89s52的功能特性描述
at89s52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k 在系统可编程flash 存储器。使用atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与 工业 80c51 产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在系统可编程flash，使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。at89s52具有以下标准功能： 8k字节flash，256字节ram，32 位i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89s52 可降至0hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
1.3 at89s52的管脚排列
第2章 gsm 模块
2.1 hrh gsm modem介绍
由于hrh gsm modem 内嵌高可靠性的gsm 引擎（gsm cellular engine）和51 单片机系统（mcs51），标准串行接口和精简的软件接口协议将用户从繁杂的gsm 通信标准解析和调试中解脱出来，使用方便，而且公网的数据传输具有通信范围广（gsm 网络基本覆盖全国），传输稳定、可靠等特点。因此本设计选用hrh gsm modem来进行通信。
2.1.1 gsm modem 的主要功能
a.收发短信；
b.借助短信实现远程小批量数据传输；
c.语音通话（gsm 电话）；
d.数传模式实现无线实时数据通信；
e.无线上网（自动应答型）。
2.2 gsm modem 的硬件接口
模块要求12v/500ma供电，与 计算 机或单片机通过串口通信，波特率9600bps，通过sim卡座来安装sim卡。
2.3 hrh gsm modem 的软件协议
a．‘a’表示ascii 字符a，00 或00h 表示16 进制数据00。
b． 帧结构：帧头（固定为0aah）＋指令码＋数据
2.3.1 设置短信中心号
以北京地区为例，短信中心号为：+8613800100500，应向gsm modem 下发数据帧：
aa 09 2b 38 36 31 33 38 30 30 31 30 30 35 30 30 （16 进制数据）
如果设置成功，gsm modem 应答 aa 09 “+8613800100500”，
如果设置不成功，gsm modem 应答 aa 09 ‘error’
短信中心号设置后，保存在sim 卡上，只需设置一次；也可以在手机上把短信中心号设置好后再装入gsm modem，以后就不用再设置。
2.3.2 利用gsm modem 向普通手机发短信
以向手机13661174602 发中文信息“测试”为例：
首先计算或查表得到“测试”的unicode 编码为：6d4b（测） 8bd5（试）；
向gsm modem 下发数据帧：
aa 02 31 33 36 36 31 31 37 34 36 30 32 6d 4b 8b d5
gsm modem 可能返回于下信息：
aa 01 ‘error’短信未从gsm modem 送出，可能是未登陆网络或sim 卡故障。
aa 01 ‘ok’ 短信已从gsm modem 送出，但未送达短信中心，可能是信号质量差或天线连接不好。
aa 01 ‘send ok’ 短信已送达短信中心，并且短信中心已经下发给接收方。
aa 01 ‘success 13661174602： 0304111023123203041110231532’接收方已经收到短信（注意仅当接收方手机已经设置短信自动应答时才会返回；gsm modem 已设置成短信自动应答）。
aa 01 ‘failure 13661174602：0304111023123203041110331532’短信中心未能将短信送达接收方或接收方已经收到短信，但其给短信中心的回应短信中心没有收到（注意仅当接收方手机已经设置短信自动应答时才会返回）。
一般情况下，由于短信不保证实时性，所以从发送到对方接收到短信可能有5-10 秒的延时，使用中建议设置短信超时定时器长度在20-30 秒左右。
短信发送成功的返回信息：
先返回 aa 01 ‘send ok’31；
如果接收方手机设置了短信自动应答，则在对方收到后返回
aa 01 ‘success 13661174602： 0304111023123203041110231532’。
短信发送失败的几种可能返回信息：
a. aa 01 ‘error’
b. aa 01 ‘ok’
c. aa 01 ‘send ok’32 后； aa 01 ‘ failure 13661174602 ：
0304111023123203041110331532’
第3章 键 盘 显 示
为了实现系统发生警情时能够向指定的号码发送短信息的功能，则必须有键盘和led显示，来对防盗报警系统进行电话号码的预设，本设计选用hd7279作为键盘显示驱动，
3.1 hd7279键盘显示芯片
该芯片支持64键盘和8位数码管动态显示，与传统的键盘显示芯片8279相比，芯片少，与cpu仅有4线串行通信，大大的节省了cpu i/o口的资源；
hd7279内部含有译码器，可直接接受bcd码或16进制码，并同时具有两种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如左移、右移、闪烁、消隐、段寻址等；
hd7279具有片选信号，可方便的实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。
3.2 hd7279的典型应用电路：
第4章 铁电存储器
4.1 铁电存储器的特点
为了实现对预设电话号码的存储和对报警信息的记录，本系统采用了能够保证掉电数据不丢失的铁电存储器，该类存储器相对于传统的eeprom有许多优点：
1．传统的eeprom写入次数有限，一般为10万次，而铁电存储器有着近乎无限次擦写的特性；
2．传统的eeprom写入速度较慢，一般需要cpu延时几个nop的时间来等待写入，而铁电存储器有着和ram相同的操作速度；
3．eeprom需要较大的能量来完成一次擦写，而铁电存储器在写入时属于微功耗。
本设计选用了fm24c16来作为非易失性数据存储器，其特点如下：
1. fm24c16a是一种串行非易失存储器，它的结构容量为512*8位，接口方式为工业标准二线制造串行接口，与串行eeprom的功能操作相似，与eeprom具有相同的引脚排列，不同之处在于，fm24c16a具有非常出色的写操作性能；
2.fram内部采用读恢复机制操作。所以读写次数与每一次读写都有关系。fram结构是基于行与列阵列排布，行由a8- a2定义。 每次访问都会使一行减少一次读写寿命。铁电的擦写次数几乎可以说是无限次。即使每秒访问3000次，连续使用十年，使用寿命仍未终止。
4.2 二线制协议
fm24c16使用二线制协议串行总线及其传输规约进行双向传输，这种方式占用脚位少，占用线路板空间小，下图描述了fm24c16在微处理器系统中的典型配置：
二线制协议即是总线上的所有操作都是由sda和scl两个脚位的状态来确定的，共有四个状态：开始，停止，数据以及应答，下图描述了四个状态的时序图。
第5章 实时时钟
为了实现发生警情时，对发生警情的时间进行记录，且为了保证系统的可靠运行，要求系统进行自检并定时上报系统运行状态，因此需要系统具有实时时钟功能。本设计选用了ds12887实时时钟芯片。
5.1 ds12887功能与特点介绍
ds12887采用cmos技术制成，把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部。采用ds12887芯片设计的时钟电路勿需任何电路并具有良好的微机接口。ds12887芯片具有微轼耗、接口简单、精度高、工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合中。其主要功能如下：
1．内含一个锂电池，断电情况运行十年以上不丢失数据。
2．计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能。
3．二进制数码或bcd码表示时间、日历和定闹。
4．12小时或24小时制，12小时时钟模式带有pwm和am指导，有夏令时功能。
5．motorola5和inatael总线时序选择。
6．有128个ram单元与软件音响器，其中14个作为字节时钟和控制寄存器，114字节为通用ram，所有aram单元数据都具有掉电保护功能。
7．可编程方波信号输出。
8．中断信号输出(irq)和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行测试。
5.2 时间、日历和定闹单元
时间和日历信息通过读相应的内存字节来获取，时间、日历和定时闹钟通过写相应的内存字节设置或初始化，其字节内容可以是十进制或bcd形式。时间可选择12小时制或24小时制，当选择12小时制时，小时字节高位为逻辑“1”代表pm。时间、日历和定闹字节是双缓冲的，总是可访问的。每秒钟这10个字节走时1秒，检查一次定闹条件，如在更新时，读时间和日历可能引起错误。三个字节的定闹字节有两种使用方法。第一种，当定闹时间写入相应时、分、秒定闹单元，在定时允许、闹钟位置高电平的条件下，定闹中断每天准时起动一次。第二种，在三个定闹字节中插入一个或多个不关心码。不关心码是任意从c到ff的16进制数。当小时字节的不关心码位置位时，定闹为小时发生一次由于相线小时和分钟定闹字节置不关心位时，每分钟定闹一次；当三个字节都置不关心位时，每秒中断一次。
5.3 ds12887引脚定义
第六章 后备电源
为了防止窃贼在进入防区之前将系统的供电交流电源切断，系统必须能够在交流电源被切断后继续正常运行一段时间，本系统采用12v/7ah的铅酸蓄电池作为后备电源，这就给系统设计提出了一个继续解决的问题：就是蓄电池的充电电源管理问题。
由于铅酸蓄电池在过充情况下电解液会发生气化现象，导致蓄电池的寿命降低 ，蓄电池在充满电时，蓄电池的电压大概在13.6v左右，在欠压时电压大概在10.9v左右，根据这个特点，本人发现此充放电特性符合滞回比较器的传输特性，即将滞回比较器的上限阈值设为13.6v，下限阈值设定为10.9v，当充满电后，使滞回比较器控制继电器将充电限流电阻切换到较大的限流电阻上；当放电到10.9v时，滞回比较器控制继电器将限流电阻切换到较小的限流电阻上，并且保障系统正常工作电流要小于快充充电电路的电流，而大于慢充充电电路的电流。这样就能保证滞回比较器始终工作在10.9v—13.6v的滞回带内，即保证蓄电池既不欠压又不过充。
滞回比较器：
有滞回特性，具有抗干扰能。从反相输入端输入的滞回比较器电路如下图所示，电路中引入了正反馈。
滞回比较器工作原理：
从集成运放输出端的限幅电路可以看出，uo=±uz。集成运放反相输入端电位，同相输，入端电位
根据“虚短”,求出的就是阈值电压，因此得出
当 ，因而uo=+uz，所以 当 ， 因而uo=-uz，所以， 。
可见，uo从+uz跃变为-uz和uo从-uz跃变为+uz的阈值电压是不同的，电压传输特性如下图所示。
注：具体电路参照系统设计图纸电源部分。
第7章 遥 控 器
为了实现用户在进入防区前或离开防区后能对系统的布、撤防状态进行改变，本设计选用了315m调幅遥控器，该遥控器具有以下优点：
1．工作在业余频段，不用花钱购买频点；
2．有效距离远，一般可达200－1000米；
3．有丰富的地址码供用户选择，由于遥控器和遥控器接收板上应用的pt2262/pt2272编解码芯片对都提供8位三态的编解码状态，也就是说有3的8次方地址码可供用户选择，足以满足小区内所有用户的防盗报警布、撤防应用。
发射、接收电路无解码电路图分别如下：
第8章 传 感 器
要实现防盗、防火、防燃气泄漏，相应的传感器是必不可少的，而无论是哪种传感器，其最终输出的都是开关量。
8.1 红外传感器
对于防盗传感器，本系统采用主动式红外对射传感器，它相对于传统的被动式热释红外传感器有以下优点：
1.主动式对射红外传感器安装于门窗及一切需要设防的位置，采用多光束综合判断，当有一定体积的障碍物遮挡时，才被触发，极大的降低了传感器的误报；
2.由于其安装在门窗等位置，使夜间主人的正常活动不受限制，这给用户提供了极大的夜间布防的可能。
8.2 烟雾传感器
本设计选用离子式烟雾传感器，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。
8.3气体泄漏传感器
本设计选用电化学型气体传感器，电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压，除了能检测co，no，n02，02，s02等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数已电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高、选择性好。
第9章 家庭防盗报警系统的软件设计
9.1主程序流程图（图1）
9.2 外部中断0中断服务子程序流程图（图2）
图2
结论
本次设计切实考虑了家庭防盗的需求，针对家庭防盗的主要方面而设计的一款新型家庭防盗报警系统。设计过程中充分考虑了各种可能出现意外情况，根据具体情况设计了相应的功能。如预设、校时、查询等。操作简单、方便。此系统借助最可靠、最成熟的gsm移动 网络 ，大大减少了误报现象，可靠性强。本设计软、硬件调试已经通过，性能良好。
参考 文献
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4 李华主编.mcs－51单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社，1993
5 intel microcontroller handbook.1985
6 何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社，1996